佛山电力设计院有限公司
摘要：本文对变电站桩基设计过程中是否需要考虑桩基负摩阻力的问题进行了深入探讨，采用工作中遇到的两个变电站工程实例进行了对比分析，思考在广东的软弱土层地区，淤泥质土等软弱土层的固结沉降引发的桩基负摩阻力的问题，证明桩基负摩阻力是不可忽略的设计参数之一。设计人员需要知晓工程中为何会产生桩基负摩阻力，影响负摩阻力的相关因素等问题，在设计过程中予以重视，从而避免因其引起工程事故。
关键词：变电站工程；软弱土层；桩基负摩阻力
1.背景
广东地区很多工程的地基都存在较厚的软弱土层，如淤泥质土、淤泥质黏性土、松散状态的砂土层、未经处理的填土等，其力学性质较差，表现出欠固结性。在这些地区，设计人员普遍采用桩来处理大型工程地基，当桩基自身的沉积远小于桩周围土体的沉降量时，周围的土体就会对桩体产生桩侧负摩阻力，并对其作用一个下拉荷载，这样非常容易造成桩身破坏或其他破坏情况。当我们选择采用桩基础时会涉及到是否需要考虑桩基负摩阻力，如何考虑的问题，桩基负摩阻力考虑得是否得当关系到桩基承载力计算是否准确，在软土地基区域，因其固结沉降在桩侧引发的负摩阻力关系到整个工程的结构安全及工程危害性，具有非常重要的意义。
2.工程概况
工程案例一：220千伏某某变电站位于广东省揭阳市，站址距揭阳市区约有9.0千米，距磐东镇约5.3千米，距榕江南河北岸约200米，距科技大道约60米，交通便利。变电站站址原始地貌为平原（冲积成因），原为鱼塘及水田，后经改造现站址北部为鱼塘，南侧为荒地和种植经济作物的农田。场地自然高程（1985国家高程）为1.82～3.52m。根据《220千伏某某变电站施工图设计阶段岩土工程勘测报告》得知，站址场地下存在厚度为17.22～25.32米不等的淤泥层，分布较广，平均厚度为19.80米，包括平均厚度约12米的流塑性淤泥及平均厚度约6.5米的淤泥质土，计算得知变电站整个场地需填砂厚度约为5.50米，其中未考虑固结下沉深度。根据规范和相关工程经验，我们对本工程的地基分两步处理，先采用塑料排水板堆载预压，堆载预压持续期长达2年，场地中的软弱淤泥层经过上述方法的处理，沉降大概可完成预计总沉降的百分之八十至百分之九十，但经过堆载预压处理之后，变电站地基的承载力仍无法达到变电站建构筑物的标准，于是设计再采用摩擦型端承预制管桩基础处理主要建构筑物的地基，要求桩基穿过软土层到达持力层（粗砂层），以满足承载力要求。目前该工程已完成施工，安全投产运行。
工程案例二：220千伏某某变电站位于广东省佛山市，处于顺德区东平新城的东部片区中部，周边均为美旗项目规划道路，东侧紧贴规划道路（路面宽度25米），西侧为规划美旗大道，南侧为规划旗南路，北侧为规划乐北路。站址北侧约2.2千米为北江支流潭州水道（河道宽度约255米）。站址地貌为冲积平原，场地遍布鱼塘，标高多在0.74m～3.5m之间。根据《220千伏某某变电站施工图设计阶段岩土工程勘测报告》得知，站址场地下存在分布较广的淤泥质土等软弱土层，软弱土层总厚度约2.3～17.5米。结合以往工程经验估算，软弱土层在场地外力作用下，预计沉降量约有一米二左右，需要比较长的时间完成该沉降，时间上无法满足变电站的运行要求。因工期紧张，地基无其他特殊处理措施，对站区建、构筑物基础采用摩擦型端承预制管桩基础，桩基将穿过淤泥质土层到达中风化岩持力层。目前该工程已完成施工，安全投产运行。
3.桩基负摩阻力
我们对桩基负摩阻力的认识仍存在很多未知区域，近年来发生的一些工程事故，都是在软弱土层采用下卧硬层土或岩的端承桩，设计人员通常采用现场试桩承载力的数据，再乘以安全系数，可是这些桩基后来都受到不同程度的破坏。分析其主要原因，是桩周土对设计采用的桩基础产生负摩阻力，从而引起下拉荷载，在一定程度上影响了桩基承载力和桩基沉降量，对桩身造成破坏。负摩阻力的问题已逐步引起大家的重视，《建筑桩基技术规范》（JGJ94-1994）第一次将负摩阻力列入规范，并为设计人员解答了一些计算负摩阻力的疑惑[1]。
3.1定义
因为桩周土的自重固结、湿陷、地面荷载作用等原因而产生大于基桩的沉降所引起的对桩表面的向下摩阻力[2]，即桩侧土体沉降导致桩基与周围土体发生相对位移而产生的负摩擦力，如图3.1所示，称为桩基负摩阻力。
3.2如何考虑负摩阻力
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.4.2条，如有以下三种情况之一，且桩基的沉降小于桩周土层产生的沉降时，应计入负摩阻力来计算桩基承载力：
1．桩穿越自重湿陷性黄土、欠固结土或较厚的松散填土进入较硬的土层时；
2．邻近桩侧地面大面积堆载(包括填土)，地面承受局部较大的长期荷载作用，或桩周围存在软弱土层时；
3．因降低地下水位，导致桩周围土有效应力变大，并生产明显压缩沉降时。
设计人员应当在设计过程中严格遵守上述强条规定，满足规范要求。
根据工程经验，由固结变形引起的桩基负摩阻力产生的速率较大，在短暂的时间内极有可能达到较大值，容易引发工程事故，所以针对这种情况，设计必须核算桩基负摩阻力；对次固结变形，相对来说，由于其产生的变形较小，引起负摩阻力的速率也较小，而随着时间的增长桩基承载力在不断提高，二者可以抵消，故对存在次固结变形的场地可不考虑桩基负摩阻力。
对于工程案例一，因为设计先采用塑料排水板堆载预压法进行地基处理，并且堆载预压时间持续2年，场地沉降量达2米，变电站地基中的淤泥质土通过堆载预压处理，沉降大概可完成百分之八十至百分之九十，可认为场地的固结变形已经基本完成，可不考虑桩侧负摩阻力。故在设计过程中，该工程桩基承载力计算时，并未扣除负摩阻力。目前该工程已建成投产，桩基部分无不满足要求的问题出现。
对于工程案例二，因为场地除了桩基础无其他地基处理措施，场地淤泥层厚度较厚，设计人员应验算负摩阻力。故设计中根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）的5.4.3条及5.4.4条进行负摩阻力、桩基承载力的计算，其中，计算负摩阻力时，当各土层桩侧正摩阻力标准值小于土层桩侧负摩阻力标准值计算值时，取土层桩侧正摩阻力的标准值。同时，在桩基施工时，对预制管桩外壁涂刷沥青以减小负摩阻力。目前该工程已建成投产，桩基部分无不满足要求的问题出现。
4.结语
随着工程中遇到桩基负摩阻力问题越来越多，工程设计人员对桩基负摩阻力的了解和认识也越来越多。但目前，我们对负摩阻力的认知、计算、验算方法仍然比较局限，即使我们在工程中考虑了负摩阻力，仍可能存在安全隐患或存在设计过于保守的情况。从概念设计的角度出发，建议工程设计中采取一定的地基处理措施或构造措施来消除负摩阻力对桩基承载力带来的影响，如采用堆载预压的地基处理措施让场地先完成固结变形，避免产生较大的可能造成工程事故的负摩阻力；当工期紧张，无法采用堆载预压等地基处理措施时，可在软土区段桩外侧填充炉渣或是采用对预制管桩外壁涂刷沥青的构造措施来减小桩表面的负摩阻力，在一定程度上达到消减桩基负摩阻力的目标。
虽然桩基负摩阻力造成了部分工程事故，但是我们可以预防其发生，消减其危害。设计人员需要知晓工程中为何会产生桩基负摩阻力，影响负摩阻力的相关因素等问题，在设计过程中予以重视，从根源上避免其引起的危害。在实际工程中，设计和施工事先就要采取应对措施来克服这些负摩阻力对工程的影响。
参考文献：
[1]高大钊，岩土工程勘察与设计——岩土工程疑难问题答疑笔记整理之二，人民交通出版社2010.11
[2]JGJ94-2008建筑桩基技术规范，中国建筑工业出版社2008.10
[3]黄强，桩基工程若干热点技术问题，中国建材工业出版社