单桩承载力定义.doc

单桩承载力定义：
　　单桩在荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。
　　一般情况下，桩受到轴向力、横轴向力及弯矩作用，因此须分别研究和确定单桩的轴向承载力和横轴向承载力。
　　桩的承载力是桩与土共同作用的结果，了解单桩在轴向荷载下桩土间的传力途径、单桩承载力的构成特点以及单桩受力破坏形态等基本概念，将对正确确定单桩承载力有指导意义。
编辑本段意义
一、单桩轴向荷载传递机理和特点
　　桩在轴向压力荷载作用下，桩顶将发生轴向位移(沉降)=桩身弹性压缩+桩底土层压缩之和置于土中的桩与其侧面土是紧密接触的，当桩相对于土向下位移时就产生土对桩向上作用的桩侧摩阻力。桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断地克服这种摩阻力，桩身轴向力就随深度逐渐减小，传至桩底轴向力也即桩底支承反力，桩底支承反力=桩顶荷载-全部桩侧摩阻力
　　桩顶荷载是桩通过桩侧摩阻力和桩底阻力传递给土体。
　　土对桩的支承力=桩侧摩阻力+桩底阻力
　　桩的极限荷载(或称极限承载力)=桩侧极限摩阻力+桩底极限阻力
　　桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不相同的。
　　试验表明：桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，在粘性土中约为桩底直径的25%，在砂性土中约为8%~10%，而桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥，具体数量目前认识尚不能有一致的意见，但一般认为粘性土为4～6mm，砂性土为6~10mm。
　　柱桩：由于桩底位移很小，桩侧摩阻力不易得到充分发挥。对于一般柱桩，桩底阻力占桩支承力的绝大部分，桩侧摩阻力很小常忽略不计。但对较长的柱桩且覆盖层较厚时，由于桩身的弹性压缩较大，也足以使桩侧摩阻力得以发挥，对于这类柱桩国内已有规范建议可予以计算桩侧摩阻力。
　　摩擦桩： 桩底土层支承反力发挥到极限值，则需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来，然后桩底阻力才逐渐发挥，直至达到极限值。对于桩长很大的摩擦桩，也因桩身压缩变形大，桩底反力尚未达到极限值，桩顶位移已超过使用要求所容许的范围，且传递到桩底的荷载也很微小，此时确定桩的承载为时桩底极限阻力不宜取值过大。
　　桩侧摩阻力=f(土间的相对位移，土的性质， 桩的刚度，时间，土中应力状态，桩的施工）
　　桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切问题。
　　桩侧土极限摩阻力值∝桩侧土的剪切强度
　　桩侧土的剪切强度=f(类别、性质、 状态和剪切面上的法向应力)
　　桩的刚度较小时，桩顶截面的位移较大而桩底较小，桩顶处桩侧摩阻力常较大；当桩刚度较大时，桩身各截面位移较接近，由于桩下部侧面土的初始法向应力较大，土的抗剪强度也较大，以致桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。
　　由于桩底地基土的压缩是逐渐完成的，因此桩侧摩阻力所承担荷载将随时间由桩身上部向桩下部转移。在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质、状态在一定范围内会有变化，影响脏侧摩阻力，并且往往也有时间效应。影响桩侧摩阻力的诸因素中，土的类别、性状是主要因素。
　　在分析基桩承载力等问题时，各因素对桩侧摩阻力大小与分布的影响，应分别情况予以注意。在塑性状态粘性上中打桩，在桩侧造成对土的扰动，再加上打桩的挤压影响会在打桩过程中使桩周围土内孔隙水压力上升，土的抗剪强度降低，桩侧摩阻力变小。待打桩完成经过一段时间后，超孔隙水压力逐渐消散，再加上粘土的触变性质，使桩周围一定范围内的抗剪强度不但能得到恢复，而且往往还可能超过其原来强度，桩侧摩阻力得到提高。
　　在砂性上中打桩时，桩侧摩阻力的变化与砂土的初始密度有关，如密实砂性上有剪胀性会使摩阻力出现峰值后有所下降。
　　桩侧摩阻力的大小及其分布决定着桩身轴向力随深度的变化及数值，因此掌握、了解桩侧摩阻力的分布规律，对研究和分析桩的工作状态有重要作用。由于影响桩侧摩阻力的因素即桩土间的相对位移、土中的侧向应力及上质分布及性状均随深度变比，因此要精确地用物理力学方程描述桩侧摩阻力沿深度的分布规律较复杂。
　　如图所示两例来说明其分布变化。
　　其中
　　a) 为上海某工程钢管打入桩实测资料,在粘性土中的打入桩的惦侧摩阻力沿深度分布的形状近乎抛物线，在桩顶处的摩阻力等于零，桩身中段处的摩阻力比桩的下段大。现常近似假设打入桩桩侧摩阻力在地面处为零，
　　b) 图为我国某工程钻孔灌注桩实测资料，从地面起的桩侧摩阻力呈线性增加，其深度仅为桩径的5一10倍，而沿桩长的摩阻力分布则比较均匀。而对钻孔灌注桩则近似假设桩侧摩阻力沿桩身均匀分布。

桩底阻力=f (土的性质，持力层上覆荷载，桩径，桩底作用力、时间及桩底端进持力层深度）
　　桩底地基土的受压刚度和抗剪强度大则桩底阻力也大，桩底极限阻力取决于持力层土的抗剪强度和上覆荷载及桩径大小的影响。由于桩底地基土层受压固结作用是逐渐完成的，桩底阻力将随土层固结度提高会随着时间而增长。
　　模型和现场的试验研究表明，桩的承载力(主要是桩底阻力)随着桩的入土深度，特别是进入持力层的深度而变化。这种特性称为深度效应，桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩底阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度h。
　　h与持力层的上覆荷载和持力层土的密度有关。 上部荷载越小、持力层土密度越大，则h越大。
　　当持力层下为软弱土层也存在一个临界厚度tc 当桩底下卧软弱层顶面的距离t≤tc时，桩底阻力将随着t的减小而下降，持力层土密度越高、桩径越大，则tc越大。
　　由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时，要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层的深度和桩底下硬层的厚度。必须指出，群桩的深度效应概念与上述单桩不同。在均匀砂或有覆盖层的砂层中，群桩的承载力始终随着桩进入持力层的深度而增大，不存在临界深度，当有下卧软弱土层时，软弱土对单桩的影响更大。
　　第一种情况：
　　当桩底支承在很坚硬的地层，桩侧土为软上层其抗剪强度很低时，（如图a)，桩在轴向受压荷载作用下，如同一根压杆似地出现纵向挠曲破坏。在荷载-沉降(P-s)曲线上呈现出明确的破坏荷载。桩的承载力取决于桩身的材料强度。

第二种情况：
　　当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时(如图b)，桩在轴向受压荷载作用下，桩底土体能形成滑动面出现整体剪切破坏，这是因为桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成。在PT曲线上可求得明确的破坏荷载。桩的承载力主要取于桩底士的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。

第三种情况：当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时(如图c)，桩在轴向受压荷载作用下，将会出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同，试验中得到的P-S曲线上可能没有明显的转折点或有明显的转折点(表示破坏荷载)。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同支承，即一般所称摩擦桩或几乎全由桩侧摩阻力支承即纯摩擦桩。

单桩轴向容许承载力：
　　单桩在轴向荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩轴向极限承载力(极限桩侧摩阻力与极限桩底阻力之和）考虑必要的安全度后求得的。
　　确定方法有多种 ，考虑地基土具有多变性、复杂性和地域性，几种方法作综合考虑和分析，合理地确定。
单桩承载力试验方法探讨
单桩竖向承载力反映了桩在竖向承载力作用下，不丧失稳定、不造成破坏、不产生过大变形时的最大荷载，其大小取决于桩身所处的地质情况和桩的本身性能等。如何确定桩的承载力一直是桩基工程的重要课题。迄今为止，确定桩基承载力的方法大体可分为两类(如表1)：（1）直接法——通过对实际桩进行动的或静的现场试验来确定，如静载试验，动力测桩法等；（2）间接法——通过其它手段，分别得到桩端阻力和桩身阻力后相加求得，无需对桩进行试验，如承载力理论公式法及原位测试中的标准贯入法、静力触探法，旁压试验法等。间接法一般比直接法简单，但因不是在具体桩上取得数据，故可靠性较差，一般只用于初步设计中作为估算桩承载力的一种手段。本文着重探讨第一类方法。
单桩承载力确定方法分类 表1

1. 动力测定桩承载力的方法
桩基动测法是基于动力理论和桩土结构的边界条件而建立起来的，其承载力的测试结果在精度方面还不能令人们满意，但是它却因操作简单快速，不完全受场地条件的限制，且大都能准确地进行桩基完整性检测而被广泛应用。
动力测桩法一般是在桩顶作用一动荷载，如瞬态竖向作用力或简谐振动力等，使桩产生显著的加速度和土阻尼效应。在桩侧安装力、速度、加速度或位移传感器，以量测桩土系统的振动响应，用波动理论分析和研究应力波沿桩土系统的传递和反射，并用以下三种方法对所采集的信号进行分析和处理：(1)时域波形分析；(2) 频域波形分析；(3) 传递函数分析，从而判断桩身阻抗变化和确定单桩承载力。按测试时土的动应变大小，动测法又可分为低(小)应变动测法和高(大)应变动测法两类。
1.1　低应变动测法
低应变动测法测桩时，土应变基本处于弹性阶段。用于确定单桩承载力的低应变动测法主要有：
(1)水电效应法
水电效应法是利用大电流脉冲放电原理，在桩顶面临时安装一个刚性水管，装满水，在水管中放一个电极，以瞬间放电产生宽频带窄脉冲荷载作用于桩顶面，根据水声法收到振动响应信息来判断桩的完整性和计算单桩承载力。
(2)动力参数法
通过简便的敲击，激起桩上体系的竖向自由振动，实测桩的基本自振频率，或同时测定桩的频率和桩顶动速度，根据单自由度弹性体系振动理论，推算出单桩动刚度，再进行适当的动静对比修正，换算成单桩竖向承载力的推算值。
(3)球击频率分析法　
球击法假定桩为具有弹性支撑的刚体，桩周土及桩端土为无质量的弹簧，当桩体在单脉冲激振力作用下产生振动时，土桩将一起振动，由此求得桩体的自振频率和响应频率，然后结合桩周土的内摩擦角和桩土各自容重估算单桩承载力。
　　(4)共振法　
此法利用桩土体系在纵向力振动下，频率逐渐递增，测量桩土的共振频率和振动波在体系中的传播特性，由此计算桩体弹性系数及刚度系数，进而推算单桩承载力。
（5）机械阻抗法　
机械阻抗法是一种结构动态分析方法，它通过测定施加给桩的激励函数和桩的动态响应函数来识别桩的动态特性。而桩的动态特性与桩身混凝土的完整性和桩土相互作用的特性密切相关。此法或采用扫频激振的方法进行稳态激振，或采用冲击方法进行瞬态激振，测取桩土体系的动刚度，按下式估算单桩容许承载力，式中，为桩的动静对比系数，为容许沉降。
至于低应变法能否用来确定桩承载力，一直是一个争论焦点。而有些学者则认为，使土产生足够大的塑性变形是用任何方法直接测定桩承载力的必要条件，低应变法根本没有也无法在一定程度上激发桩周土的阻力并加以实测，实测的仅是桩土系统的某些动力参数，然后经过经验来估算承载力，所提供的桩承载力绝非实测的承载力。低应变法的不可靠性已经受到了很大的关注，有学者归纳其原因为：①测试方法，测试设备有待改进；②所依托的理论模式本身有问题。总的来说，现在工程界对于低应变法估算桩承载力持否定态度者占主导地位，应该加强桩基检测工作管理，对桩基检测单位进行资格审查。
1.2 高应变动测法
高应变动测法就是用高能量的冲击荷载考核桩土体系。一般说来，冲击下桩身瞬时动应变峰值要和静载荷试验至极限承载力时的静应变值大体相当。在这种情况下，桩主体系进入充分的非弹性工作阶段，桩和桩周土之间出现瞬时的剪切破坏模式，从而相当充分地激发桩周土对桩的全部阻力作用。因此，它实际上仍属于荷载试验的范畴，只是利用快速施加的动荷载取代了缓慢的静荷载。
高应变动测的特点是：① 高应变动测既能确定单桩竖向承载力，又能检测桩身结构完整性。② 监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。③ 和静载相比，高应变动测经济快捷，可填补许多静载试验所无法做到的空白 (受条件和环境的限制无法进行静载试验、对工程桩的大面积质量普查等)。④ 高应变检测特别是在判定预制桩接头问题、多道缺陷等情况时，能够在查明这些缺陷是否影响竖向抗压承载力的基础上，合理判定缺陷程度。
高应变动测法主要有：
　　（1） 波动方程法　
此法采用重锤敲击桩顶，使桩产生贯入度。以一维波动方程为基础，将桩土系统简化为分离单元模式，以锤速或实测锤击力作为初始条件，用计算机程序进行计算，预测单桩极限承载力。
　　（2）锤贯法　
此法根据桩被贯入时的贯入阻力来反映承载力的大小。试验时每桩落距由低到高击5～12击，量测每锤的动荷载Qd和相应的贯入度Sd,当用Qd～ΣSd曲线法分析时，可以和静荷载试验的Q～S曲线一样确定极限承载力。
　　（3）动静试桩法
由加拿大伯明桩锤公司和荷兰建筑与施工技术公司联合研制，它通过特殊的装置改变动测中冲击力为缓慢荷载，将动力试桩时的荷载作用时间1～20ms，延续到200～600ms，从而获得可分解的荷载试验曲线，最终通过分析处理得到Q～S曲线确定单桩承载力。
由于高应变法测桩时，桩周土已达到塑性变形，克服了低应变法最易受指责的缺陷，所以被认为是一种可行的确定桩承载力的方法。但动测法是通过短暂的瞬态荷载预测桩的长期荷载，由于土的阻尼作用，必然产生动阻力，在确定静阻力时要扣除动阻力部分，同时计算过程都是把桩土系统用一定的模式进行简化，另外，还有别的原因，所以，动测法的精度是无法和传统静载压桩试验相比的。具体说，高应变法误差的主要来源有：(1) 测试误差；(2) 计算误差；(3) 与桩土相互作用机理不符合时引起的误差；(4) 桩未被打动时的误差；(5) 时效问题等。
以应力波理论为基础的高应变法，目前已被国际上公认为最先进的动测法。但是分析计算中不少桩土参数仍靠经验决定。能否将参数的选值与土工常规试验联系起来，并以新的数学模型更好地模拟桩端周围土体受力后的性状，是进一步提高高应变法精度的关键。
2.静力载荷试验测定桩承载力方法
2.1 静力荷载试验分类
单桩静载试验的目的是以实测桩的荷载沉降关系为实质，以测定单桩承载力和观测桩的破坏形式为目的具体表现形式。单桩承载力最直接最可靠的检测方法是静荷载试验。我国与许多国家现行地基基础规范和工程实践均将静荷载试验置于优先地位，作为工程中的标准试验方法，并是其它检测方法的比较依据。
　　静荷载试验装置包括：加载系统、量测系统、反力系统等，其中反力系统常用的有：锚桩、锚杆、堆载或联合反力系统等。以荷载增加方法划分，静荷载试验法主要有：慢速维持荷载法、快速维持荷载法，等贯入速率法、循环加载卸载试验法及其他试验方法，如跑桩法等。
（1） 慢速维持荷载法　该法是国内外常用的方法，具体操作是：按一定要求将荷载分级加到试桩上，每级荷载维持不变直至桩顶下沉量随时间增量达到某一规定的终止试验条件时，便停止加载，再分级卸载直至零。
（2） 快速维持荷载法　试验时，桩顶沉降观测不要求相对稳定，而以等时间间隔连续加载。一般采用1h加一级荷载，每级荷载下，快速维持荷载法的沉降量要小于慢速维持荷载法的沉降量，一般偏小约5％～10％。因而快速维持荷载法的极限承载力比慢速法偏高10％左右，快速加载下得到的极限荷载乘以一定的修正系统可转换成慢速加载时的极限荷载。但此法可以缩短试桩周期。
(3) 等贯入速率法　试验加载时，保持桩顶沉降量等速率贯入土中，连续施加荷载，按荷载～沉降曲线确定极限荷载。对于粘性土贯入速率一般为0.25～1.2mm/min；对于砂性土贯入速率一般为0.75～2.5mm/min。试验一般进行到累计贯入量50～75mm，或等于平均桩径的15％，也可以加到设计荷载的3倍或试桩反力系统的最大能力，试验一般在1～3h可完成。
(4) 循环加载卸载试验法 此法在国外用的较多，通过试验能测到循环荷载的残余下沉量和弹性变形。在慢速荷载法中以部分荷载进行加载卸载循环，有的对每一级荷载达到相对稳定后重复加卸载，有的以快速法为基础对每一级荷载进行重复加卸载循环。
2.2 静载荷试桩法的缺陷
尽管静载试验是确定桩基承载力最为直观、可靠的方法，但是作为一种测试技术，它难免会有一些缺陷。
（1）静载试验消耗较大
单桩静载试验费用、时间、人力消耗都比较高。
（2）试验结果存在一定误差
由于试验本身的荷载分级问题使荷载试验的误差在5％～10％之间。
（3）试验桩的代表性问题
试验桩往往需事先设定，而不是随机调查，极有可能试它在施工过程中受到特殊照顾，因此试桩施工质量的优劣，桩体本身完整性如何等等，都将影响到其代表性。
静载试验的发展将促进其它方法的发展。应充分认识到，在工程中进行足够的静载试桩，取得完整可靠的承载力参数将会给设计带来巨大的经济效益和避免工程的潜在不安全因素，而且还能积累经验促进试桩法(如动测法)的发展。
3. Osterberg测桩法
Osterberg把桩的侧阻和端阻互为反力，无需专门的反力系统，提出了“自锚式”试桩法，被认为是静载试桩法的一大突破。
Osterberg测桩法检测钻孔灌注桩单桩承载力的原理(图1)，是在桩底预先放置一个直径稍小于桩径的，可上下膨胀的压力室，试验时给压力室加压，使桩身获得向上的托力，同时桩端获得向下的压力，桩尖位移和桩身位移的量测采用分离独立系统，仪表①通过连接在桩底部的细杆量测桩尖的向下位移量，仪表②量测桩身的向上位移量。因而分别直接测定桩侧阻和端阻和相应位移的关系，由此验证桩的承载力是否满足设计的要求。这是一种很巧妙的测桩方法，比传统的静载测桩法省力、省钱、省时，又比动测法直接可靠，利用桩的自重和摩阻力作为自锚反力，可得到很高的试验荷载，这一点对于大型桩(墩)尤其意义重大。

图1 Osterberg测桩法示意图
Osterberg试桩法的主要装置是经特别设计的液压千斤顶式的荷载箱。荷载箱一般安设于桩身底部，对打入桩随桩而打入土中，灌注桩将它与钢筋笼相焊接而沉入桩孔，故也称为“桩底加载法”，相对而言，传统的试桩法便成了“桩顶加载法”。根据压力表和百分表的读数，绘制相应的向上的力与位移关系图和向下的力与位移关系图，利用桩身弹性模量估算桩侧阻力沿桩身的分布。
Osterberg测桩法的若干理论问题：
（1）Osterberg测桩法的桩受力机制与传统的压桩试验中桩的受力机制不太相同，传统压桩试验中，桩侧摩阻力由桩顶部附近土层向下逐渐发展，且摩阻力方向向上。而Osterberg法的摩阻力是由桩底部向上发展且方向向下。这也和抗拔桩以及因地层沉降引起的向下摩阻力不太一样。事实上，桩土间的摩阻力会因方向不同、应力路径不同而异。对此Osterberg曾做了对比试验，结果表明，在粘性土层中桩侧向上的摩阻力基本上与向下的摩阻力相等；砂性土中向上的摩阻力略大于向下的摩阻力。
（2）桩的自重在Osterberg试验中其方向与桩侧阻力相一致，它夸大了桩侧阻力实测值，故在判定桩侧阻力时应予以扣除。
（3） 传统压桩试验中，桩周土(桩侧土和桩端土)的位移变形是连续的，而Osterberg法在桩底压力室处，桩周土的位移变形显然是不连续的，当改变了桩侧土和桩端土之间的相互影响时，也会对桩承载力产生影响。
4　结论
(1) 动测桩法是一种快速确定桩承载力的方法，但其适用范围是有限的，可靠性还有待提高。
　　(2) 静力测桩法是一种可靠的不断发展的方法，今后发展方向是逐渐克服其成本高、工期长、占用施工场地等缺点。
　　(3) Osterberg测桩法是一种巧妙的测桩法，它比动测法直接可靠，又比传统静力法省钱省时，但还有很多理论问题没有得到解释。
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