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在公路桥梁工程建设中,桥台钻孔灌注桩处于
深层软土地基与台背路堤高填土荷载的作用,结果
桩侧软弱土层受到桥台台背填土荷载的作用,使软
弱土层压缩和桩底下沉及位移,桩产生向下的摩擦
力。也就是说,如果不存在桩基负摩擦阻力,桩基承
载力就满足要求,桩基就不会发生持续不均匀沉降。
因此,研究桥台桩基负摩擦阻力是否存在,采取什么
措施达到消减桥台桩基负摩力就成为很有必要。
1 桩基负摩擦力发生的条件
桩基负摩擦力能否产生,关键取决于桩和桩侧
土的相对位移发展情况。因此桩基负摩擦力发生的
条件有下述几个方面:
1) 桩基穿过欠固结的软土或新填土, 而支承
于较坚实的上层土时, 由于土的自重作用, 使土产
生固结。
2) 在桩周的地表面有大面积堆载时,引起地面
沉降,使桩侧土压密固结,对桩产生负摩擦力。
3) 由于地下水位降低,例如在土层中抽取地下
水,或采用排水固结法处治软土,此时土层孔隙水压
力减小,有效应力增加,引发地基土新的固结下沉。
4) 自重湿陷性黄土下沉和冻土融化下沉。
5) 在饱和粘土地基中,群桩施工完成后,孔隙
水压力消散,隆起的土体逐渐固结下沉,若桩端持力
层较硬,则会引起负摩擦力。
6) 地基中液化土层发生变化时,引起地基土层
大面积下沉,产生桩基负摩擦力。
由此可见,对于桥台桩基工程,当桩穿过可压缩
性土层而支承在坚硬的持力层上时,一般都有可能
发生负摩擦力。
2 桥台软土地基桩基负摩擦力的大小和深度
2. 1 桩基负摩擦力的发生深度
一般说来,负摩擦力并不发生于整个软弱土层
中。当水泥混凝土桩基成桩后,随着桥台地面以上
路堤填筑荷载的不断增大,桩侧软弱土层逐渐压缩,
桩身表面从上而下的正摩擦力慢慢减少,随即产生
负摩擦力,变成桩基上部为负摩擦力,桩基下部为正
摩擦力。摩擦力为零的位置为中性点,此点为桩基
在该处的位移量与其周围土的下沉量相等之点,它
是土与桩之间不产生相对位移之点,如图1 的O1 点
所示。图1 (b) A 是土层轴向位移曲线,B 为桩的截
面位移曲线,图1 (c) 为桩周摩擦力分布曲线,图1
(d) 为桩身轴向分布曲线。中性点以上土的下沉量
大于桩的下沉量,桩承受负摩擦力;中性点以下桩的
下沉量大于土的下沉量,桩承受正摩擦力作用。从
图1 所知,在中性点处,桩身轴向力达到最大值( P
+ qfn ) ,而在桩端总阻力为qp = P + ( qfn - qfs ) 。
根据有关文献介绍,经验估计桩基产生负摩擦
力的深度h1 为:
h1 = (0. 77～0. 8) h2 (1)
图1 单桩在产生负摩擦力时的荷载传递
式中h1 为负摩擦力发生深度; h2 为软弱土层
厚度。
通过实测结果表明,当桩周为一般粘性土时,中
性点至桩顶的距离约为桩长的70 %～75 %;桩尖打
入砂土或砂砾层中, 中性点至桩顶的距离约为
90 %;支承在岩层上的桩,中性点则接近岩层面。
2. 2 桩基负摩擦力的大小
确定桩基负摩擦力的方法较多,可归纳为三类:
根据室内外土工试验资料的计算方法,按理论公式
的计算方法,经验公式和经验数值等确定的方法。
2. 2. 1 经验估算桩基负摩擦力
1) 有关文献介绍,经验估计软弱土层桩基最大
负摩擦力为:
qs = 0. 5 qu (2)
式中qs 为桩基负摩擦力强度, kPa ; qu 为软弱土层
无侧限抗压强度。
2) 美国嘉兰格(Garlanger) 等人的公式;
qs =βσ′
v (3)
式中β为负摩擦力系数,粘土为0120～0125 ,粉土为
0125～0135 ,砂土为0135～015 ;σ′
v 为地基中的有效
垂直应力。
3) 对于粘性土,用静力触探求得探头比贯入阻
力Ps 时,可按下式估算:
qs = 0. 1 Ps (4)
4) 对于沙土,用标准贯入试验求出击数N 时,
按下式估算:
qs = 2N + 30 (5)
按式(3) 至式(5) 计算得到的qs 值都是指基桩
与桩侧土产生足够相对位移,桩基负摩擦力可以得
到充分发挥的最大值,均以kPa 为单位。
2. 2. 2 波兰桩基规范负摩擦力数值
波兰PN 83PB 2382 的桩基规范提供的桩基
负摩擦力值,如表1 所示。
表1 桩基负摩擦力值
土的种类负摩擦力(kPa) 备 注
新填土和砂(Dr ≤0. 2)
粉质砂(Dr ≤0. 2)
砂质粉土( Ic ≥0. 75)
粘土质砂,砂质粘土
( Ic ≥0. 75)
泥炭,淤泥
5～10
10
5～10
5～10
Dr 为土的相对密度
Ic 为土的液性性指数
2. 2. 3 下拉荷载的计算
对于单桩基础,中性点以上负摩擦力的累计值
为下拉荷载,实际上就是作用在桩上的外力。下拉
荷载的计算是以负摩擦力和中性点位置均达到理论
最大值基础上的假定,其计算公式为:
qs = qfn ×L ×h1 (6)
式中qfn为桩基负摩擦力最大值, kPa ; L 为基桩周
长,m; h1 为地面至中性点距离,m。
按式(5) 和(6) 计算的下拉荷载不应大于单桩所
分配承受的桩周下沉土重。计算时,可按相邻桩距
之半计算,其深度中性点深度。
在同一土体中,打入桩或沉管灌注桩(即挤土
桩) ,其桩基负摩擦力大于钻(冲) 、挖孔灌注桩(即非
挤土桩) 。对于摩擦桩,可近似视中性点以上桩侧阻
力为零计算桩基承载力。对于端承桩,计算中性点
以上负摩擦力形成的荷载,并以下拉荷载作为外荷
载的一部分验算桩基承载力。
在粘土地基中要考虑群桩作用的影响,桩数越
多,桩距越小,则群桩效应越强。当桩距与桩径比值
小于215 时,桩基负摩擦力会显著降低。对于砂土
地基不考虑群桩效应问题。
3 降低桩基负摩擦力的方法
目前,减少桩基负摩擦力的措施一般有以下几
个方面:
3. 1 支承桩柱法。该法通过增大桩柱断面来承受
负摩擦力。
3. 2 群桩法。该法通过增加桩数来体现群桩效应,
以减少负摩擦力。
3. 3 涂层法。若是预制打入桩,打桩前在中性点以
上桩身涂1mm 厚的沥青,涂层产生剪应变,降低桩
表面的负摩擦力。
3. 4 地基浸水法。该法使地基先浸水,增加孔隙压
力,降低桩侧摩擦力。
3. 5 分段施工法。该法是将桩基施工015～1a 后,
再继续其上部结构施工, 可以缓解负摩擦力的作
用。
3. 6 软土地基处治。为了避免桩基沉降,消减桩基
负摩擦力,在钻孔灌注桩施工之前,先在桥台软土地
基地段实施处治,以减少由于软基沉降对桥台桩基
产生的负摩擦力,达到消减负摩擦力的目的。
3. 7 套管保护桩法。在中性点以上桩段罩上一段直
径大于桩径钢套管,使该桩身不致受到土的负摩擦
力作用。该法会较大增加工程投资。
3. 8 允许柱基增加少许沉降量而重新选择持力层。
对于桩基工程,利用负摩擦力处理建筑物病害也是
最有效的方法之一。尤其是桩的负摩擦力对于倾斜
的建筑物纠倾起到了重要作用,例如用注水法使软
土产生负摩擦力,或降低水位使土体团结,促使桩基
下沉,从而使建筑物得到纠倾。
4 汕头海湾大桥北引道工程实例
4. 1 工程概况
广东汕头海湾大桥于1991 年12 月开始建设,
1995 年底建成通车。该大桥是我国第一座大跨度
悬索桥,全长2500m ,南北两岸配套有引道通过互通
立交与地方道路相接。包括北引道工程全长11km ,
其中互通式立交桥2 座,分离式立交桥8 座,中桥1
座,涵洞20 多座,路堤填土高度最小为211m ,最高
为8m ,大部分路段路堤填筑高度4m 以上。
大桥北引道工程地处冲积平原,根据地质钻探
资料表明,地表以下2～1815m 基本为流塑淤泥或厚
淤泥层夹层, 含有较多的有机物质, 比重2169 ～
2172 ,天然含水量6611 %～8616 % ,天然孔隙比为
2125 ,快剪粘聚力为518～1217kPa ,固结系数为9139
×10 - 4 ～ 2127 ×10 - 3 , 压缩固结模量为117 ～
219MPa ,承载力为40～50kPa 。在这样不良工程地
质上填筑引道和桥台桩基施工,有很大困难。如何
消减桥台桩基负摩擦力也给工程提出了研究课题。
4. 2 消减桥台桩基负摩擦力的措施
大桥北引道桥梁下部结构均采用钻孔灌注桩。
根据地质资料可知,桥台地基属于可压缩性地基,桩
基负摩擦力较大。因此,为了使引道路基工后容许
沉降量达到规范要求,同时减少由于软土地基沉降
对桥台桩基产生的负摩擦力,达到消减负摩擦力的
目的,在桥台钻孔灌注桩施工之前,先在桥台范围内
的地基布设砂桩,再进行填土预压。在预压过程中
进行沉降观测,待沉降趋向稳定后,进行卸载及钻孔
浇筑桩基。
1) 桥台软土地基,采用砂桩和堆载预压法加
固,桩长贯穿第四层软弱土层,直达相对硬层亚粘土
层,三角形布置,排距113m ,桩距115m ,填充料采用
中粗砂,成桩后密度达到标贯22 击。砂桩施打次序
从外向内进行,使砂垫层形成两面坡,有利于形成竖
向和横向排水系统。砂桩施工完成后,进行填土预
压,预压填土高度超过路面标高约1m ,堆载预压期
一般控制在2 个月。
2) 桥台软土地基采取砂桩和堆载预压措施,具
有三个方面的作用: ①砂桩是粘性土地基中一个良
好的排水通道,它能起到排水砂井的效果,且大大缩
短了孔隙水的水平渗透途径,加快软土的排水固结,
使沉降稳定加快。②由于砂桩的刚度比桩周围粘性
土的刚度大,而地基中应力按材料变形模量进行重
新分配。此时砂桩体在荷载作用下主要起应力集中
作用,从而使桩间土复合地基的承载力有所提高,而
压缩性也相应有所减少。③减少由于软基沉降对桥
台桩基产生的负摩擦力。
4. 3 桥台地基沉降观测
通过对北引道k3 + 390. 011 桥6 # 台的软基路
堤填筑观测, 从软基沉降过程曲线、预压填土高度
及预压历时关系曲线可知, 桥台软土地基沉降一般
在预压填土高度超出设计标高大约1m 后再预压
50～60d基本稳定, 引道路基工后沉降量小于10cm ,
连续观测沉降量每月不超过6mm ,达到预期处治加
固效果。多年来的跟踪观测结果表明, 广东汕头海
湾大桥北引道桥台与软基路堤一直处于良好的工作
状态, 桩基负摩擦和软基路堤沉降的问题得到了妥
善解决, 减少或避免桥头跳车现象, 有利于车辆
行驶。
桥台桩基负摩擦力的形成分析与消减措施[0个Ｅ路币]
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