負(fù)表面摩擦

瑞士中部和西南部的廣大地區(qū)復(fù)蓋著一層很厚的正常固結(jié)的軟粘土。建筑物二般都來用端承樁。通常在大城市中心部分出現(xiàn)的地下水位降低，形成樁的負(fù)表面摩擦力，從而別起沉降與樁尖負(fù)荷增加。負(fù)表面摩擦力與土的不排水抗剪強(qiáng)度、有效超載壓力、沉降以及樁的打入等方面間的關(guān)系，都存在著很多問題。為了解決其中的某些問題，于1966年開展了此頊研究。

試驗(yàn)分為三階段：第一階段觀測(cè)兩根穿過正常固結(jié)粘土打入粉土和砂中的長(zhǎng)樁，在打樁期間與打入后的負(fù)表面摩擦力的分布與彎矩；第二階段在兩根樁上加80噸軸向荷載，并研究這個(gè)荷載對(duì)負(fù)表面摩擦力的影響；第三階段在兩根樁周圍鋪上2米厚、面積為40米×40米的碎石填料，這項(xiàng)研究將于1973年完成。

負(fù)表面摩擦土質(zhì)情況

試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)40米深度內(nèi)為正常固結(jié)的軟粘土，其下為粉土和砂，地表土的不排水抗剪強(qiáng)度為1.5噸/米²，到地下35米處增加到5.0噸/米²。地下水位與地面平齊，粘土的敏感度在15和20之間。

負(fù)表面摩擦試驗(yàn)樁與量測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)采用兩根截面為800厘米²、周長(zhǎng)為106厘米的六角形鋼筋混凝土Herhules型樁。每根樁由11.2米長(zhǎng)的數(shù)段組成。底節(jié)裝有硬質(zhì)鉆巖鋼尖。樁中心設(shè)有薄壁鋼管，內(nèi)徑為42毫米，樁打入后沿管插入變位計(jì)。樁力計(jì)的電纜通過電纜管引出樁尖。澆注28天后測(cè)定樁身混凝土的平均立方塊強(qiáng)度為607公斤/厘米²。骨架用6根直徑為16毫米、屈服強(qiáng)度為60公斤/毫米²的鋼筋。樁截面的斷裂彎矩超過8.5噸米。打樁時(shí)用硬鋼連結(jié)件在現(xiàn)場(chǎng)將樁接起來。打樁數(shù)據(jù)表明，這些樁具有摩擦兼端承樁的作用。PⅠ樁打得比較直，測(cè)斜儀測(cè)定樁尖從其予計(jì)位置橫向偏高1.4米。PⅡ樁的樁尖偏高6.2米，靠樁尖處軸線的最小半徑為170米。實(shí)驗(yàn)表明，半徑達(dá)50~100米時(shí)。將發(fā)生彎曲斷裂。

打樁引起土的移動(dòng)，試驗(yàn)測(cè)定了這些移動(dòng)。還測(cè)得很高的超孔隙壓力。

打樁使靠近樁的地面隆起20毫米，但是隨著樁的深度增加，隆起降低，測(cè)定了深度5~6米以下土的沉降，最大的沉降(50毫米)發(fā)生在靠樁PⅡ11米深處。

打樁前測(cè)得孔隙水壓力與地下水位相當(dāng)。位于地面下20.3米深處儀表的讀數(shù)表明，打樁使孔隙水壓力大大增加。最大總孔隙水壓力為40噸/米²，而相應(yīng)的總垂直過載壓力為32.9噸/米²，因此所測(cè)孔隙壓力超過總過載壓力20%，距離試樁幾米遠(yuǎn)，30.5米深處的孔隙壓力則增加很少。

每接一根新樁段時(shí)測(cè)定一次樁中的力，測(cè)定結(jié)果表明．樁打入后，樁中的力大約等于或稍微小于樁的自量，因此，打樁不會(huì)產(chǎn)生任何“鎖”在樁中的軸向力。

直樁PⅠ中的彎矩是很小的，在0.4和1.3噸米之間變化。PⅠ樁彎曲較大，測(cè)到較大數(shù)值距樁尖12米，位于粘土與粉土和砂的交界面處，樁的彎矩為3.2噸米，相應(yīng)的樁軸曲率半徑為170米，這個(gè)數(shù)值相當(dāng)于斷裂值的35%左右。深度30米和20米附近處的彎矩分別為0.9和2.4噸米，而相應(yīng)的曲率半徑為220和190米。

打樁使用周圍的粘土受到擾動(dòng)，予計(jì)擾動(dòng)粘土的重新固結(jié)將引起土的沉降并在樁中產(chǎn)生向下的力。為了研究這種現(xiàn)象，在打樁后的五個(gè)月內(nèi)定期觀測(cè)各種儀表的讀數(shù)。

沉降儀表表明土的移動(dòng)很小，所記錄到的沉降在1～3毫米之間。

測(cè)得位于20.3米深處的超孔隙水壓力隨時(shí)間而消失，打樁150天后超孔隙水壓力為零。

樁內(nèi)軸向力隨時(shí)間而變化，打樁后，軸向荷載迅速增加，兩至三周后增加的速度緩慢下來，大約八周后，上部樁的荷載增加很小。量測(cè)結(jié)果表明，樁剛打入時(shí)樁中應(yīng)力比樁的自重小，但隨著時(shí)間而增加，打樁144天后，在粘土層與粉土層之交界處的樁荷載超過樁自重25～30噸，并且在打樁五個(gè)月后仍然增加。測(cè)定表明，表面摩擦力從地面為零變化到40米深處的1.4噸/米²，基本是直線上升。在此深度以下的表面摩擦阻力是正的。負(fù)表面摩擦力相當(dāng)于粘土的不排水抗剪強(qiáng)度的17%或?yàn)橥恋挠行Сd壓力的5%。

負(fù)表面摩擦結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)表面摩擦力是由于打樁使周圍粘土的重塑和重固結(jié)而引起的，甚至土的沉降很小也會(huì)引起負(fù)表面摩擦力。五個(gè)月后所測(cè)到的負(fù)表面摩擦力相當(dāng)于粘土的平均不排水抗剪強(qiáng)度的17%，或?yàn)槠淦骄行Сd壓力的5%，負(fù)摩擦所引起的軸向力被樁下部的粘土與砂層中的正表面摩擦力所抵消。予計(jì)在這個(gè)地區(qū)鋪填2米厚的碎石填料時(shí)，無疑還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的負(fù)表面摩擦力。

單樁的承載力，在一般情況下都取決于土對(duì)樁的阻力。土對(duì)樁的阻力，由樁側(cè)表面摩阻力

負(fù)表面摩擦樁周表面摩阻力

樁受荷載作用后，隨著樁的下沉，樁與樁周土之間出現(xiàn)相對(duì)位移，產(chǎn)生土對(duì)樁的表面摩阻力。這種表面摩阻力可能有兩種情況：對(duì)較軟的土層而言，由相對(duì)位移而產(chǎn)生的剪切面常出現(xiàn)在樁表面附近的土體內(nèi)，這時(shí)研究樁周表面摩阻力，實(shí)質(zhì)上就是研究土沿著樁身的極限抗剪強(qiáng)度；對(duì)較硬土層， 面常產(chǎn)生在樁與土的接觸面上，這是表面摩擦阻力要略小于土的抗剪強(qiáng)度。

樁與土之間的摩阻力的大小，顯然與相對(duì)位移的大小有關(guān)。因?yàn)橥潦芗羟袝r(shí)，翦切阻力隨剪切變形的發(fā)展而增大，當(dāng)剪切變形達(dá)某一數(shù)值(如6～9mm)時(shí)，剪切阻力達(dá)到極限值。剪切變形繼續(xù)增加，剪切阻力就不再增大。因此，當(dāng)樁的位移足夠大時(shí)，摩阻力將達(dá)到極限值（如圖1）。

在勻質(zhì)土中樁周摩擦力承拋物線分布，如圖2。

負(fù)表面摩擦樁尖土的阻力

作用在樁頂上的載荷

當(dāng)荷載增大到破壞荷載時(shí)，樁發(fā)生劇烈的不停滯的下沉，樁尖下土層發(fā)生大量的塑性變形，土中形成連續(xù)的滑動(dòng)面，由于樁的入土深度與其斷面尺寸相比是很大的，故樁尖下的滑動(dòng)土體受著上部土的壓力不會(huì)有很大的向上擠起。

樁尖支承阻力的最大值即樁尖下土體的極限承載力，可以用深基礎(chǔ)的極限荷載理論來確定，但是，已有的理論公式并不理想，使用上常受到限制。所以，目前常用其他方法來確定。

樁尖的支承阻力通常假定為均勻分布。 2100433B

當(dāng)樁被打入黏土之中，若地表對(duì)樁做相對(duì)沉陷，則樁承受的載重，除結(jié)構(gòu)載重外，還有負(fù)表面摩擦力。造成地表沉陷的原因，可能為加上去的填土，地下水位降低，樁貫入所引起的黏土攪動(dòng)的結(jié)果等。

在下面的支撐土壤，由于負(fù)表面摩擦力所增加的載荷，可能大到促使樁材料產(chǎn)生超限應(yīng)力，或?qū)е麓罅砍料荩踔疗茐摹?/p>

當(dāng)出現(xiàn)沿樁長(zhǎng)一定范圍（或整個(gè)）內(nèi)側(cè)摩阻力方向與外荷載方向相同時(shí)，該側(cè)阻力稱為負(fù)摩阻力，相應(yīng)的樁稱為負(fù)摩擦樁。2100433B

固體表面之間的摩 擦力的來因有兩個(gè)：固體表面的分子之間相互的吸引力（膠力）和它們之間的表面粗糙所造成的互相之間的卡住?；瑒?dòng)摩擦 　F=mucdotF_N 　滑動(dòng)摩擦力總是比最大靜摩擦力要小。它由垂直于摩擦面的壓力FN和滑動(dòng)摩擦系數(shù)

如果兩表面互為靜止，那兩表面間的接觸地方會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)結(jié)合力－靜摩擦力，除非破壞了這結(jié)合力才能使一表面對(duì)另一表面運(yùn)動(dòng)，破壞這結(jié)合力－運(yùn)動(dòng)前的力－對(duì)其一表面的垂直力之比值叫做靜摩擦系數(shù)μs，物體外表面與其他物體間產(chǎn)生摩擦系數(shù)稱為外表面摩擦系數(shù)。

摩擦系數(shù)也被稱為滑爽度，依運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，它可分為動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)。摩擦存在于萬物中，我們走路、開車、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、滑動(dòng)手機(jī)屏幕等無時(shí)無刻不存在摩擦。而摩擦系數(shù)正是反應(yīng)這種摩擦現(xiàn)象的基本參數(shù)。

摩擦系數(shù)主要是接觸材料、界面粘染物或面潤(rùn)滑劑的一個(gè)特征，根據(jù)現(xiàn)代摩擦力理論，摩擦是接觸表面原子之間的附著力引起的，當(dāng)兩物體相互接觸時(shí)，首先是凸起部分表面原子相當(dāng)?shù)亟咏纬稍渔I，其強(qiáng)度與固體內(nèi)部使自己聚集在一起的原子鍵的強(qiáng)度相當(dāng)。表面如果非常潔凈、接觸非常緊密，兩個(gè)互相接觸的表面會(huì)粘附得非常牢固，在發(fā)生明顯滑動(dòng)之前出現(xiàn)"接點(diǎn)增長(zhǎng)"，接點(diǎn)面積不斷增大，直到整個(gè)幾何接觸面積成為巨大的接觸點(diǎn)，這時(shí)摩擦力很大，甚至?xí)^正壓力，摩擦系數(shù)可以等于、大于1，甚至更大。美國C ·基特爾等著的《伯克利物理學(xué)教程》第一卷《力學(xué)》上有一表格記載有：銅與銅靜摩擦系數(shù)是1.6，橡皮與固體靜摩擦系數(shù)是1.0 ～4.0 。以上均可表明摩擦系數(shù)可以等于或大于1。