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某工程考虑负摩阻力时基桩竖向承载力的取值彭惠菁 (福建省泉州市住宅建筑设计院362000) 摘 要 本文通过工程实例 ,对考虑负摩阻力的基桩进行了单桩竖向承载力的计算和分析对比 ,理论分析表明在有负摩阻力产生的场地 ,桩的实际受力和静载试验时的受力与变形性状存在较大的差异 。根据静载试验时桩土受力和变形特点 ,指出对于 端承型桩单桩竖向极限承载力设计值不应直接取自静载试验的竖向极限承载力 ,应将试验结果扣除由负摩阻力引起的下拉力后 用于工程桩的设计 ,否则桩的承载力将存在不安全的因素 ,通过工程桩的检测和竣工后的沉降监测说明取值合理 。 关键词 欠固结土 负摩阻力 桩基 承载力 静载试验valuing of vertical bearing capacity of foundation piles in consideration of negative friction force of a projectab stract : thi s a rticle demo nst rate s t he great diff erence of pile s loading st re ss a nd defo r matio n cha racteri stics in t he co nst r uctio nsite wit h negative f rictio n fo rce and in static loading te st t hro ugh t heo retical a nalysi s o n t he calculatio n a nd co mpa rative a nalysi s o n vertical bea ring capacit y of single pile i n co nsideratio n of negative f rictio n fo rce of fo undatio n pile s ba sed o n engineering p ractice . due to t he piles loading st re ss and defo r matio n cha racteri stic s in static loading test , t he de signed val ue of single end - bea ring pile vertical ulti mate loading capacit y sho uld no t directly be ta ken in t he static loadi ng te st . befo re using t he te sting result to pile de sig2 natio n , t he do w nwa r d p ull ca used by t he negative f rictio n fo rce sho uld be deducted , o r , t here will be unsaf e f acto r s exi sted in t he pile s bea ring capacit y. the inspectio n of t he pile s a nd t he set tlement af t er co nst r uctio n co mpletio n sho w s t he val ue i s rea so nable .ke y words : u nderco nsolidated soil ; negative frictio n fo rce ; pile fo undatio n ; beari ng cap acit y ; static loading te st引言在欠固结的软土地基中 ,由于土体在自重作用下尚未完 全固结 ,当桩周软土的沉降大于桩基的沉降 ,即土层相对于桩 侧产生向下的位移时 ,桩侧将产生负摩阻力 。由于负摩阻力 对桩产生下拉作用 ,使桩基的荷载增加 ,荷载抗力减小 ,沉降 增大 ,桩承载力降低 。由此 , 造成桩端地基的屈服或桩身破 坏 、结构不均匀沉降等影响 , 但在桩基础在试验和检测过程 中 ,桩侧负摩阻力常常是一个容易被忽视的问题 。对于负摩阻力产生的基桩试验或检测中承载力取值方面 文献 4 没有明确规定检测结果的取值 ,这给存在负摩阻力的 基桩承载力的取值带来不安全的隐患 ,情况严重的将会影响 到建筑物的安全 。不少的试验研究结果 3 表明 ,由负摩阻力 产生的下拉荷载不可忽视 。如果桩基设计时忽略负摩阻力的 影响 ,建筑物有可能会出现较大的沉降及不均匀沉降 ,使得建 筑物倾斜甚至开裂 ,从而影响建筑物的正常使用 。因此 ,在软 土等不良地基条件下的桩基设计中 ,如何正确地对基桩承载 力进行合理取值是一个非常重要的问题 。本文通过工程实 例 ,分析了当桩体穿越欠固结的软土层且桩端支撑在较硬质 土层中时 ,基桩竖向承载力的取值 ,供设计者参考 。1 工程与地质概况某工程建设场地位于福建省龙海市 ,该建筑为八层框架 结构 ,无地下室 。工程勘察钻探结果揭示场地地面表层有约21 0 m 厚新近回填土 ,填土下有一较厚的淤泥层 ,地下水位在地表下约 31 08 m 处 , 场地土层主要物理力学性能指标见表1 ,典型地质钻孔剖面见图 1 。表 1 场地土层主要物理力学性能指标注 : 桩侧负摩阻力系数取值 : 填土层取 0 . 3 ; 淤泥层取 0 . 25 ; - 1 细砂层取 0 . 45 .图 1 典型地质剖面图2 桩型选择根据勘察结果分析 ,该建筑场地浅层覆盖有深厚的软土 层 ,且其上有新近的欠固结回填土层 ,浅部没有适合的土层可土层名称重度/ kn/ m3厚度/ m液性指数 il孔隙比e0含水率w/ %es1 - 2/ m pa预制桩设计 指标/ k paqsikqp k填土淤泥- 1 细砂粗砂圆砾16 . 515 . 117 . 019 . 021 . 03 . 3822. 401 . 002 . 70 6 . 00-1 . 98-2 . 07-73-2 . 62153060欠固结124580100欠固结60008500福建建设科技 20101 no1 119地基基础工程以作为该建筑物的持力层 ,因此不可能直接利用原始土层作为浅基础的持力层 ,若采用地基处理的方法对软土层进行加 固处理 ,由于存在欠固结土层也很难满足建筑物的沉降及变 形等方面的要求 。经技术和经济的方面比较 ,最后选择静压 预应力高强管桩作为本工程基础的桩型 ,选用桩径为500 , 以圆砾层作为桩端持力层 ,总桩长约 29 m ,设计要求桩端进入 持力层大于 21 0 m 。3 单桩竖向承载力的取值31 1 理论计算值因该场地填土为欠固结土 ,填土以下为深厚的淤泥 ,符合 j gj 94 - 2008 规范 1 第 51 41 2 条中的第二款规定 , 因此桩基 设计时单桩承载力的计算 ,应考虑桩侧负摩阻力的影响。本 工程桩端持力层圆砾层为较坚硬土层 ,不易产生沉降 ,负摩阻 力可以达到较大竖直 。当考虑负摩阻力的基桩承载力计算 时 ,一般将中性点以上的侧阻作为零计算 ,而只计入中性点以 下部分侧阻值及端阻值 ,或由负摩阻力引起的下拉荷载作为 附加荷载的一部分来验算承载力。对于负摩阻力的计算 ,除 确定中性点的位置外 ,尚应计算其大小及下拉荷载值 。中性 点的深度与桩周土的压缩性和变形条件以及持力层性质等因 素有关 。本工程依据图 1 的压缩土层厚度 , j gj 94 - 2008 规 范 1 表 51 41 4 - 2 ,可确定中性点深度 l n = 01 9l 0 。如下列式 计算考虑与不考虑负摩阻力的单桩承载力值 ,并附其中几个 钻孔点的计算结果 ,详见列表 2 。(1) 当不考虑负摩阻力 (按常规计正摩阻力) 时 ,31 21 1 存在负摩阻力基桩的静荷载试验受力特点(1) 由于桩在静荷载试验过程中 ,桩顶荷载作用是在很短 的时间内完成 ,但桩周软土的固结沉降如果没有特殊处理一 般需要一个很长的时间才能完成 ,而静载试验一般一两天就 能结束 。因此在静载试验过程中 ,软土的固结沉降基本上可 以忽略不计 。也就是说 ,在桩的静荷载试验过程中负摩阻力 不可能发挥出来 。(2) 静载试验过程中桩土相互作用与实际工作状态下桩 土相互作用的机制不同 。由于短时间内土层的固结沉降与静 荷载试验过程中的沉降值相差很大 ,桩侧阻力不会出现中性 点 ,因此中性点以上土层不仅不会出现负摩阻力 ,还会表现为 正摩阻力提供荷载抗力 ,这与理论计算有区别 ,静荷载试验的 单桩承载力高于实际工作状况下的单桩承载力 。本工程设计之前进行了 2 根基桩的静载试验 ,试验结果 详见 q - s 曲线图 2 ,两条曲线比较接近 ,其承载力和理论计 算也很接近 ,如果不考虑负摩阻力的情况下 ,根据 j gj 106 -2003 ,建筑基桩检测技术规范 4 ,该工程单桩竖向承载力特征 值可取 1600 kn 左右 ,但对于本工程存在负摩阻力的桩基来 说 ,按此试验值直接用于桩基设计的承载力就偏高 ,存在着风 险 。单桩竖向承载力特征值 : r a = 1 ( qpk a p +qsik l i ) 2 21( 2) 当考虑负摩阻力时 , 单桩竖向承载力特征值 : r a =2( qpk a p +qsi k l i ) - qng注 :式中 qn 为 桩 侧 负 摩 阻 力 引 起 的 下 拉 荷 载 , 经 按gj gj 94 - 2008 规范 1 第 51 41 4 条有关规定计算取得 ;当考虑负摩阻力时 , r a 式中 qsi k 及 q pk 只计入中性点以下 部分侧阻值及端阻值 。表 2 下拉荷载及单桩竖向承载力特征值图 2 试验桩静载试验 q - s 曲线31 21 2 现行规范中单桩承载力取值现状现行建筑桩基技术规范 1 中提供了存在负摩阻力的单桩 承载力理论计算与验算方法 ,规范 1 第 51 41 3 条明确规定 ,对 于摩擦型基桩 ,不计中性点以上土层产生的下拉荷载 ,也不计 这部分土层的正摩阻力 ;而对于端承型基桩 ,则考虑负摩阻力g摩阻力引起下拉荷载 q ng 。但是在基桩检测技术规范 4 与试验中 ,只有针对陷性黄土地区规定湿陷性黄土地区的单桩静荷载试验要求先浸水 ,使桩侧土层的负摩阻力发挥出来后再试桩 5 。 而在建筑 、交通以及港口工程方面的规范与规程中 ,均没有明 确规定可能产生负摩阻力基桩承载力的检测试验要求 ,单桩 承载力取值与正常土层中基桩承载力取值并未进行不同的考 虑 ,这给存在不良地层中的基桩承载力取值和评价带来隐患 。31 21 3 考虑负摩阻力时单桩承载力取值 由于本工程桩端持力层为很低压缩层 ,工程桩为端承型从表 2 不难看出考虑负摩阻力后的基桩承载力小了很多 。因此 ,负摩阻力对桩基承载力的影响不容忽视 。上面只 是理论计算的结果 ,如何取值一般应进行静载试验后综合考 虑 。31 2 静载试验取值 1994-2015 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 钻孔号中性点深 度 l n/ m下拉荷载q n / kn单桩竖向承载力 特征值 ra / kn对比差值/ kn不考虑负 摩阻力考虑负z k2z k8z k11z k1622 . 4521 . 7222 . 2922 . 483973773303701496140712911415801806780791695601511624 20 福建建设科技 20101 no1 1 地基基础工程桩 ,桩的沉降很小而且在负摩阻力产生的附加荷载作用下出现附加沉降也很小 ,桩土之间的相对位移关系基本不会变化 , 在土体固结沉降完成过程中桩土共同作用而造成的中性点的 位置变动不大 ,负摩阻力的不良影响很难减少或消除 ,因此设 计时单桩竖向承载力取值必须考桩侧虑负摩阻力的影响 ,作 者认为可取设计之前 2 根试验桩测试结果的单桩承载力特征 值 (极限承载力之半) 扣除理论计算的下拉荷载作为其设计的 单桩承载力特征值 。本工程根据理论公式计算结果 ,并综合 静载试验情况和当地工程经验 ,确定取 1000 kn 作为设计的 单桩承载力特征值 。4 检测结果分析桩基工程施工完成后 ,随机抽取 3 根桩进行竖向承载力 静载试验 ,在考虑负摩阻力产生的下拉力后 ,试验最大加载取2800 kn ,检测结果详见 q - s 曲线图 3 。由曲线图得到工程 桩的单桩竖向极限承载力值均大于 2800 kn ,满足设计要求 。5 沉降监测结果本工程平面上布置了 12 处的永久沉降观测点 , 从 2005 年竣工使用以来 ,沉降整体稳定 ,没有发现异常 ,建筑物使用 情况良好 。3 年多以来该工程最大累计沉降值为 15mm ,最大 沉降差为 3 mm ,沉降基本均匀 ,均在规范 4 允许值的范围内 。6 结语(1) 在对软土地区进行桩基设计时 ,如果地面存在大面积 新近填土或堆载 ,应先根据桩的持力层情况确定所设计的桩 型是属于摩擦型桩还是端承型桩 ,根据桩型的不同来考虑负 摩阻力的影响 。(2) 对存在负摩阻力的场地桩进行单桩竖向静载试验时 , 对于端承型桩不能直接采用静载试验的单桩竖向极限承载力 设计值作为该场地工程桩的竖向极限承载力设计值 ,建议设 计取值时扣除桩侧负摩阻力产生的下拉力后作为工程桩的单 桩竖向承载力设计值 。参考文献 1 中国建筑科学研究院1 j gj 94 - 2008 建筑桩基技术规范 s 1 北 京 :中国建筑工业出版社 , 20081 2 中国建筑科学研究院1 gb 50007 - 2002 建筑地基基础设计规范 s 1 北京 :中国建筑工业出版社 , 20021 3 桩基工程手册编写委员会 1 桩基工程手册 m 1 北京 : 中国建 筑工业出版社 , 19951 4 中国建筑科学研究院 1j gj 106 - 2003 建筑基桩检测技术规范 s 1 北京 :中国建筑工业出版社 , 20031 5 廖红建1 岩土工程数值分析 m 1 北京 :机械工业出版社 , 20061作者简介 :彭惠菁 (1965 - ) ,女 , 工程师 , 国家一级注册 结构工程师 ,从事建筑结构设计专业 。图 3 工程桩静载试验 q - s 曲线(上接第 39 页)该房屋单层部分的 1q - ( a) - ( 2 - 3) 、1q - ( d) - ( 3 -4) 沿砖壁柱边产生贯穿裂缝 ,局部砖块断裂 ,现场所检最大裂 缝宽度为 51 62 mm ,其中 1q - ( d) - ( 3 - 4) 裂缝沿木屋架搁 置处延伸至窗角 ,1q - ( a) - ( 2 - 3) 裂缝沿木屋架搁置处延 伸至墙底 ,该两处墙体裂缝宽度已超出现行鉴定标准的裂缝 宽度限值 5 mm ,构成结构性损坏【6】。二层 (1 - 2) 轴部分墙体产生裂缝 ,现场所检墙体最大裂 缝宽度为 01 24 mm ,其中 2q - ( 2) - ( a - c) 、2q - ( a ) - ( 1- 1/ 1) 、2q - (b) - (1 - 1/ 1) 为内墙的粉刷层细小裂缝 ,该部 分墙体裂缝属装饰性损伤 。3 结论振动与冲击的影响是以应力波的形式向外传播的 ,由于 人体的振感和房屋的振动损坏混杂在一起 ,在实际遇到的众 多振动影响工程案例中 ,一次的振动冲击影响往往涉及的是 一片量大面广的建筑物 ,所以与其影响直接对应的是一个影响范围的界定 ,即如何划定振动影响的实际范围是实际工作中所面对的一个基本问题 。这一问题涉及到鉴定评估对象所 在地的振动量 (幅值