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【摘要】负摩阻力值是厚层填土场地钻孔灌注桩设计的主要因素，其影响因素较多，复杂。因此，应该进行深入分析、研究了解其产生机理。然后，准确合理的确定扣除负摩阻力影响后桩的承载力。
【关键词】厚层填土区钻孔灌注桩；负摩阻力；影响因素
The analysis of negative friction resistance of pile in fill site
Abstract：The negative friction resistance is the main factor of bore piling design in thick layer fill site, it is affected by many complicated factors. Therefore, we should carry on in-depth analysis to understand its mechanism. Then, to determine the bearing capacity of pile under the influence of negative friction resistance of the pile accurately and reasonably.
Keyword: Bore piling in thick layer fill site; negative friction resistance; Influencing factors.
在填土场地进行桩基设计时，负摩阻力是影响桩竖向承载力的主要因素。设计最终采用的桩的有效竖向承载力为Nk≥Rk –Qgn。因此负摩阻力的取值决定了桩基设计的合理性和基础造价，尤其是对于厚层人工填土场地，对桩基设计产生的影响更是很大。本文结合重庆市MDI一体化项目中的14万Nm3 /h空分装置桩基设计进行分析探讨。
一、场地特点
装置所在场地原始地貌属构造剥蚀浅丘地貌，低矮丘包和宽缓槽谷相间，场地中部偏北东侧为低矮浅丘，浅丘斜坡地带坡角5～12°。槽谷内地形较平坦，坡角0~5°。高程最低点位于北东侧沟槽附近，高程263.55m；最高点位于浅丘顶部，高程280.21m，相对高差11.1m。场地经推填整平后高程为294.00m，场地地面设计采用高程为295.80m。填土平均厚度为25米左右，上部8米厚土层为强夯处理土层，承载力特征值为 210kPa（强夯检测报告提供），土体总体结构为中密~密实，局部稍密；8m以下土体密实度逐渐降低，多呈稍密，局部松散。场地及附近无地表水体。
二、装置介绍
本装置是世界规模级的14万Nm3 /h空气分离制氧装置。主要设备为压缩机（单机重约为300吨），冷箱（高71米，操作重1000吨）等。产品为液氩、液氧、液氮， 储罐直径18.5米，高20.5米，物料重3900吨。主要建筑物为压缩厂房。尽管场地土经过强夯处理，地基承载力也满足建构筑物荷载要求，但鉴于装置设备对沉降的敏感性及为了确保生产的安全性，主要厂房、设备、罐等的基础均采用旋挖钻孔灌注桩。
三、桩基设计
根据桩基规范JGJ 94-2008，当桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时，在计算桩承载力时应计入桩侧负摩阻力。因此在对本装置进行桩基设计时，首先需要确定桩的负摩阻力值。据详勘报告：地面以下8米厚土层经过强夯处理。土体结构为中密~密实，局部稍密；可认定为固结基本完成，即使是局部土体产生自重固结，也仅可能是极少量的土体，对整体负摩阻力取值影响有限。8米以下填土层为强夯处理影响不到土层，最厚处达20米，主要成分为砂泥岩碎块石、粉质粘土。多呈稍密~松散状。碎块石直径大小不一，一般大小为0.1～80cm，最大可达180cm，含量一般60～70%。为机械抛填，填筑年限1-2年。固结没有完成，是产生负摩阻力的土体。填土层下面为粉质粘土层，较薄，黄褐色、灰褐色、灰色，可～硬塑状，干强度、韧性中等，揭露厚度0～4.50m。再下层为强风化泥岩，最下层为中风化泥岩，是桩端持力层。该岩体为中等变异性。统计其参数得：天然块体重度平均值25.00kN/m3，天然、饱和单轴抗压强度标准值分别为：6.42MPa、3.62MPa。岩质地基极限承载力标准值为6.42MkPa（岩石较完整，地基条件系数取1.0）。桩进入持力层深度为2m,桩为嵌岩桩。中性点取在粘土层顶面。按桩基规范GJ 94-2008计算如下：
（一）负摩阻力计算 （取ZY124(18-18) 钻孔计算）
qsin=ξniбi’ 5.4.4-4
ξn=0.25 γ=22.3kN/m3
桩顶埋深-1.5米（高程为强夯层顶面294.00）
p=γ.z=22.3x8=178.4 kN/m2（上部8米厚土层按荷载计入）
其余填土层厚度为15.5米
бi=p+бri’ =γ.z +1/2rizi
=178.4+0.5x22.3x15.5=178+173=351
qsin=ξniбi’ =0.25x351=87.8
下拉荷载为 Qn=uqsil=87.8x3.14x15.5=4273kN(取￠1000桩计算)
（二）桩竖向承载力特征值计算：
qsik=160 （粉质粘土层） Ap=0.785(￠1000桩) l=2.4 u=3.14
ξr=1
Quk = Qsk + Qrk=u∑qsikl+ξrfrkAp 5.3.9-1
=3.14x160x2.4+1x6420x0.785=6245
Ra = Quk/2=6245/2=3122kN。
根据计算桩的负摩阻力大于桩的竖向承载力特征值，桩没有可用荷载，据此结果，可以判定按上述计算所得的负摩阻力不够合理。但又找不到可依托的理论推翻上述计算结果，上部8m土层尽管不产生负摩阻力，但当其下部土层固结沉降时，也会随之沉降，因此计算负摩阻力时也必须考虑计入。经与业主协商，决定采用静载荷实验确定桩的承载力。虽然这样做会增加工程造价，但对于这种投资十几亿的装置来说，将风险控制到最低是需首要考虑的。本装置选取不同区块的典型地点共计打了16个试桩，做桩的抗压，抗拔，水平静载荷实验。实验的初步方案为：先对两个试桩进行竖向静载荷实验，加载至桩破坏，若是结果不能满足设计要求，后面的试桩将采用后注浆灌注桩方案以提高桩的承载力。试桩时，在荷载加至14040 kN时（受现场条件限制），停止加载，见下图
此时各桩Q-s曲线未出现陡降，s-lgt曲线尾部未出现明显弯折，各桩在最大加载量下均未破坏。见下图
设计认为这个荷载可以满足设计要求，最终取14000 kN为桩抗压极限承载力，Ra即为7000kN，可用荷载Nk= Ra - Qn=7000-4273=2727 kN。
四、负摩阻力机理分析
有了试桩结果作为依据，就可以对桩的负摩阻力机理进行分析研究。根据重庆当地做法，嵌岩桩是不需静载荷实验的，通过对桩钻芯取样确定桩的竖向承载力。既然已经花费数百万元做了试桩，就应好好利用试桩数据，为今后在类似场地进行桩基设计提供参考依据。根据试桩检测报告，在加载至14040 kN时，桩未破坏，测试得到的桩端阻力平均值为2700kPa,远未达到桩端岩石抗压极限强度（6420 kPa），说明桩端土的作用只用不到一半，为桩提供承载力的主要为桩侧摩阻力，最大值达到了250kPa。在进行承载力计算时，对于未完成固结的土体，其性质不稳定，离散性大，不能得到具有代表性的土样确定土体的物理力学指标。只能取非填土部分指标计算桩的承载力。因此需要根据试桩结果及详勘报告对负摩阻力产生机理进行仔细分析研究。由于填土为机械抛填，填筑年限1-2年。土体固结尚未完成，桩侧土体在固结的过程中对桩产生向下的位移，由于桩土之间的挤压作用，对桩就产生一个相向下作用的摩擦力，这个摩擦力拖拽桩向下运动，对桩产生下拉荷载。桩负摩阻力产生有两个必备条件：桩土之间的挤压力和桩土的相位移差。桩负摩阻力是滑动摩擦力，只有当桩土之间的相对位移处于持续发展 的运动过程，负摩阻力才会产生。一旦桩土之间的相对位移不再发生，即桩土处一个 相对静止的状态，基桩就不存在负摩阻力。桩侧负摩阻力是有效应力和相对位移的函数，其表达式如下所示：
(1)
式中， 表示有效应力； 表示桩土的相对位移。
桩负摩阻力系数的计算公式如下所示：
(2)
式中， 表示钻孔灌注桩负摩阻力； 表示钻孔灌注桩的负摩阻力因子，分析上式，若是减少负摩阻力，一个是减少负摩阻力因子，即让桩表面光滑，对于钻孔灌注桩这点是难以实现的，那么就只能是分析土的有效应力，土的有效应力是因土体自重固结引起土体向下位移产生的，或是由于排水，使土层密实，使桩周土产生沉降，从而增加了桩周土的有效应力，对于装置所在场地，场地及附近无地表水体，只有大气降水，并且8米厚土体经过强夯，已经密实，降水产生的土体沉降有限，再分析土体固结影响，该部分填土由砂泥岩碎块石、粉质粘土构成。由于上部土体已经经过强夯，承载力特征值达210kPa。地面外部荷载对深处土体的影响也很小，因此可以判定该部分土体固结应该是局部的、缓慢的、渐进的，需要6~8年时间才能完成固结过程，规范公式计算的负摩阻力是整个固结过程的总和。与此同时，已经完成固结的土体会对由于受负摩阻力作用产生向下位移倾向的桩提供反向阻力。因此负摩阻力产生同时部分土体对桩的侧摩阻力也在发挥作用，但这个作用是计算公式没有包含的。因此，只是考虑负摩阻力作用对于桩的承载力计算是不完整的，对于此种场地情况，可以判定产生负摩阻力的土体小于产生正摩阻力的土体，可考虑正负抵消。仅按桩端土的承载力计算的桩的竖向承载力特征值，计算结果如下：
Ra =(ξrfrkAp)/2=(1x 6420x0.785)/2=2520 kN（试桩结果：Nk=2727 kN）
与试桩结果相近，结果可信。尽管在不同区域做了10个试桩进行竖向静载荷实验，但若是要代表整个场地，还是需要留有一定的安全储备，最终设计取2000 kN作为桩的有效荷载进行桩基设计，并得到业主认可。
五. 结束语
厚层填土场地桩的负摩阻力的计算比较复杂，影响因素也较多，在设计时应充分考虑土体实际情况和产生负摩阻力机理，对于合理、有效、安全进行桩基设计是很重要的。目前计算机技术不断发展，桩土作用的机理可以通过许多的现场试验数据进行模拟仿真计算，探索合理、准确的计算模型及通过实验数据找到不同影响因素对负摩阻力的影响规律。可为今后的进行不同场地负摩阻力计算找到准确可靠的计算依据。
参考文献：
[1] 赵敏, 张玉, 刘银利．桩负摩阻力时间效应分析[J]．地下空间与工程学报, 2007, 3(7): 1327-1341.
[2] 夏力农, 雷鸣, 聂重军. 桩顶荷载对负摩阻力性状影响的现场试验[J]. 岩土力学, 2009, 30(3):664-668．
【关键词】厚层填土区钻孔灌注桩；负摩阻力；影响因素
The analysis of negative friction resistance of pile in fill site
Abstract：The negative friction resistance is the main factor of bore piling design in thick layer fill site, it is affected by many complicated factors. Therefore, we should carry on in-depth analysis to understand its mechanism. Then, to determine the bearing capacity of pile under the influence of negative friction resistance of the pile accurately and reasonably.
Keyword: Bore piling in thick layer fill site; negative friction resistance; Influencing factors.
在填土场地进行桩基设计时，负摩阻力是影响桩竖向承载力的主要因素。设计最终采用的桩的有效竖向承载力为Nk≥Rk –Qgn。因此负摩阻力的取值决定了桩基设计的合理性和基础造价，尤其是对于厚层人工填土场地，对桩基设计产生的影响更是很大。本文结合重庆市MDI一体化项目中的14万Nm3 /h空分装置桩基设计进行分析探讨。
一、场地特点
装置所在场地原始地貌属构造剥蚀浅丘地貌，低矮丘包和宽缓槽谷相间，场地中部偏北东侧为低矮浅丘，浅丘斜坡地带坡角5～12°。槽谷内地形较平坦，坡角0~5°。高程最低点位于北东侧沟槽附近，高程263.55m；最高点位于浅丘顶部，高程280.21m，相对高差11.1m。场地经推填整平后高程为294.00m，场地地面设计采用高程为295.80m。填土平均厚度为25米左右，上部8米厚土层为强夯处理土层，承载力特征值为 210kPa（强夯检测报告提供），土体总体结构为中密~密实，局部稍密；8m以下土体密实度逐渐降低，多呈稍密，局部松散。场地及附近无地表水体。
二、装置介绍
本装置是世界规模级的14万Nm3 /h空气分离制氧装置。主要设备为压缩机（单机重约为300吨），冷箱（高71米，操作重1000吨）等。产品为液氩、液氧、液氮， 储罐直径18.5米，高20.5米，物料重3900吨。主要建筑物为压缩厂房。尽管场地土经过强夯处理，地基承载力也满足建构筑物荷载要求，但鉴于装置设备对沉降的敏感性及为了确保生产的安全性，主要厂房、设备、罐等的基础均采用旋挖钻孔灌注桩。
三、桩基设计
根据桩基规范JGJ 94-2008，当桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时，在计算桩承载力时应计入桩侧负摩阻力。因此在对本装置进行桩基设计时，首先需要确定桩的负摩阻力值。据详勘报告：地面以下8米厚土层经过强夯处理。土体结构为中密~密实，局部稍密；可认定为固结基本完成，即使是局部土体产生自重固结，也仅可能是极少量的土体，对整体负摩阻力取值影响有限。8米以下填土层为强夯处理影响不到土层，最厚处达20米，主要成分为砂泥岩碎块石、粉质粘土。多呈稍密~松散状。碎块石直径大小不一，一般大小为0.1～80cm，最大可达180cm，含量一般60～70%。为机械抛填，填筑年限1-2年。固结没有完成，是产生负摩阻力的土体。填土层下面为粉质粘土层，较薄，黄褐色、灰褐色、灰色，可～硬塑状，干强度、韧性中等，揭露厚度0～4.50m。再下层为强风化泥岩，最下层为中风化泥岩，是桩端持力层。该岩体为中等变异性。统计其参数得：天然块体重度平均值25.00kN/m3，天然、饱和单轴抗压强度标准值分别为：6.42MPa、3.62MPa。岩质地基极限承载力标准值为6.42MkPa（岩石较完整，地基条件系数取1.0）。桩进入持力层深度为2m,桩为嵌岩桩。中性点取在粘土层顶面。按桩基规范GJ 94-2008计算如下：
（一）负摩阻力计算 （取ZY124(18-18) 钻孔计算）
qsin=ξniбi’ 5.4.4-4
ξn=0.25 γ=22.3kN/m3
桩顶埋深-1.5米（高程为强夯层顶面294.00）
p=γ.z=22.3x8=178.4 kN/m2（上部8米厚土层按荷载计入）
其余填土层厚度为15.5米
бi=p+бri’ =γ.z +1/2rizi
=178.4+0.5x22.3x15.5=178+173=351
qsin=ξniбi’ =0.25x351=87.8
下拉荷载为 Qn=uqsil=87.8x3.14x15.5=4273kN(取￠1000桩计算)
（二）桩竖向承载力特征值计算：
qsik=160 （粉质粘土层） Ap=0.785(￠1000桩) l=2.4 u=3.14
ξr=1
Quk = Qsk + Qrk=u∑qsikl+ξrfrkAp 5.3.9-1
=3.14x160x2.4+1x6420x0.785=6245
Ra = Quk/2=6245/2=3122kN。
根据计算桩的负摩阻力大于桩的竖向承载力特征值，桩没有可用荷载，据此结果，可以判定按上述计算所得的负摩阻力不够合理。但又找不到可依托的理论推翻上述计算结果，上部8m土层尽管不产生负摩阻力，但当其下部土层固结沉降时，也会随之沉降，因此计算负摩阻力时也必须考虑计入。经与业主协商，决定采用静载荷实验确定桩的承载力。虽然这样做会增加工程造价，但对于这种投资十几亿的装置来说，将风险控制到最低是需首要考虑的。本装置选取不同区块的典型地点共计打了16个试桩，做桩的抗压，抗拔，水平静载荷实验。实验的初步方案为：先对两个试桩进行竖向静载荷实验，加载至桩破坏，若是结果不能满足设计要求，后面的试桩将采用后注浆灌注桩方案以提高桩的承载力。试桩时，在荷载加至14040 kN时（受现场条件限制），停止加载，见下图
此时各桩Q-s曲线未出现陡降，s-lgt曲线尾部未出现明显弯折，各桩在最大加载量下均未破坏。见下图
设计认为这个荷载可以满足设计要求，最终取14000 kN为桩抗压极限承载力，Ra即为7000kN，可用荷载Nk= Ra - Qn=7000-4273=2727 kN。
四、负摩阻力机理分析
有了试桩结果作为依据，就可以对桩的负摩阻力机理进行分析研究。根据重庆当地做法，嵌岩桩是不需静载荷实验的，通过对桩钻芯取样确定桩的竖向承载力。既然已经花费数百万元做了试桩，就应好好利用试桩数据，为今后在类似场地进行桩基设计提供参考依据。根据试桩检测报告，在加载至14040 kN时，桩未破坏，测试得到的桩端阻力平均值为2700kPa,远未达到桩端岩石抗压极限强度（6420 kPa），说明桩端土的作用只用不到一半，为桩提供承载力的主要为桩侧摩阻力，最大值达到了250kPa。在进行承载力计算时，对于未完成固结的土体，其性质不稳定，离散性大，不能得到具有代表性的土样确定土体的物理力学指标。只能取非填土部分指标计算桩的承载力。因此需要根据试桩结果及详勘报告对负摩阻力产生机理进行仔细分析研究。由于填土为机械抛填，填筑年限1-2年。土体固结尚未完成，桩侧土体在固结的过程中对桩产生向下的位移，由于桩土之间的挤压作用，对桩就产生一个相向下作用的摩擦力，这个摩擦力拖拽桩向下运动，对桩产生下拉荷载。桩负摩阻力产生有两个必备条件：桩土之间的挤压力和桩土的相位移差。桩负摩阻力是滑动摩擦力，只有当桩土之间的相对位移处于持续发展 的运动过程，负摩阻力才会产生。一旦桩土之间的相对位移不再发生，即桩土处一个 相对静止的状态，基桩就不存在负摩阻力。桩侧负摩阻力是有效应力和相对位移的函数，其表达式如下所示：
(1)
式中， 表示有效应力； 表示桩土的相对位移。
桩负摩阻力系数的计算公式如下所示：
(2)
式中， 表示钻孔灌注桩负摩阻力； 表示钻孔灌注桩的负摩阻力因子，分析上式，若是减少负摩阻力，一个是减少负摩阻力因子，即让桩表面光滑，对于钻孔灌注桩这点是难以实现的，那么就只能是分析土的有效应力，土的有效应力是因土体自重固结引起土体向下位移产生的，或是由于排水，使土层密实，使桩周土产生沉降，从而增加了桩周土的有效应力，对于装置所在场地，场地及附近无地表水体，只有大气降水，并且8米厚土体经过强夯，已经密实，降水产生的土体沉降有限，再分析土体固结影响，该部分填土由砂泥岩碎块石、粉质粘土构成。由于上部土体已经经过强夯，承载力特征值达210kPa。地面外部荷载对深处土体的影响也很小，因此可以判定该部分土体固结应该是局部的、缓慢的、渐进的，需要6~8年时间才能完成固结过程，规范公式计算的负摩阻力是整个固结过程的总和。与此同时，已经完成固结的土体会对由于受负摩阻力作用产生向下位移倾向的桩提供反向阻力。因此负摩阻力产生同时部分土体对桩的侧摩阻力也在发挥作用，但这个作用是计算公式没有包含的。因此，只是考虑负摩阻力作用对于桩的承载力计算是不完整的，对于此种场地情况，可以判定产生负摩阻力的土体小于产生正摩阻力的土体，可考虑正负抵消。仅按桩端土的承载力计算的桩的竖向承载力特征值，计算结果如下：
Ra =(ξrfrkAp)/2=(1x 6420x0.785)/2=2520 kN（试桩结果：Nk=2727 kN）
与试桩结果相近，结果可信。尽管在不同区域做了10个试桩进行竖向静载荷实验，但若是要代表整个场地，还是需要留有一定的安全储备，最终设计取2000 kN作为桩的有效荷载进行桩基设计，并得到业主认可。
五. 结束语
厚层填土场地桩的负摩阻力的计算比较复杂，影响因素也较多，在设计时应充分考虑土体实际情况和产生负摩阻力机理，对于合理、有效、安全进行桩基设计是很重要的。目前计算机技术不断发展，桩土作用的机理可以通过许多的现场试验数据进行模拟仿真计算，探索合理、准确的计算模型及通过实验数据找到不同影响因素对负摩阻力的影响规律。可为今后的进行不同场地负摩阻力计算找到准确可靠的计算依据。
参考文献：
[1] 赵敏, 张玉, 刘银利．桩负摩阻力时间效应分析[J]．地下空间与工程学报, 2007, 3(7): 1327-1341.
[2] 夏力农, 雷鸣, 聂重军. 桩顶荷载对负摩阻力性状影响的现场试验[J]. 岩土力学, 2009, 30(3):664-668．