单桩负摩阻力计算例题

关于桥梁桩长计算中的负摩阻力探讨摘要当遇到不良地质条件时，桥梁桩基础设计中桩侧负摩阻力对桥梁的安全性、可靠性和经济等方面都有着重要的影响，本文介绍了桩侧负摩阻力产生的原因，影响因素和计算方法。

关键词桩基负摩阻力产生原因计算方法桩基具有承载力高、地质适应性强、施工便捷、沉降小、工期短等优点，采用桩基作为桥梁基础日趋普遍。

桩的承载力是由桩底支承力与桩周土体的侧摩阻力两部分组成的。

当桩底穿过并支承在各种压缩性土层中时，桩主要依靠桩侧土的摩阻力支承竖向荷载。

因此，桩侧摩阻力的大小对结构基础的稳定性起着决定作用。

如果桩周土体与桩身表面发生负摩阻力，使桩侧土一部分重量传递给桩，不但不是桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，这是在软弱粘土和湿陷性黄土等地基确定单桩轴向容许承载力时应该注意的。

一、产生负摩阻力的条件和原因在桩顶竖向荷载作用下，当桩相对于桩侧土体向下位移时，桩侧土体对桩产生向上作用的摩擦力，称为正摩阻力（图1a），正摩阻力能抵抗桥梁上部结构及桥墩等产生的荷载。

但是，当桩侧土体因某种原因而下沉，且其下沉量大于桩的沉降（即桩侧土体相对于桩产生向下的位移）时，土对桩产生向下的摩擦力，称为负摩阻力（图1b），负摩阻力变成施加在桩上的外荷载，相当于增加了作用在桩基上的桥梁上部结构及桥墩等产生的荷载。

桩侧负摩阻力问题，本质上和正摩阻力一样，只要得知土与桩之间的相对位移或趋势以及负摩阻力与相对位移之间的关系，就可以了解桩侧负摩阻力的分布和桩身轴力与截面位移了。

产生负摩阻力的情况有多种：(1) 桩穿过欠固结的软粘土或新填土，由于这些土层在重力作用下的压缩固结，产生对桩身侧面的负摩擦力；(2) 在桩侧软土的表面有大面积堆载或新填土(桥头路堤填土)，使桩周的土层产生压缩变形；(3) 由于从软弱土层下的透水层中抽水或其它原因，使地下水位下降，土中有效力增大，从而引起桩周土下沉；(4) 桩数很多的密集群桩打桩时，使桩周土产生很大的超空隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉；(5) 在黄土、冻土中的桩基，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。

桩侧负摩阻力的计算一、 规范对桩侧负摩阻力计算规定符合下列条件之一的桩基，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，在计算基桩承 载力时应计入桩侧负摩阻力：1、 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；2、 桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载（包括 填土）时；3、 由于降低地下水位，使桩周土有效应力增大，并产生显著压缩沉降时。

4、 桩周土沉降可能引起桩侧负摩阻力时，应根据工程具体情况考虑负摩阻力对桩基承载力 和沉降的影响；当缺乏可参照的工程经验时，可按下列规定验算。

① 对于摩擦型基桩，可取桩身计算中性点以上侧阻力为零，并可按下式验算基桩承载力：N k 乞 R a（ 7-9-1）② 对于端承型基桩，除应满足上式要求外，尚应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载，并 可按下式验算基桩承载力：N k Q g <Ra（ 7-9-2）③ 当土层不均匀或建筑物对不均匀沉降较敏感时，尚应将负摩阻力引起的下拉荷载计入 附加荷载验算桩基沉降。

注：本条中基桩的竖向承载力特征值只计中性点以下部分侧阻值及端阻值。

二、 计算方法桩侧负摩阻力及其引起的下拉荷载，当无实测资料时可按下列规定计算： 1、中性点以上单桩桩周第 i 层土负摩阻力标准值，可按下列公式计算：q ?i = ni ；「i（ 7-9-3）当填土、自重湿陷性黄土湿陷、欠固结土层产生固结和地下水降低时：i 71ri -mm i 厶i m =2（7-9-3 ）〜（7-9-5）式中：q ?i ――第i 层土桩侧负摩阻力标准值；当按式（7-9-3）计算值大于正摩阻力标准值时，取正摩阻力标准值进行设计；-ri ――由土自重引起的桩周第i 层土平均竖向有效应力；桩群外围桩自地面算起，桩群内部桩自承台底算起;当地面分布大面积荷载时：；★二p • c ri(7-9-4) 其中， (7-9-5)Ci ■――桩周第i层土平均竖向有效应力；i, m――分别为第i计算土层和其上第 m土层的重度，地下水位以下取浮重度;.'■■Zi ---- 第 i 层土、第 m层土的厚度；p――地面均布荷载；桩周第i层土负摩阻力系数，可按表 7-9-1取值;表7-9-1 负摩阻力系数匕土类5土类5饱和软土0.15 〜0.25 砂土0.35 〜0.50粘性土、粉土0.25 〜0.40 自重湿陷性黄土0.20 〜0.35②填土按其组成取表中同类土的较大值；2、考虑群桩效应的基桩下拉荷载可按下式计算：nQ f 二n 八側（7-9-6）(7-9-7)式中，n ――中性点以上土层数；l i――中性点以上第i土层的厚度；n ――负摩阻力群桩效应系数；S ax, S ay ――分别为纵横向桩的中心距；q S?――中性点以上桩周土层厚度加权平均负摩阻力标准值；m――中性点以上桩周土层厚度加权平均重度（地下水位以下取浮重度）。

桩侧负摩阻力的计算一、规范对桩侧负摩阻力计算规定符合下列条件之一的桩基，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，在计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力：1、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；2、桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载（包括填土）时；3、由于降低地下水位，使桩周土有效应力增大，并产生显著压缩沉降时。

4、桩周土沉降可能引起桩侧负摩阻力时，应根据工程具体情况考虑负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响；当缺乏可参照的工程经验时，可按下列规定验算。

①对于摩擦型基桩，可取桩身计算中性点以上侧阻力为零，并可按下式验算基桩承载力： a k R N ≤ （7-9-1）②对于端承型基桩，除应满足上式要求外，尚应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载，并可按下式验算基桩承载力：a ng k R Q N ≤+ （7-9-2）③当土层不均匀或建筑物对不均匀沉降较敏感时，尚应将负摩阻力引起的下拉荷载计入附加荷载验算桩基沉降。

注：本条中基桩的竖向承载力特征值只计中性点以下部分侧阻值及端阻值。

二、计算方法桩侧负摩阻力及其引起的下拉荷载，当无实测资料时可按下列规定计算： 1、中性点以上单桩桩周第 i 层土负摩阻力标准值，可按下列公式计算：i ni nsiq σξ'= （7-9-3） 当填土、自重湿陷性黄土湿陷、欠固结土层产生固结和地下水降低时：ri i σσ'=' 当地面分布大面积荷载时：rii p σσ'+=' （7-9-4） 其中, i i i m m m riz z ∆∑+∆='-=γγσ1121（7-9-5） （7-9-3）～（7-9-5）式中：nsi q ——第i 层土桩侧负摩阻力标准值；当按式（7-9-3）计算值大于正摩阻力标准值时，取正摩阻力标准值进行设计；ri σ'——由土自重引起的桩周第i 层土平均竖向有效应力；桩群外围桩自地面算起，桩群内部桩自承台底算起；i σ'——桩周第i 层土平均竖向有效应力；m i γγ,——分别为第i 计算土层和其上第m 土层的重度，地下水位以下取浮重度；m i z z ∆∆,——第i 层土、第m 层土的厚度；p ——地面均布荷载；ni ξ——桩周第i 层土负摩阻力系数，可按表7-9-1取值；表7-9-1 负摩阻力系数ξ注：①在同一类土中，对于挤土桩，取表中较大值，对于非挤土桩，取表中较小值；②填土按其组成取表中同类土的较大值；2、考虑群桩效应的基桩下拉荷载可按下式计算：∑⋅==ni i nsi n n gl q u Q 1η （7-9-6）⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅=4d q d s s m n s ya x a n γπη （7-9-7）式中，n ——中性点以上土层数； l i ——中性点以上第i 土层的厚度；n η——负摩阻力群桩效应系数；ay ax s s ,——分别为纵横向桩的中心距；ns q ——中性点以上桩周土层厚度加权平均负摩阻力标准值；m γ——中性点以上桩周土层厚度加权平均重度（地下水位以下取浮重度）。

负摩阻力计算5#栋车间基桩负摩阻力计算一、土层信息选取最不利钻孔ZK595计算，钻孔岩土层分布如下：（1）、土层编号1：填土层土层厚度h1= 15.8m;负摩阻力系数ζn=0.30（2）、土层编号2：粉质黏土层土层厚度h2=5.0m;极限侧摩阻力标准值qsk=53Kpa;负摩阻力系数ζn=0.25（3）、土层编号3：全风化花岗岩土层厚度h3=0.5m;极限侧摩阻力标准值qsk=140Kpa;极限端阻力标准值qpk=5000Kpa;（4）、土层编号4：强风化花岗岩土层厚度h4=11m;极限侧摩阻力标准值qsk=220Kpa;极限端阻力标准值qpk=7000Kpa;二、单桩竖向承载力特征值计算桩采用直径为400的预应力混凝土管桩（型号为PHC-500-A-100-H），设计净桩长为9m。

根据《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011第8.5.6.4条，单桩竖向承载力特征值按下式估算：R a=q pa A p+u pΣq sia l i=7000X3.14X0.42/4+3.14X0.4X220X9=879.2+2486.08=3366.08 KN三、基桩负摩阻力计算根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第5.4.2条，桩穿越较厚松散填土，计算桩承载力时应计入桩侧负摩阻力。

桩端持力层为强风化花岗岩，按表5.4.4-2，l n/l0=1.0,桩周软弱土层下限深度l0=20.8m,则自桩顶算起的中性点深度为l n=20.8m.桩侧负摩阻力根据勘察报告取值，已知素填土负摩阻力系数ζn=0.30，粉质黏土负摩阻力系数ζn=0.25。

已知地面无堆载（即P=0），地下水位标高为-10.93m(绝对标高265.27)。

第一层素填土自重引起的桩周平均竖向有效应力：地下水位以上：σr10=0.5X18X10.93=98.37Kpa;地下水以下至第二层粉质黏土顶面：σr11=10.93X18+0.5X（18-10）X4.87=216.22Kpa;则σ1=98.37+216.22=314.59Kpa;第二层粉质黏土自重引起的桩周平均竖向有效应力：Σr2=10.93X18+4.87X（18-10）+0.5X（16.8-10）X5.0=252.70Kpa;q s1=ζn1σ1=0.30X314.59=94.38Kpa;q s2=ζn2σ2=0.25X216.22=54.06Kpa;本工程为两桩承台计算，不考虑群桩效应，则ηn=1.0;对于不考虑群桩效应作用，基桩下拉荷载：Qg=ηn uΣq sia l i=1.0X3.14X0.4X(94.38X15.8+54.06X5)=2212.45KN 则估算单桩竖向承载力特征值R a=3366.08 KN-2212.45 KN=1153.63KN 可取R a=900 KN。

单桩承载力验算一、土层分布情况二、单桩竖向承载力特征值桩端持力层为全风化花岗岩，按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），中性点深度比l n /l 0=0.75，桩周软弱土层下限深度l 0=28.84m ，则自桩顶算起的中性点深度l n =21.63m 。

根据规范可知，该处承载力特征值只计中性点以下侧阻值及端阻值。

kN l q u A q Q i sik p pk 3976)613021.712(1141600uk =⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯=+=∑ππkN Q K R uk a 19883894211=⨯== 三、单桩负摩阻力第一层路堤填土和杂填土自重引起的桩周平均竖向有效应力： 地下水以上部分：Pa k 93.6594.6192111=⨯⨯=σ； 地下水以下部分：Pa k 06.1396.1)1019(2194.61912=⨯-⨯+⨯=σ； 则kPa 20512111=+=σσσ；第二层淤泥自重引起的桩周平均竖向有效应力：kPa 26.182)54.863.21()105.15(216.1)1019(94.6192=-⨯-⨯+⨯-+⨯=σ； ；，故取kPa q kPa kPa q n s n n s 24245.612053.01111=>=⨯==σξ ；，故取kPa q kPa kPa q n s n n s 121245.3626.1822.01222=>=⨯==σξ 对于单桩基础，不考虑群桩效应则1n =η；基桩下拉荷载：kN l q u Q n i i n si n ng1137))54.863.21(1254.824(10.11=-⨯+⨯⨯⨯⨯==∑=πη 四、单桩分担面积上的荷载kN N 720)2520(44k =+⨯⨯=五、验算N R N Q N a n k 1988k 185********g k =<=+=+故单桩承载力满足要求。

按照摩擦性桩验算： kN l q u A q Q i sik p pk 2752)313021.712(1141600uk =⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯=+=∑ππkN Q K R uk a 137********=⨯== kN N 720)2520(44k =+⨯⨯= a R N <k故单桩承载力满足要求。

单桩承载力验算一、土层分布情况二、单桩竖向承载力特征值桩端持力层为全风化花岗岩，按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），中性点深度比l n /l 0=，桩周软弱土层下限深度l 0=，则自桩顶算起的中性点深度l n =。

根据规范可知，该处承载力特征值只计中性点以下侧阻值及端阻值。

kN l q u A q Q i sik p pk 3976)613021.712(1141600uk =⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯=+=∑ππkN Q K R uk a 19883894211=⨯== 三、单桩负摩阻力第一层路堤填土和杂填土自重引起的桩周平均竖向有效应力： 地下水以上部分：Pa k 93.6594.6192111=⨯⨯=σ； 地下水以下部分：Pa k 06.1396.1)1019(2194.61912=⨯-⨯+⨯=σ； 则kPa 20512111=+=σσσ；第二层淤泥自重引起的桩周平均竖向有效应力：kPa 26.182)54.863.21()105.15(216.1)1019(94.6192=-⨯-⨯+⨯-+⨯=σ； ；，故取kPa q kPa kPa q n s n n s 24245.612053.01111=>=⨯==σξ ；，故取kPa q kPa kPa q n s n n s 121245.3626.1822.01222=>=⨯==σξ 对于单桩基础，不考虑群桩效应则1n =η；基桩下拉荷载：kN l q u Q n i i n si n ng1137))54.863.21(1254.824(10.11=-⨯+⨯⨯⨯⨯==∑=πη 四、单桩分担面积上的荷载kN N 720)2520(44k =+⨯⨯=五、验算N R N Q N a n k 1988k 185********g k =<=+=+故单桩承载力满足要求。

按照摩擦性桩验算： kN l q u A q Q i sik p pk 2752)313021.712(1141600uk =⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯=+=∑ππkN Q K R uk a 137********=⨯== kN N 720)2520(44k =+⨯⨯= a R N <k故单桩承载力满足要求。

基于抛物线法的桩基负摩阻力估算公式为进一步探究湿陷性黄土中工程项目的力学特性，快速求得桩基负摩阻力大小，基于抛物线法，假定桩基负摩阻力沿土体深度分布符合二次抛物线函数，推导了基于抛物线法的单桩负摩阻力估算公式，求得了土体对桩基的下拉荷载;设置小于1的修正系数，基于远藤法，推导了群桩负摩阻力估算公式，群桩桩基负摩阻力与桩基半径、分布函数、桩基埋深、修正系数等因素有关。

以陕西某公路桥梁桩基为例，分别采用试坑浸水试验、估算公式计算、有限元仿真计算三种方式，求得桩基最大负摩阻力、下拉荷载、中性点位置三项重点参数，误差在8%之内，表明该桩基负摩阻力估算公式可以在概念设计阶段对工程进行指导。

标签：湿陷性黄土;单桩;群桩;桩基负摩阻力;估算公式【Abstract】In order to further explore the mechanical characteristics of engineering projects in collapsible loess，and quickly get the magnitude of negative friction of pile foundation，based on the parabola method，assuming that the distribution of negative friction of pile foundation along the depth of soil conforms to the quadratic parabola function，the estimation formula of negative friction of single pile is derived，and the pull-down load of soil on pile foundation is obtained. The negative friction of pile group is related to the radius，distribution function，buried depth and correction coefficient of pile group. Taking the pile foundation of a highway bridge in Shaanxi Province as an example，three key parameters of the maximum negative friction resistance，pull-down load and neutral point position of the pile foundation are obtained by means of test pit immersion test，calculation formula and finite element simulation calculation，with an error of less than 8%，indicating that the formula can guide the project in the conceptual design stage.【Key words】collapsible loess; foundation of single pile; foundation of group pile; negative friction of pile foundation; estimation formula随着桩基在湿陷性黄土地区的广泛应用，其负摩阻力取值不当问题日益突出[1-3]，由此引发的建筑物沉降、倾斜或开裂事故屡见不鲜，当前湿陷性黄土地区桩基设计时，由室内试验计算确定的负摩阻力取值偏大，造成桩基设计承载力偏低，导致大量基础工程费用浪费。

4.2 桩基4.2.1 桩基类型及桩端持力层的选择依据勘察结果分析, 本建筑场地为自重湿陷性黄土场地，（自重湿陷量的计算值为120.5-151.6mm）湿陷等级为Ⅱ级（中等），湿陷性土层为②、③、④、⑤层，湿陷土层厚度为10-15m，湿陷最大深度17m（3#井）。

可采用钻孔灌注桩基础，第⑦层黄土状粉土属中密-密实状态，具低-中压缩性，不具湿陷性，平均层厚4.0m，可做为桩端持力层。

4.2.2 桩基参数的确定根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）、《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）、《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）中的有关规定，结合地区经验，饱和状态下的桩侧阻力特征值qsia（或极限侧阻力标准值qsik）、桩端阻力特征值qpa（或极限端阻力标准值qpk¬）建议采用下列估算值：土层编号土层名称土的状态桩侧阻力特征值qsia(kPa) 极限侧阻力标准值qsik(kPa) 桩端阻力特征值qpa(kPa) 极限端阻力标准值qpk(kPa)②黄土状粉土稍密 11 23③黄土状粉土稍密 12 24④黄土状粉土稍密 12 24⑤黄土状粉土稍密 13 26⑥黄土状粉土中密 18 36⑦黄土状粉土中密183****1000⑧黄土状粉土中密 20 40 600 12004.2.3 单桩承载力的估算依据JGJ94-2008规范，参照《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002第8.5.5条，单桩竖向承载力特征值可按下式估算：Ra=qpaAp+up∑qsiaLi式中：Ra——单桩竖向承载力特征值；qpa 、qsia——桩端端阻力、桩侧阻力特征值；Ap——桩底端横截面面积= πd2（圆桩）；up——桩身周边长度=πd；Li——第i层岩土的厚度；以3#孔处的地层为例，桩身直径取600mm，以第⑦层黄土状粉土做为桩端持力层，桩入土深度24.0m（桩端进入持力层的深度对于粘性土、粉土应不小于1.5d）。