負表面摩擦

在打樁的過程中，土壤的沉陷（向下運動）對樁產生的反作用的摩擦力，稱為負表面摩擦力。有將樁向上拉出土壤之勢。因此以摩擦樁做基礎必須避免負表面摩擦的現象。

基本介紹

• 中文名：負表面摩擦力
• 外文名：negative mantle friction
• 套用領域：土木工程
• 屬於：摩擦力

概念

當樁被打入黏土之中，若地表對樁做相對沉陷，則樁承受的載重，除結構載重外，還有負表面摩擦力。造成地表沉陷的原因，可能為加上去的填土，地下水位降低，樁貫入所引起的黏土攪動的結果等。

在下面的支撐土壤，由於負表面摩擦力所增加的載荷，可能大到促使樁材料產生超限應力，或導致大量沉陷，甚至破壞。

黏土中長樁的負摩擦力

瑞士中部和西南部的廣大地區復蓋著一層很厚的正常固結的軟粘土。建築物二般都來用端承樁。通常在大城市中心部分出現的地下水位降低，形成樁的負表面摩擦力，從而別起沉降與樁尖負荷增加。負表面摩擦力與土的不排水抗剪強度、有效超載壓力、沉降以及樁的打入等方面間的關係，都存在著很多問題。為了解決其中的某些問題，於1966年開展了此頊研究。

試驗分為三階段：第一階段觀測兩根穿過正常固結粘土打入粉土和砂中的長樁，在打樁期間與打入後的負表面摩擦力的分布與彎矩；第二階段在兩根樁上加80噸軸向荷載，並研究這個荷載對負表面摩擦力的影響；第三階段在兩根樁周圍鋪上2米厚、面積為40米×40米的碎石填料，這項研究將於1973年完成。

土質情況

試驗場區40米深度內為正常固結的軟粘土，其下為粉土和砂，地表土的不排水抗剪強度為1.5噸/米²，到地下35米處增加到5.0噸/米²。地下水位與地面平齊，粘土的敏感度在15和20之間。

試驗樁與量測結果

試驗採用兩根截面為800厘米²、周長為106厘米的六角形鋼筋混凝土Herhules型樁。每根樁由11.2米長的數段組成。底節裝有硬質鑽岩鋼尖。樁中心設有薄壁鋼管，內徑為42毫米，樁打入後沿管插入變位計。樁力計的電纜通過電纜管引出樁尖。澆注28天后測定樁身混凝土的平均立方塊強度為607公斤/厘米²。骨架用6根直徑為16毫米、屈服強度為60公斤/毫米²的鋼筋。樁截面的斷裂彎矩超過8.5噸米。打樁時用硬鋼連結件在現場將樁接起來。打樁數據表明，這些樁具有摩擦兼端承樁的作用。PⅠ樁打得比較直，測斜儀測定樁尖從其予計位置橫向偏高1.4米。PⅡ樁的樁尖偏高6.2米，靠樁尖處軸線的最小半徑為170米。實驗表明，半徑達50~100米時。將發生彎曲斷裂。

打樁引起土的移動，試驗測定了這些移動。還測得很高的超孔隙壓力。

打樁使靠近樁的地面隆起20毫米，但是隨著樁的深度增加，隆起降低，測定了深度5~6米以下土的沉降，最大的沉降(50毫米)發生在靠樁PⅡ11米深處。

打樁前測得孔隙水壓力與地下水位相當。位於地面下20.3米深處儀表的讀數表明，打樁使孔隙水壓力大大增加。最大總孔隙水壓力為40噸/米²，而相應的總垂直過載壓力為32.9噸/米²，因此所測孔隙壓力超過總過載壓力20%，距離試樁幾米遠，30.5米深處的孔隙壓力則增加很少。

每接一根新樁段時測定一次樁中的力，測定結果表明．樁打入後，樁中的力大約等於或稍微小於樁的自量，因此，打樁不會產生任何“鎖”在樁中的軸向力。

直樁PⅠ中的彎矩是很小的，在0.4和1.3噸米之間變化。PⅠ樁彎曲較大，測到較大數值距樁尖12米，位於粘土與粉土和砂的交界面處，樁的彎矩為3.2噸米，相應的樁軸曲率半徑為170米，這個數值相當於斷裂值的35%左右。深度30米和20米附近處的彎矩分別為0.9和2.4噸米，而相應的曲率半徑為220和190米。

打樁使用周圍的粘土受到擾動，予計擾動粘土的重新固結將引起土的沉降並在樁中產生向下的力。為了研究這種現象，在打樁後的五個月內定期觀測各種儀表的讀數。

沉降儀表表明土的移動很小，所記錄到的沉降在1～3毫米之間。

測得位於20.3米深處的超孔隙水壓力隨時間而消失，打樁150天后超孔隙水壓力為零。

樁內軸向力隨時間而變化，打樁後，軸向荷載迅速增加，兩至三周后增加的速度緩慢下來，大約八周后，上部樁的荷載增加很小。量測結果表明，樁剛打入時樁中應力比樁的自重小，但隨著時間而增加，打樁144天后，在粘土層與粉土層之交界處的樁荷載超過樁自重25～30噸，並且在打樁五個月後仍然增加。測定表明，表面摩擦力從地面為零變化到40米深處的1.4噸/米²，基本是直線上升。在此深度以下的表面摩擦阻力是正的。負表面摩擦力相當於粘土的不排水抗剪強度的17%或為土的有效超載壓力的5%。

結論

試驗結果表明，負表面摩擦力是由於打樁使周圍粘土的重塑和重固結而引起的，甚至土的沉降很小也會引起負表面摩擦力。五個月後所測到的負表面摩擦力相當於粘土的平均不排水抗剪強度的17%，或為其平均有效超載壓力的5%，負摩擦所引起的軸向力被樁下部的粘土與砂層中的正表面摩擦力所抵消。予計在這個地區鋪填2米厚的碎石填料時，無疑還會產生相當高的負表面摩擦力。

軸向載荷作用下單樁的性能

單樁的承載力，在一般情況下都取決於土對樁的阻力。土對樁的阻力，由樁側表面摩阻力 ，和樁尖下土層的支承阻力 ，兩部分所組成。根據靜力平衡條件，樁上作用的荷載 與這兩者的關係為：

樁周表面摩阻力

樁受荷載作用後，隨著樁的下沉，樁與樁周土之間出現相對位移，產生土對樁的表面摩阻力。這種表面摩阻力可能有兩種情況：對較軟的土層而言，由相對位移而產生的剪下面常出現在樁表面附近的土體內，這時研究樁周表面摩阻力，實質上就是研究土沿著樁身的極限抗剪強度；對較硬土層， 面常產生在樁與土的接觸面上，這是表面摩擦阻力要略小於土的抗剪強度。

圖1

樁與土之間的摩阻力的大小，顯然與相對位移的大小有關。因為土受剪下時，翦切阻力隨剪下變形的發展而增大，當剪下變形達某一數值(如6～9mm)時，剪下阻力達到極限值。剪下變形繼續增加，剪下阻力就不再增大。因此，當樁的位移足夠大時，摩阻力將達到極限值（如圖1）。

在勻質土中樁周摩擦力承拋物線分布，如圖2。

圖2

樁尖土的阻力

作用在樁頂上的載荷，是由摩阻力樁尖支撐阻力共同承受的。它們之間的分布規律，隨載荷大小，支撐土層的情況，以及樁長等不同而易。

當荷載增大到破壞荷載時，樁發生劇烈的不停滯的下沉，樁尖下土層發生大量的塑性變形，土中形成連續的滑動面，由於樁的入土深度與其斷面尺寸相比是很大的，故樁尖下的滑動土體受著上部土的壓力不會有很大的向上擠起。

樁尖支承阻力的最大值即樁尖下土體的極限承載力，可以用深基礎的極限荷載理論來確定，但是，已有的理論公式並不理想，使用上常受到限制。所以，目前常用其他方法來確定。

樁尖的支承阻力通常假定為均勻分布。