负表面摩擦

瑞士中部和西南部的广大地区复盖着一层很厚的正常固结的软粘土。建筑物二般都来用端承桩。通常在大城市中心部分出现的地下水位降低，形成桩的负表面摩擦力，从而别起沉降与桩尖负荷增加。负表面摩擦力与土的不排水抗剪强度、有效超载压力、沉降以及桩的打入等方面间的关系，都存在着很多问题。为了解决其中的某些问题，于1966年开展了此顼研究。

试验分为三阶段：第一阶段观测两根穿过正常固结粘土打入粉土和砂中的长桩，在打桩期间与打入后的负表面摩擦力的分布与弯矩；第二阶段在两根桩上加80吨轴向荷载，并研究这个荷载对负表面摩擦力的影响；第三阶段在两根桩周围铺上2米厚、面积为40米×40米的碎石填料，这项研究将于1973年完成。

负表面摩擦土质情况

试验场区40米深度内为正常固结的软粘土，其下为粉土和砂，地表土的不排水抗剪强度为1.5吨/米²，到地下35米处增加到5.0吨/米²。地下水位与地面平齐，粘土的敏感度在15和20之间。

负表面摩擦试验桩与量测结果

试验采用两根截面为800厘米²、周长为106厘米的六角形钢筋混凝土Herhules型桩。每根桩由11.2米长的数段组成。底节装有硬质钻岩钢尖。桩中心设有薄壁钢管，内径为42毫米，桩打入后沿管插入变位计。桩力计的电缆通过电缆管引出桩尖。浇注28天后测定桩身混凝土的平均立方块强度为607公斤/厘米²。骨架用6根直径为16毫米、屈服强度为60公斤/毫米²的钢筋。桩截面的断裂弯矩超过8.5吨米。打桩时用硬钢连结件在现场将桩接起来。打桩数据表明，这些桩具有摩擦兼端承桩的作用。PⅠ桩打得比较直，测斜仪测定桩尖从其予计位置横向偏高1.4米。PⅡ桩的桩尖偏高6.2米，靠桩尖处轴线的最小半径为170米。实验表明，半径达50~100米时。将发生弯曲断裂。

打桩引起土的移动，试验测定了这些移动。还测得很高的超孔隙压力。

打桩使靠近桩的地面隆起20毫米，但是随着桩的深度增加，隆起降低，测定了深度5~6米以下土的沉降，最大的沉降(50毫米)发生在靠桩PⅡ11米深处。

打桩前测得孔隙水压力与地下水位相当。位于地面下20.3米深处仪表的读数表明，打桩使孔隙水压力大大增加。最大总孔隙水压力为40吨/米²，而相应的总垂直过载压力为32.9吨/米²，因此所测孔隙压力超过总过载压力20%，距离试桩几米远，30.5米深处的孔隙压力则增加很少。

每接一根新桩段时测定一次桩中的力，测定结果表明．桩打入后，桩中的力大约等于或稍微小于桩的自量，因此，打桩不会产生任何“锁”在桩中的轴向力。

直桩PⅠ中的弯矩是很小的，在0.4和1.3吨米之间变化。PⅠ桩弯曲较大，测到较大数值距桩尖12米，位于粘土与粉土和砂的交界面处，桩的弯矩为3.2吨米，相应的桩轴曲率半径为170米，这个数值相当于断裂值的35%左右。深度30米和20米附近处的弯矩分别为0.9和2.4吨米，而相应的曲率半径为220和190米。

打桩使用周围的粘土受到扰动，予计扰动粘土的重新固结将引起土的沉降并在桩中产生向下的力。为了研究这种现象，在打桩后的五个月内定期观测各种仪表的读数。

沉降仪表表明土的移动很小，所记录到的沉降在1～3毫米之间。

测得位于20.3米深处的超孔隙水压力随时间而消失，打桩150天后超孔隙水压力为零。

桩内轴向力随时间而变化，打桩后，轴向荷载迅速增加，两至三周后增加的速度缓慢下来，大约八周后，上部桩的荷载增加很小。量测结果表明，桩刚打入时桩中应力比桩的自重小，但随着时间而增加，打桩144天后，在粘土层与粉土层之交界处的桩荷载超过桩自重25～30吨，并且在打桩五个月后仍然增加。测定表明，表面摩擦力从地面为零变化到40米深处的1.4吨/米²，基本是直线上升。在此深度以下的表面摩擦阻力是正的。负表面摩擦力相当于粘土的不排水抗剪强度的17%或为土的有效超载压力的5%。

负表面摩擦结论

试验结果表明，负表面摩擦力是由于打桩使周围粘土的重塑和重固结而引起的，甚至土的沉降很小也会引起负表面摩擦力。五个月后所测到的负表面摩擦力相当于粘土的平均不排水抗剪强度的17%，或为其平均有效超载压力的5%，负摩擦所引起的轴向力被桩下部的粘土与砂层中的正表面摩擦力所抵消。予计在这个地区铺填2米厚的碎石填料时，无疑还会产生相当高的负表面摩擦力。

单桩的承载力，在一般情况下都取决于土对桩的阻力。土对桩的阻力，由桩侧表面摩阻力

负表面摩擦桩周表面摩阻力

桩受荷载作用后，随着桩的下沉，桩与桩周土之间出现相对位移，产生土对桩的表面摩阻力。这种表面摩阻力可能有两种情况：对较软的土层而言，由相对位移而产生的剪切面常出现在桩表面附近的土体内，这时研究桩周表面摩阻力，实质上就是研究土沿着桩身的极限抗剪强度；对较硬土层， 面常产生在桩与土的接触面上，这是表面摩擦阻力要略小于土的抗剪强度。

桩与土之间的摩阻力的大小，显然与相对位移的大小有关。因为土受剪切时，翦切阻力随剪切变形的发展而增大，当剪切变形达某一数值(如6～9mm)时，剪切阻力达到极限值。剪切变形继续增加，剪切阻力就不再增大。因此，当桩的位移足够大时，摩阻力将达到极限值（如图1）。

在匀质土中桩周摩擦力承抛物线分布，如图2。

负表面摩擦桩尖土的阻力

作用在桩顶上的载荷

当荷载增大到破坏荷载时，桩发生剧烈的不停滞的下沉，桩尖下土层发生大量的塑性变形，土中形成连续的滑动面，由于桩的入土深度与其断面尺寸相比是很大的，故桩尖下的滑动土体受着上部土的压力不会有很大的向上挤起。

桩尖支承阻力的最大值即桩尖下土体的极限承载力，可以用深基础的极限荷载理论来确定，但是，已有的理论公式并不理想，使用上常受到限制。所以，目前常用其他方法来确定。

桩尖的支承阻力通常假定为均匀分布。 2100433B

当桩被打入黏土之中，若地表对桩做相对沉陷，则桩承受的载重，除结构载重外，还有负表面摩擦力。造成地表沉陷的原因，可能为加上去的填土，地下水位降低，桩贯入所引起的黏土搅动的结果等。

在下面的支撑土壤，由于负表面摩擦力所增加的载荷，可能大到促使桩材料产生超限应力，或导致大量沉陷，甚至破坏。

当出现沿桩长一定范围（或整个）内侧摩阻力方向与外荷载方向相同时，该侧阻力称为负摩阻力，相应的桩称为负摩擦桩。2100433B

固体表面之间的摩 擦力的来因有两个：固体表面的分子之间相互的吸引力（胶力）和它们之间的表面粗糙所造成的互相之间的卡住。滑动摩擦 　F=mucdotF_N 　滑动摩擦力总是比最大静摩擦力要小。它由垂直于摩擦面的压力FN和滑动摩擦系数

如果两表面互为静止，那两表面间的接触地方会形成一个强结合力－静摩擦力，除非破坏了这结合力才能使一表面对另一表面运动，破坏这结合力－运动前的力－对其一表面的垂直力之比值叫做静摩擦系数μs，物体外表面与其他物体间产生摩擦系数称为外表面摩擦系数。

摩擦系数也被称为滑爽度，依运动的性质，它可分为动摩擦系数和静摩擦系数。摩擦存在于万物中，我们走路、开车、发动机运转、滑动手机屏幕等无时无刻不存在摩擦。而摩擦系数正是反应这种摩擦现象的基本参数。

摩擦系数主要是接触材料、界面粘染物或面润滑剂的一个特征，根据现代摩擦力理论，摩擦是接触表面原子之间的附着力引起的，当两物体相互接触时，首先是凸起部分表面原子相当地接近形成原子键，其强度与固体内部使自己聚集在一起的原子键的强度相当。表面如果非常洁净、接触非常紧密，两个互相接触的表面会粘附得非常牢固，在发生明显滑动之前出现"接点增长"，接点面积不断增大，直到整个几何接触面积成为巨大的接触点，这时摩擦力很大，甚至会超过正压力，摩擦系数可以等于、大于1，甚至更大。美国C ·基特尔等著的《伯克利物理学教程》第一卷《力学》上有一表格记载有：铜与铜静摩擦系数是1.6，橡皮与固体静摩擦系数是1.0 ～4.0 。以上均可表明摩擦系数可以等于或大于1。