做桩基设计,大家盯得最紧的是桩长和桩径够不够、承载力够不够。但有一项荷载,很多项目在方案阶段根本没提,到了施工或养护阶段才慢慢显形,最后表现成桥台沉降、连续梁支点变位、墩身倾斜。它就是负摩阻力。这篇文章把它从概念到计算到对策讲清楚,能直接拿去用在软土地区的桥台和引道桩基上。
一、先把概念摆正:土往下沉,桩就被往下拽
桩的侧摩阻力平时是帮忙的。桩受压向下沉,桩周土相对桩体往上顶,摩擦力方向向上,托住桩身,这部分计入承载力。负摩阻力正好反过来:桩周土自己先沉了,而且沉得比桩还多,土就顺着桩身往下拽,摩擦力变成向下的拖拽荷载。桩不但得不到侧阻力的帮助,还要额外承担这一份向下的力。
判断标准与中性点
判断标准只有一条:比较桩周土的自由沉降量和桩的沉降量。土沉得比桩多,负摩阻力就出现;两者相等的位置,就是中性点;中性点以下,土沉得比桩少,侧摩阻力恢复正常,重新变回向上的支撑。所以负摩阻力不是一个固定的常数,它随时间和土层固结进程变化。
二、五个必须算的场景
- 桩穿过欠固结软土、淤泥质土。这类土自身的固结都还没有完成,在自重应力下仍在缓慢压缩,桩周土沉降是长期持续的。
- 桩侧存在大面积地面堆载。路基填筑、料场堆载、桥台后高填方,都会让桩周土层额外压缩。
- 桩周地下水位大面积下降。水位下降等于有效应力增加,土层随之固结沉降,沿海平原和内陆平原区都常见,抽水、基坑降水都可能触发。
- 湿陷性黄土、膨胀土等特殊土浸水。黄土一旦浸水湿陷,桩周土沉降量可以相当可观。
- 先填土、后成桩的桥台与引道段。填土自身沉降还没稳定就成桩,后期沉降全部作用到桩上。
什么情况下可以不算
反过来,如果桩端落在坚硬持力层、桩身基本不下沉,而桩周又是密实砂砾、老黏土这类几乎不再压缩的土层,负摩阻力一般不必单独计算,按常规侧阻力处理即可。要不要算,核心就看桩周土和桩之间的相对沉降,而不是看土层名字。
三、中性点:这笔账的坐标原点
中性点是负摩阻力计算的基准面。它以上的桩身长度,侧阻力取负值;以下取正值,恢复正常的支撑作用。中性点位置越深,负摩阻力影响的范围越大,桩身轴力峰值也越大,配筋和桩端承载力的复核就越吃紧。
中性点位置受什么影响
中性点位置受几个因素牵制:桩端持力层越硬、桩沉降越小,中性点越靠下;桩周软弱土层越厚、压缩性越大,中性点越靠下;地面堆载越大、持续时间越久,中性点也越靠下。软土地区大量实测和工程经验给出的范围,一般在桩长的一半到七成之间,但具体项目还是要靠土层剖面和沉降计算来定,不能照搬一个比例了事。同一座桥,不同墩台的土层厚度和堆载条件都不同,中性点多半不一样。
四、手算的三步
第一步,先算桩周土的自由沉降,再算桩的沉降,两者对比找出中性点。这一步是整个计算的前提,也是最容易被糊弄过去的一步。土的沉降用分层总和法逐层算,桩的沉降按桩身弹性压缩加上桩端下卧层的沉降估算。
(此处建议插入现场图:软土地区桥台桩基施工现场照片,来源可注明拍摄单位)
逐层取负摩阻力
第二步,从中性点往上,逐层取负摩阻力。负摩阻力的取值和正摩阻力不是同一个数:同一层土,负摩阻力通常低于正摩阻力的极限值,工程上常按正摩阻力标准值乘一个折减系数取用,软弱土、欠固结土折减得更多。这一步要按土层分层累加,得到总的负摩阻力。
换算桩身轴力与配筋
第三步,把负摩阻力当成外荷载加到桩上,重新验算桩身轴力、桩端承载力和桩身强度。这里的关键是位置:负摩阻力叠加上原有荷载后,桩身轴力的最大值出现在中性点截面,而不是桩顶。如果照桩顶轴力配筋,中性点附近很可能是欠配的。
五、设计上的五条对策
- 调整桩长和持力层。把桩端落到更硬的持力层上,减小桩的沉降,中性点自然上移,负摩阻力的影响随之减小。
- 隔离桩身。在负摩阻力作用范围内,桩身涂沥青、包裹隔离层,把土和桩之间的摩擦切断。这一条在穿过深厚软土的桩上用得最多,效果也最直接。
- 先填土后成桩。桥台、引道段尽量等填土沉降基本稳定再打桩,从源头上避免填土沉降拖拽桩身。
- 加大桩距、群桩合理布置。群桩中间桩受到的负摩阻力通常比边桩大,布桩时要考虑这一点,必要时对中间桩单独复核。
- 结构上留余地。桩身配筋和桩顶构造按照考虑负摩阻力之后的轴力复核,安全系数上不吃亏。
对策往往组合使用
这几条不是单选,实际项目里往往是组合使用:软土深厚又必须年底通车,就只能一边隔离桩身、一边适当加长桩,两头一起想办法。
六、现场最容易忽略的两件事
一是把负摩阻力当成一次性荷载。软土固结是长期过程,负摩阻力的峰值往往出现在成桩后若干年,设计时按最终沉降量取值才安全,不能只看施工期的一两年。
二是忽略施工顺序的影响。同样是这座桥,先打桩后填土和先填土后打桩,桩受到的负摩阻力差别很大,方案评审和技术交底时要单独说明,别把它当成一个默认前提。
要把这类桩长和承载力核算一次算清,桥梁工程师之家(www.qiaoweb.com)的桩长计算工具(/pile/)可以按分层侧阻力、桩端阻力和承载力容许值分步给出结果,配合规范查新(/cx/)确认所用标准版本,比自己摊一张表反复手算省事得多。
结语
负摩阻力难,不在公式有多复杂,而在它取决于桩和土的相对沉降,是一项随时间变化、又常被方案阶段忽略的荷载。设计上把它提前算进去,代价通常只是桩身隔离层、适当加长或调整施工顺序;漏算它的代价,可能是桥台逐年下沉、支座脱空、连续梁支点被迫顶升。现行公路桥涵地基与基础设计规范是 JTG 3363-2019(2020年4月1日施行,替代 JTG D63-2007),桩基承载力取用和负摩阻力的处理都应当落在这一版体系的框架里,用老版 D63-2007 的思路核对新项目,很容易在细节上出错。
