第八节 桩基负摩阻力
一、负摩阻力的概念
在正常情况下，桩顶施加向下的力使桩身产生向下的压缩位移，桩侧表面的土体则对桩身表面产生与桩身位移方向相反即向上的摩阻力，称为正摩阻力。但由于桩周土欠固结等原因导致桩侧土体自己下沉且土体沉降量大于桩的沉降时，桩侧土体将对桩产生与桩位移方向一致即向下的摩阻力，称为负摩阻力。
负摩阻力将对桩产生一个下拽荷载，相当于在桩顶荷载之外，又附加一个分布于桩侧表面的荷载。负摩阻力作用的结果是使桩身轴力不在桩顶最大，而是在中性点处最大。
二、负摩阻力的产生条件
负摩阻力产生的原因很多，主要有下列几种情况。
（1）位于桩周的欠固结软黏土或新近填土在其自重作用下产生新的固结。
（2）桩侧为自重湿陷性黄土、冻土层或砂土，冻土融化后或砂土液化后发生下沉时也会对桩产生负摩擦力。
（3）由于抽取地下水或深基坑开挖降水等原因引起地下水位全面降低，致使土的有效应力增加，产生大面积的地面沉降。
（4）桩侧表面土层因大面积地面堆载引起沉降带来的负摩阻力。
（5）周边打桩后挤土作用或灵敏度较高的饱水黏性土，受打桩等施工扰动（振动、挤压、推移）影响使原来房屋桩侧土结构被破坏，随后这部分桩间土的固结引起土相对于桩体的下沉。
（6）一些地区的吹填土，在打桩后出现固结现象带来的负摩阻力。
（7）长期交通荷载引起的沉降。
桩基负摩阻力影响的主要后果是增加桩内轴向荷载，从而使桩轴向压缩量增加，并且在摩擦桩情况下也可能使桩的沉降有较大的增加。群桩承台情况下，填土沉降可使承台底部和土之间形成脱空的间隙，这样就把承台的全部重量及其上荷载转移到桩身上，并可改变承台内的弯矩和其他应力状况。
三、负摩阻力的分布及中性点
分析桩与土的相对位移可以得到负摩擦力的分布。图2-8-1（a）为一桩受负摩擦力的情况；图2-8-1（b）为地基土沿深度的压缩变形量S1；图2-8-1（c）为桩本身的竖向弹性压缩变形量S2；图2-8-1（d）为桩尖下土的下沉量S3；图2-8-1（e）为S1-S2-S3，即土对桩沿深度的相对位移情况；图2-8-1（f）为作用于桩的负摩擦力和正摩擦力沿深度分布；图2-8-1（g）为作用于桩侧表面的总的负摩擦力（或称下拉荷载）沿深度的分布。
图2-8-1 桩的负摩擦力分布
由图2-8-1可见，在地面下某一深度，桩土之间的相对位移为零，此点以上的桩段受到负摩擦力的作用，此点以下的桩段则受到正摩擦力的作用，此点称为中性点。在这点上，作用于桩的摩擦力为零，而下拉荷载为最大值。现场测试结果指出，中性点的深度ln是随持力层的性质而决定的。
《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中规定了中性点位置的确定方法：中性点深度ln应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定，也可参照表2-8-1确定。
表2-8-1 中性点深度ln
注 1.ln、l0分别为中性点深度和桩周沉降变形土层下限深度。
2.桩穿越自重湿陷黄土层时，l0按表列增大10%（持力层为基岩除外）。
3.当桩周土层固结与桩基固结沉降同时完成时，取ln=0。
4.当桩周土层计算沉降量小于20mm时，ln应按表列值乘以0.4～0.8折减。
另一种确定中性点深度ln的方法是按工程桩的工作性状类别来推估的，多半带有经验性质，见表2-8-2。
表2-8-2 经验法确定中性点深度
影响中性点深度的主要因素有以下几点。
（1）桩底持力层刚度。持力层越硬，中性点深度越深，相反持力层越软，则中性点深度越浅。所以在同样的条件下，端承桩的ln大于摩擦桩。
（2）桩周土的压缩性和应力历史。桩周土越软、欠固结度越高、湿陷性越强、相对于桩的沉降越大，则中性点也越深，而且，在桩、土沉降稳定之前，中性点的深度ln也是变动着的。
（3）桩周土层上的外荷载。一般地面堆载越大或抽水使地表下沉越多，那么中性点ln越深。
（4）桩的长径比。一般桩的长径比越小，则ln越大。
四、负摩阻力的计算
影响负摩阻力的因素很多，例如桩侧与桩端土的性质、土层的应力历史、地面堆载的大小与范围、地下降水的深度与范围、桩顶荷载施加时间与发生负摩阻力时间之间的关系、桩的类型和成桩工艺等。要精确地计算负摩阻力是十分困难的，国内外大都采用近似的经验公式估算。根据实测结果分析，认为采用有效应力法比较符合实际。
《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中规定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。
中性点以上单桩桩周第i层土平均负摩阻力可按下式计算
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：
当地面分布大面积荷载时：
式中
——第i层土桩侧平均负摩阻力；当按式 （281）计算值大于正摩阻力值时，取正摩阻力值进行设计；
ξni——桩周第i层土负摩阻力系数，可按表2-8-3取值；
——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；
——桩周第i层土平均竖向有效应力；
k——土的侧压力系数；
φ′——土的有效内摩擦角；
γi、γm——分别为第i计算土层和其上第m层土的重度，地下水位以下取浮重度；
Δzi、Δzm——第i层土、第m层土的厚度；
p——地面均布荷载。
表2-8-3 负摩阻力系数ξn
注 1.在同一类土中，对于打入桩和沉管灌注桩，取表中较大值，对于钻（冲）孔灌注桩，取表中较小值。
2.填土按其组成取表中同类土的较大值。
3.当计算得到的负摩阻力值大于正摩阻力值时，取正摩阻力值。
桩单位面积负摩阻力
也可利用一些土的室内试验或原位测试成果根据经验确定。对黏性土，可以用无侧限抗压强度的一半作为
，也可以用静力触探试验所获得的双桥探头锥尖阻力qc或单桥探头比贯入阻力ps按下式估算
对砂土地基，桩端极限阻力fb和单位负摩阻力
可由qc推算
式中 fL——打入桩极限端阻力。
粉砂
紧砂
松砂
另外，还可以用实测的标准贯入击数N值按下式计算
对黏性土
对砂性土
式中 N′——经钻杆长度修正的平均贯入试验击数。
五、单桩负摩擦力的时间效应
桩基设计中普遍存在着时间效应问题，例如打入沉桩过程中的土中总应力的增长和松弛消散，孔隙水压力随固结过程的消散，软弱淤泥及淤泥质土的触变效应等。土沿桩身荷载传递过程均受上述因素影响而出现时间效应现象。但桩负摩擦力及桩周土自身的欠固结和新荷载引起的附加固结问题，时间效应更其突出。
单桩负摩擦力的时间效应主要表现在以下几个方面。
（1）负摩擦力的产生和发展取决于桩周土固结完成所需时间。固结土层越厚，渗透性越低，负摩擦力达到其峰值的所需时间越长。
（2）负摩擦力的产生和发展还与桩身沉降完成的时间有关。当桩的沉降先于固结土层固结完成的时间，则负摩擦力达峰值后就稳定不变，如端承桩。反之，当桩的沉降迟于桩周土沉降的完成，则负摩擦力达到峰值后又会有所下降，如有的摩擦桩桩端土层蠕变性较强者，就会呈现这种特性，不过较为少见。
（3）中性点位置也同样存在着时间效应。一般来说，中性点的位置大多是逐步降低的，即中性点的深度是逐步增加的。无论桩的轴向压力还是下拉荷载都是随着桩周土固结过程不断增加的，例如实测资料表明，自重湿陷性黄土的湿陷过程中一卵石为持力层的桩负摩擦力值及中性点的深度都逐步增长。即使是摩擦桩，上述特征仍然明显。
图2-8-2表示某工程实测一根试桩的负摩擦力时间效应的概况。限于测试条件只测得桩、土下沉位移及中性点位置随时间的变化。
图2-8-2 桩、土下沉位移及中性点位置随时间的变化
六、群桩的负摩阻力
1.群桩负摩阻力的影响因素
影响群桩负摩阻力的因素主要包括承台底土层的欠固结程度、欠固结土层的厚度、地下水位、群桩承台的高低、群桩中桩的间距等。
（1）承台底土层的欠固结程度和厚度。承台底土层的欠固结程度越高，土层本身的沉降量就越大，群桩负摩阻力就越显著。欠固结土层的厚度越大，土层本身的沉降量就越大，群桩负摩阻力就越显著。
（2）地下水位下降和地面堆载。承台底的地下水位因附近抽水等原因下降越多，一般土层本身的沉降量也越大，群桩的负摩阻力也越明显。地面堆载越大，群桩负摩阻力越大。
（3）群桩承台的高低。当桩基础中承台与地面不接触时，高桩的负摩阻力单纯是由各桩与土的相对沉降关系决定的。当桩基础承台与地面接触甚至承台底深入地面以下时，低桩的负摩阻力的发挥受承台底面与土间的压力所制约。刚性承台强迫所有基桩同步下沉，一旦作用有负摩阻力时，群桩中每根基桩上的负摩阻力发挥程度就不相同。
（4）群桩中桩的间距。群桩中桩的间距十分关键。如果桩间距较大，群桩中各桩的表面所分担的影响面积（即负载面积）也较大，由此各桩侧表面单位面积所分担的土体重量大于单桩的负摩阻力极限值，不发生群桩效应。如果桩间距较小，则各桩侧表面单位面积所分担的土体重量可能小于单桩的负摩阻力极限值，则会导致群桩的负摩阻力降低。桩数越多，桩间距越小，群桩效应越明显。
（5）影响群桩负摩阻力的其他因素。影响群桩负摩阻力的其他因素还有很多，例如砂土液化、冻土融化、软黏土触变软化等条件，对群桩内外的各个基桩都会起作用，只是作用大小有些区别。若产生的条件是属于群桩外围堆载引起的负摩阻力，则除了周边的桩外侧真正产生经典意义上的负摩阻力以外，群桩中间部位的基桩会因周边桩的遮栏作用而难以发挥负摩阻力。群桩的桩数越多，桩间距越小，这种遮拦作用就越明显。最终导致群桩的负摩阻力总和大幅度降低，群桩效应更为明显。
2.群桩负摩阻力的计算
对于群桩负摩阻力的计算，《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）规定：群桩中任一基桩的下拉荷载标准值可按式（2-8-7）计算：
上二式中 n——中性点以上土层数；
li——中性点以上各土层的厚度；
ηn——负摩阻力群桩效应系数，按式（2-8-8）确定；
Sax、Say——分别为纵横向桩的中心距；
——中性点以上桩的平均负摩阻力标准值；
γm——中性点以上桩周土层厚度加权平均有效重度（地下水位以下取浮重度）。对于单桩基础或按式（2-8-8）计算群桩基础的ηn>1时，取ηn=1。
七、负摩阻力的计算示例
【例1】 某建筑基础采用钻孔灌注桩，桩径900mm，桩顶位于地面下1.8m，桩长9m，土层分布如图2-8-3所示，当水位由-1.8m降至-7.3m后，试求单桩负摩阻力引起的下拉荷载。
解：该桩桩周的淤泥质土和淤泥质黏土可能会引起桩侧负摩阻力，桩端持力层为砂卵石，属端承型桩，应考虑负摩阻力引起桩的下拉荷载Qg。
单桩负摩阻力按下式进行计算
其中
为桩周第i层土平均竖向有效应力
其中p为超载，该桩桩顶距地面1.8m，桩顶以上土的自重应力近似作为超载p
p=γz=18×1.8=32.4kN/m2
图2-8-3 例1题图
桩长范围内压缩层厚度l0=8.5m，根据《建筑桩基技术规范》，中性点深度ln为
ln/l0=0.9,ln=0.9l0=0.9×8.5=7.65m
式中 ln、l0——中性点深度和桩周沉降变形土层下限深度。
负摩阻力系数为：
饱和软土：ξn取0.2；黏性土：ξn取0.3。
深度1.8～3.8m，淤泥质土
深度3.8～7.3m，淤泥质黏土
深度7.3～9.45m，黏土
基桩下拉荷载为
式中 n——中性点以上土层数；
li——中性点以上各土层数厚度；
ηn——负摩阻力群桩效应系数，取ηn=1.0；
——第i层土桩侧负摩阻力标准值。
所以考虑负摩阻力引起桩基下拉荷载为55.67kN。
【例2】 某工程基础采用钻孔灌注桩，桩径d=1.0m，桩长l0=12m，穿过软土层，桩端持力层为砾石，如图2-8-4所示。地下水位在地面下1.8m，地下水位以上软黏土的天然重度γ=17.1kN/m3，地下水位以下它的浮重度γ′=10.2kN/m3。现在桩顶四周地面大面积填土，填土荷重p=10kN/m2，计算因填土对该单桩造成的负摩阻力下拉荷载标准值（计算中负摩阻力系数ξn取0.2）。
图2-8-4
解：根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中性点深度比ln/l0=0.9
l 0=12m,ln=0.9×12=10.8m
单桩负摩阻力标准值为
下拉荷载为
八、消减负摩阻力的措施
根据对桩负摩阻力的分析结果，可以采取有针对性的措施来减小负摩阻力的不利作用。
（1）承台底的欠固结土层处理。对于欠固结土层厚度不大可以考虑人工挖除并替换好土以减少土体本身的沉降。对于欠固结土层厚度较大或无法挖除时，可以对欠固结土层（如新填土地基）采用强夯挤淤、土层注浆等措施，使承台底土在打桩前或打桩后快速固结，以消除负摩阻力。
（2）在桩基设计时，考虑桩负摩阻力后，单桩竖向承载力设计值要折减降低，并注意单桩轴力的最大点不再在桩顶，而是在中性点位置。所以，桩身混凝土强度和配筋要增大，并验算中性点位置强度。
（3）考虑负摩阻力后，承台底部地基的承载力不能考虑，而且贴地的低承台由于地基土的本身沉降有可能转变成高承台。
（4）套管保护桩法。即在中性点以上桩段的外面罩上一段尺寸较桩身大的套管，使这段桩身不致受到土的负摩阻力作用。该法能显著降低下拉荷载，但会增加施工工作量。
（5）桩身表面涂层法。即在中性点以上的桩侧表面涂上涂料，一般用特种的沥青。当土与桩发生相对位移出现负摩阻力时，涂层便会产生剪应变而降低作用于桩表面的负摩阻力，这是目前被认为降低负摩阻力最有效的方法。
（6）预钻孔法。此法既适用于打入桩又适用于钻孔灌注桩。对于不适于采用涂层法的地质条件，可先在桩位处钻进成孔，再插入预制桩，在计算中性点以下的桩段宜用桩锤打入以确保桩的承载力，中性点以上的钻孔孔腔与插入的预制桩之间灌入膨润土泥浆，用以减少桩负摩阻力。
（7）考虑负摩阻力后，要在设计时考虑增强桩基础的整体刚度，以避免不均匀沉降。
由于欠固结填土、堆载等引起的桩负摩阻力不但增加了下拉荷载，而且可能使房屋基础梁与地基土脱开，从而引起过大沉降或不均匀沉降，所以设计时应事先考虑。