桩身负摩阻力产生的条件及工程上的对策

当桩周边地基土的沉降大于桩沉降时会在桩侧产生负摩阻力，对于摩擦桩，负摩阻力将引起桩的附加下沉，基础不均匀沉降，上部结构产生次应力，轻者影响其使用，重者结构物发生损坏；对于端承桩，负摩阻力导致桩身轴力增大，严重的可导致桩身强度破坏，或者桩端持力层破坏，工程中应予以足够的重视。本文根据相关资料，论述了负摩阻力产生的条件及工程上的对策，供大家参考，希望能有所裨益。

一、什么是桩侧负摩阻力

桩的负摩阻力又称为桩的负摩擦力，指桩周土由于自重固结、湿陷、地面荷载作用等原因而产生大于基桩的沉降所引起的对桩表面的向下摩阻力。桩-土间的相对位移是引起桩侧阻力的直接原因。当桩身某截面沉降量大于该截面桩侧土体沉降量时，桩侧摩阻力方向向上，其值为正；反之，桩侧摩阻力方向向下，桩身承受负摩阻力作用。

桩土间的相对位移在桩身范围内连续，桩身存在相对位移为零的点，称为中性点。中性点上桩侧阻力为零，桩身轴力最大，详见图（一）。

中性点的埋深Ln与桩周土的压缩性和变形条件、桩和持力层土的刚度等因素有关。在桩、土稳定之前，它是随时间变动的，详见图（二）。

日本远藤等人对穿过深厚粉质粘土及粉土冲积层的四根钢管桩进行实测（包括开口桩和闭口桩，图（三）即其实测结果）表明在该土质条件下，中性点的深度都在(0.73~0.78)L(L为桩在固结土层内的长度)的狭小范围内。

当地面有堆载时，中性点的深度取决于堆载的大小，堆载越大则中性点越深，例如宝钢某工程根据实测地基沉降推算71m长桩，当荷载由2.7t/m2增至8t/m2时中性点深度由-16米变为-60米，即相当于（0.22~0.85l）。

国内曾对穿过自重湿陷性黄土而落于非湿陷性土层的、长10米的人工挖孔灌注桩进行浸水实验，测得浸水40天时中性点深度为(0.74~0.9)L;46天后稳定于0.9L；而支承于不可压缩层土层（如基岩或密实卵石层）时，Ln=L。即不存在中性点。

软土中的端承桩试验也表明，Ln=L。即不存在中性点。

范表5.4.4-2给出了Ln的推荐值可供设计中采用。

群桩中的土体受到包围它的群桩支托，固结下沉受到限制，因此负摩阻力不能充分发挥，这也就是负摩阻力的群桩效应。佐藤悟认为群桩效应取决于群桩中每根桩的桩身单位面积所分担的土体重量qω与极限负摩阻力fm之比，K=qω/fm，qω=（ab-π/4d2）xγ/U。当K≥1时负摩阻力可以充分发挥，无群桩效应，群桩负摩阻力等于各桩的总和；当K<1时，群桩负摩阻力的大小取决于qω，qω越小则折减越甚。而qω随桩距而变，桩距越小，桩数越多，则群桩效应越强。规范5.4.4条第2款规定了考虑裙桩效应的基桩下拉荷载计算方法。

根据相关文献介绍，在一根由24根长40m、直径70cm钢管桩组成的群桩的外围打入14根抵抗负摩阻力的桩，打桩后1040天测得这些外围桩的下拉力达350t，而内部各桩负摩阻力很小，仅在上部13m~25米范围内有不大的负摩阻力，下部则为正摩阻力。

二、桩侧负摩阻力产生的条件

当桩周边地基土的沉降大于桩沉降时会在桩侧产生负摩阻力，以下情况往往会产生这种差异沉降，工程中应予以重视：

1、当桩穿过欠固结的软黏土或新填土，而支承于较坚硬的土层（硬粘性土、中密砂土、砾卵石层或岩层）时，因新填土或欠固结软黏土的进一步固结沉降造成桩周土下沉；

图 5 吹填土

2、正常固结土层的表面有大面积堆载或新增填土时，此时桩周土在上部新增荷载作用下排水固结产生沉降，造成桩周土下沉；

图 6 某工程因堆载桩身产生负摩阻力导致不均匀沉降、行车卡轨

3、由于从软弱粘性土下面的透水层抽水或其他原因，使地下水位全面下降，土中有效应力增大，从而引起桩周土下沉；

图 7 过度抽取地下水导致土体沉降

4、在饱和粘土地基中，群桩施工结束后，孔隙水消散，隆起的土体逐固结下沉，若桩尖持力层较硬，则会引起负摩阻力；

5、自重湿陷性黄土浸水下沉和冻土融化下沉时；

6、临近建筑物浅基础附加应力引起的土体沉降；

7、生活垃圾或其他废弃物降解或分解而引起的土体沉降；

8、松散的无粘性土在振动设备或交通动载下引起的沉降。

三、桩侧负摩阻力的影响

当桩基出现负摩阻力时，负摩阻力不仅不能为承担上部荷载做贡献，反而对桩产生下拉作用。对于摩擦桩，负摩阻力将引起桩的附加下沉，当建筑物的部分基础或同一基础中的部分桩上有负摩阻力作用时，基础可能出现不均匀沉降，导致上部结构产生次应力，轻者影响其使用，重者结构物发生损坏；对于端承桩，负摩阻力导致桩身轴力增大，严重的可导致桩身强度破坏，或者桩端持力层破坏。

四、桩侧负摩阻力的计算

《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.4节对桩侧负摩阻力的计算做出了详尽的规定，这里不再赘述。

需要指出的是，规范的5.4.3条第1款仅适用于对差异沉降不敏感且总沉降量可控的建筑物或工程中采取有效措施降低了桩侧负摩阻力的建筑；当建筑对差异沉降要求较高而又未采取有效措施降低桩侧负摩阻力时，采用该条算法将对结构的正常使用带来不利影响，此种情况建议按照该条第2、3款执行。另外对于承受负摩阻力的桩基，其最大轴力一般在中性点处，此时桩身强度除应满足规范5.8.2条要求外，还应校核中性点处的桩身强度。校核仍可采用规范5.8.2条的相关公式计算。

五、工程中降低或消除桩侧负摩阻力的措施

1、加载预压法。对场地进行预压，只要预压的荷载足够大，固结基本完成之后移去超载，然后再施加永久荷载，可消除永久荷载下的二次压缩，缩小或消除桩基上的负摩阻力；

图 8 堆载预压法处理地基

2、电渗法。桩作为阴极与附近的阳极连接，通以直流电可以降低有效应力，使得桩土截面不受负摩阻力作用；

图 9 电渗法处理地基

3、采用沥青图层法或采用NF桩。在中性点以上的桩侧涂以特种沥青，当桩与土之间发生相对位移出现负摩阻力时，涂层产生剪应变而降低作用于桩表面的负摩阻力，这是减低负摩阻力的最为有效的方法；

4、预钻孔法。此法既适用于打入桩又适用于钻孔灌注桩。对于不适于涂层法的地质条件，可先在桩位处预钻成孔，再插入预制桩，在计算中性点以下的桩段宜用锤击或静压的方法施工以确保桩的承载力，中性点以上的钻孔孔腔与插入的预制桩之间灌入膨润土泥浆，用以减少桩的负摩阻力。对于泥浆护壁钻孔灌注桩来说若采用此法，则必须更换一次钻孔泥浆。可在浇筑完中性点以下的下段混凝土后置换高粘稠的膨润土泥浆，再插入预制混凝土桩段构成复核桩。对于干法作业的钻孔灌注桩，方法大致与前相同，只是当下段混凝土浇筑完毕后直接插入桩径比较小的预制混凝土桩段，再在桩与孔壁之间的缝隙里填充以高粘稠度的膨润土泥浆以形成隔离层；

5、塑料薄膜滑动隔离层法。在干作业成桩条件下，可采用双层筒形塑料薄膜预先置于钻孔的沉降土层范围内，然后在筒形膜以内浇筑混凝土，使塑料薄膜在桩身与孔壁之间形成可以自由滑动的隔离层。此法应用的关键技术是薄膜材料的选型和施工工艺。要求筒形膜能平直密贴于孔内腔壁，而且两层之间又能自由滑动，不受阻滞。浇筑混凝土过程中湿混凝土材料对其施加侧压力不至“压死”，难以滑动，因此需要辅之以增滑填料，如特殊沥青等；

6、套管法。在桩的外侧增设与桩不连接的套管，靠这套管承受负摩阻力。此方法需防止套管与桩身不要“卡死”，如何施工也是需要关注的重点；

7、外围保护桩法。这种保护桩也称隔离桩，适用于主要由外部填土或堆载引起的负摩阻力的情况。这种隔离式的保护桩只能隔离新填土自重产生的周边桩上的负摩阻力，使外围的下层软黏土固结下沉引起的下拉荷载全部由周边保护桩承担；

8、内部保护桩法。除了外围设置隔离桩外，在建筑物基底内部也设置相当数量的保护桩。埋设桩时，这种保护桩的桩顶不与基础底板结触，而其端部则深入持力层。另一方面，工程桩的打入深度也要控制先不进入持力层过深，留有余地。这样将来由于各种因素引起下拉荷载时，依靠工程桩与保护桩之间的相对位移所产生的剪切阻力来平衡下拉荷载。既能保护工程桩不会因下拉荷载过大而折断或桩端土破坏，又能靠保护桩尽量减少建筑物产生不利的沉降和不均匀沉降。