特殊情形对桩基承载力的影响

桩基工程实际中可能存在一些特殊的情形将对桩基承载力产生显著影响，这需要在桩基承载力计算或验算时予以考虑。所谓的特殊情形主要包括以下3类。

（1）一般情况下桩基的桩端持力层具有足够的厚度，或者持力层下面的各层土与持力层土性相差不大，但当土层竖向分布不均匀，或者是桩端穿透硬持力层较困难时，可考虑将桩端设置于存在软弱下卧层的有限厚度硬持力层上。当桩端持力层下存在软弱下卧层时，可能存在两种后果，第一种为桩端下持力层厚度过薄导致桩端下土层发生冲剪破坏而失稳，第二种为因软弱层的变形使得桩基沉降过大。由于海上测风塔工程的重要性和现在桩基施工技术的水平发展，这一情形已经较为少见，故在此不再进行单独考虑。

（2）当测风塔工程海床附近浅层土体为砂土或粉土时，可能存在土层液化问题，在地震作用下土层液化会降低桩基竖向承载力、抗拔承载力和水平承载力，在桩基承载力计算时必须予以反映。

（3）桩基在竖向荷载作用下桩身沉降通常大于桩侧土体沉降，从而在桩土交界面处产生向上的摩阻力。与之相反，在特殊情况下当桩侧土体的沉降大于桩身沉降时，则在桩土交界面附近产生向下的摩阻力，称之为负摩阻力。负摩阻力将使得桩身轴力加大，桩基沉降也增大，对桩基承载力、桩身强度和沉降均产生不利影响。

1.液化效应

存在饱和砂土和饱和粉土（不含黄土）的地基，除6度设防外，应进行液化判别；存在液化土层的地基，应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级，结合具体情况采取相应的措施。地基液化等级根据液化指数来判定，分为三级，包括轻微、中等和严重，如表6-9所示。

表6-9　液化等级与液化指数的对应关系[4]

当桩承台底面上、下分别有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土层或非软弱土层时，可按以下两种情况进行桩的抗震验算，并按不利情况设计。

第一种方法认为桩承受全部地震作用，桩承载力计算仍按本节前面部分的方法取用，但计算时液化土的桩周摩阻力及桩水平抗力均应乘以表6-10中的折减系数αe。

表6-10　地震折减系数αe的取值[4]

表6-10中抗液化指数的计算式为

式中 N——未经杆长修正的饱和土标准贯入锤击数实测值；

Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值。

液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr计算为

式中 N0——液化判别标准贯入锤击数基准值，按表6-11采用；

ds——饱和土标准贯入点深度，m；

dw——地下水位，m；

ρc——黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；

β——调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05。

表6-11　液化判别标准贯入锤击数基准值N[4]0

第二种方法中假定地震作用按水平地震影响系数最大值的10%采用，桩承载力仍按前述方法计算，但应扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下2m深度范围内非液化土的桩周摩阻力。

根据GB 50011—2010，非液化土中低承台桩基的抗震验算，单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值，可均比非抗震设计时提高25%，参见式（5-13）、式（5-17）和式（5-20）。

2.负摩阻力

负摩阻力产生的原因与桩基所处的土层条件密切相关，同时与周边堆载也有关。海上测风塔工程中出现负摩阻力多因为浅层土体尚处于欠固结状态而引起。在负摩阻力作用下桩身轴力的最大值不在桩顶，而在中性点位置。在中性点以上轴力逐步增大，在中性点以下桩身轴力逐步减小。中性点是正负摩阻力的分界点，在该位置处，桩土相对位移为零，摩阻力为零，桩身轴力最大。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6-12确定。

表6-12　中性点深度ln(www.xing528.com)

注：1.ln、l0分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度。
2.当桩周土层固结与桩基固结沉降同时完成时，取ln=0。
3.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。

当桩侧出现负摩阻力时，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。对于摩擦型桩，可取桩身计算中性点以上侧阻力为零，并验算桩的承载力为

式中 Nk——荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，桩的平均竖向力；

Ra——只计中性点以下部分侧阻值和端阻值得到的桩身竖向承载力特征值。

对于端承型桩，除应满足式（6-35）要求外，尚应考虑负摩阻力引起桩的下拉荷载，并验算桩的承载力为

除了上述承载力验算外，当土层不均匀或结构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。

对于单桩模式，式（6-36）中由于负摩阻力引起的下拉荷载可针对单桩模式和群桩模式分别计算。中性点以上单桩桩周第i层土的负摩阻力标准值计算为

式中 ——第i层土的桩侧负摩阻力标准值，当按式（6-37）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；

ξni——桩周第i层土的负摩阻力系数，可按表6-13取值；——桩周第i层土的平均竖向有效应力。

表6-13　阻力系数ξ[1]
n

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。

当欠固结土层产生固结时，桩周土平均竖向有效应力计算为

式中 σ′γi——由土自重引起的桩周第i层土的平均竖向有效应力，桩群外围桩自地面算起，桩群内部桩自承台底算起。

与单桩基础不同，对于桩距较小的群桩，负摩阻力因群桩效应而降低。这是因为桩侧负摩阻力是由桩侧土体沉降而引起的，若群桩中各桩表面单位面积所分担的土体重量小于单桩的负摩阻力极限值，将导致桩负摩阻力降低，因此计算群桩下拉荷载时应乘以群桩效应系数。考虑群桩效应时桩的下拉荷载可计算为

式中 n——中性点以上土层数；

li——中性点以上第i土层的厚度；

ηn——负摩阻力群桩效应系数；

u——桩群外围周长；

sax、say——纵横向桩的中心距；

——中性点以上桩周土层厚度加权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重度（地下水位以下取浮重度）；

d——群桩中单桩直径。

对于单桩基础或群桩基础按式（6-40）计算的群桩效应系数ηn＞1时，取ηn=1，然后按照式（6-39）计算下拉荷载。