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岩土工程

桩的负摩擦力(负摩擦)模拟器

固结沉降的软弱地层向下拖拽桩的"负摩擦力(下拉)"使用β法计算的工具。改变桩径、固结层厚度、地层重量、β系数、桩的承载力,可实时了解作用在桩上的追加荷载和剩余承载力。

参数设置
桩的直径 D
m
决定桩的周长 πD,直接影响周面积
固结沉降的层的厚度 L
m
拖拽桩的软弱层、盛土层的厚度
该层的单位体积重量 γ
kN/m³
固结层的重量。决定有效应力
β系数(负摩擦系数)
从有效应力得出周面摩擦应力的系数(粘土约0.2)
桩的极限承载力
kN
先端承载力+有效周面摩擦的总和(设计承载力)
计算结果
桩的周长 (m)
平均有效应力 (kPa)
负摩擦力(下拉)(kN)
剩余承载力 (kN)
承载力的下降率 (%)
负摩擦的判定
桩·地层的断面图 — 沉降和下拉的动画

上部的固结层比桩沉降得更快,周面摩擦反向作用向下拖拽桩(红色向下箭头=负摩擦力)。下部的承重层中摩擦向上支持桩(绿色向上箭头)。

负摩擦力 vs 固结层的厚度 L
剩余承载力 vs β系数
理论·主要公式

$$F_{neg}=\beta\cdot\bar\sigma'_v\cdot(\pi D)\cdot L,\qquad \bar\sigma'_v=\frac{\gamma L}{2}$$

负摩擦力(下拉)F_neg。β:负摩擦系数,σ'v_avg:固结层的平均有效竖直应力,πD:桩的周长,L:固结层的厚度。有效应力分布为三角形,因此平均值使用层中点的值 γL/2。

$$R_{rem}=R_u-F_{neg},\qquad \Delta R=\frac{F_{neg}}{R_u}\times100\ [\%]$$

剩余承载力 R_rem 和承载力的下降率 ΔR。R_u:桩的极限承载力。下拉不是阻力而是"追加荷载",这一点很重要,它会减少可用于结构物的承载力。

桩的负摩擦力简介

🙋
我是第一次听说"桩的负摩擦力"。摩擦不是支持桩的力吗?
🎓
好问题。先从桩基础的基础开始说。桩是将建筑物的重量运送到地下深处硬地层的构件,支撑力有两种。桩端受到的"先端承载力"和桩的侧面(周面)的"周面摩擦"。通常周面摩擦是桩的帮手,当桩被向下压时,周围地层通过摩擦向上抵抗支持桩。但是,这种摩擦有时会反向作用。那就是"负摩擦力"。
🙋
诶,摩擦反向?为什么会这样?
🎓
关键是"谁沉降得快"。桩上面的地层本身在下沉,而且沉降速度比桩还快,那么地层会摩擦着桩表面向下通过。此时周面摩擦的方向反向,不再向上支持,而是向下拖拽桩。这就是负摩擦力=下拉。常见的原因是自重或新盛土导致还在进行固结沉降的软弱粘土层、地下水位下降、软弱地层上新加载的盛土等。
🙋
明白了…但是桩被向下拖拽有什么问题呢?桩本来就是在支持建筑物吧?
🎓
这是最重要的一点。负摩擦力不是"阻力"而是"追加荷载"。建筑物的重量加上下拉部分的重量。比如这个工具的默认值,负摩擦力约为577kN。这会先耗尽桩的承载力,导致用于建筑物的承载力减少。而且也是桩自身沉降过多的原因。这个问题容易被忽视,但很严重。
🙋
那很可怕呢。怎么计算呢?这个工具的β法是什么?
🎓
β法是将固结层中的"有效应力"乘以摩擦系数β来得到周面摩擦应力,然后乘以桩的周面积的方法。公式是 F_neg = β·σ'v_avg·(πD)·L。有效应力随深度增加呈三角形分布,所以平均值使用层中点的值 γL/2。粘土的β约为0.2。虽然简单,但实务中经常使用。左边的滑块改变固结层厚度或地层重量,你会看到 F_neg 大幅增加。
🙋
有对策吗?只能放任不管吗?
🎓
有办法的。常用的有四种方法。(1) 在桩的上部表面涂抹沥青来降低摩擦本身,(2) 用双管、套管在该区间脱开,(3) 用预加荷重使地层预压,在桩施工前完成固结,(4) 简单地设计更长、更粗的桩,考虑到下拉荷载来保证承载力。根据现场条件组合使用。

常见问题

通常,桩的周面摩擦是支持桩的"帮手"。但是当桩周围的上部地层因固结沉降等原因而比桩更快地向下沉降时,周面摩擦会反向作用,向下拖拽桩。这就是负摩擦力(负摩擦),也称为下拉。作为追加荷载压在桩上,是设计中可使用的承载力被耗尽的问题。
β法中,固结层内的有效竖直应力乘以摩擦系数β得到周面摩擦应力,然后乘以桩周面积进行积分。本工具使用 F_neg = β·σ'v_avg·(πD)·L 进行计算。σ'v_avg 是固结层的平均有效竖直应力,应力分布为三角形,因此使用层中点的值 γL/2。D 是桩径,L 是固结层厚度,πD 是桩周长。
代表性的对策有四种。(1) 在桩的上部表面涂抹沥青来降低周面摩擦本身,(2) 上部长度用双管、套管进行脱开,(3) 用预加荷重等使地层预压,在桩施工前完成固结,(4) 设计时桩更长、更粗,考虑到下拉荷载以确保承载力。根据现场条件组合应用。
当桩周上部地层向下沉降时发生。代表例子是因自重或新盛土而固结进行中的软弱粘土层、地下水位下降导致有效应力增加、软弱地层上新建的盛土、填埋地等。固结层越厚,地层越重,负摩擦力越大。特别是穿过软弱地层到达承重层的长桩需要特别注意。

实际应用

填埋地、造成地的建筑基础:沿海填埋地或用软弱地层盛土造成的宅地、工厂用地中,地层持续多年的固结沉降。在这里打穿过固结层到达承重层的长桩时,上部的固结层成为负摩擦力的源头。设计时需要根据固结层厚度和盛土重量估算下拉,留有余裕。

桥梁的台座、桥墩:软弱地层上的桥台背后经常筑有接近盛土。这个盛土荷重使背后地层固结沉降,对支持桥台的桩产生很大的负摩擦力。桥台前倾或沉降的许多问题源于此,用沥青涂布桩或套管脱开来对策。

地下水位下降伴随的城市工程:邻近工程的开挖使地下水位下降,之前被水支撑的部分有效应力现在压在地层上,广泛范围内固结沉降进行。既有的桩基础后来出现负摩擦力,导致想不到的沉降或承载力不足。地下水位下降是负摩擦力的隐藏原因,需要注意。

地层分析、设计复核的预估检讨:在进行详细的弹塑性FEM分析或固结分析之前,用本工具这样的β法概算来"下拉食掉承载力的多少"。如果下降率很大,可以尽早判断是否需要修改桩长、桩径或采用对策。相反,如果详细分析的结果与概算相差很大,可以怀疑地层模型或边界条件的错误,这样可以进行理智检查。

常见误解和注意事项

首先最大的误解是"周面摩擦总是支持桩"这个思想。教科书的承载力公式是将先端承载力和周面摩擦相加,但这是建立在地层不比桩沉降更快的前提下。在上部地层比桩沉降得快的区间,周面摩擦不仅不再加到支持力上,反而作为独立荷载被加上。负摩擦力不是承载力的一部分,而是应该像建筑物荷载一样作为施加荷载来处理。这是正确的理解方法。

其次,"负摩擦力作用在桩的全长"这个误解。实际上负摩擦力只作用在地层比桩沉降得快的区间(固结层)。地层和桩的沉降速度相等的深度称为"中立点(中立面)",在那里以下地层沉降跟不上桩,摩擦恢复为通常向上支持。中立点以上为负摩擦力,以下为正周面摩擦和先端承载力这个结构不要搞错。本工具为了简化将固结层厚度视为负摩擦力作用区间。

最后,"只要采取对策负摩擦力就能变成零"这个过度信心。沥青涂布能大幅降低摩擦,但不能变成零。预压也需要长工期才能完成100%固结,常常会有残留沉降。施工误差或经年使沥青层剥落也有可能。对策是"减小负摩擦力"而不是"消除负摩擦力",设计时应该在承载力中留有一定的下拉假设余裕。

使用指南

  1. 输入桩直径(dNum)和桩长(tNum),计算桩的周长。直径0.5m、长度15m的情况下,周长为23.56m
  2. 从土层的单位体积重量(gNum)和固结沉降量(bNum)计算平均有效应力,确定β法的剪切强度系数
  3. 从粘性土的β值和有效应力的乘积计算负摩擦力(下拉荷载),评估桩的剩余承载力

具体计算例

直径0.6m、长度18m的钢管桩埋设在粉质粘性土中的情况:周长1.131πm×18m=63.9m、单位体积重量18kN/m³、固结沉降0.8m引起的平均有效应力14.4kPa、采用β值0.35时,负摩擦力为63.9m×14.4kPa×0.35=321.8kN。设计承载力为800kN的情况下,剩余承载力下降到478.2kN,承载力下降率达到40.2%

实务中的注意事项

  1. 砂质土的β法应用困难,应限制在粘性土地层的使用。特别是包含有机质土时,固结沉降的预测精度下降
  2. 负摩擦力只有来自桩的中立点下方的土,因此可以用地层改良或桩周涂层大幅度降低
  3. 长期沉降(10年以上)的模拟应加上蠕变沉降,用固结沉降量的120~150%重新评估