单桩的荷载传递机理分析

2015-04-07杨森黄林

四川水泥 2015年4期

关键词：变型单桩机理

杨森黄林

(机械工业勘察设计研究院有限公司成都分公司，四川成都 610018)

单桩的荷载传递机理分析

杨森黄林

(机械工业勘察设计研究院有限公司成都分公司，四川成都 610018)

单桩工作性能的研究是单桩承载力分析的理论基础。通过对桩土相互作用和影响荷载传递影响因素的分析，了解桩土间的传力途径和单桩承载力的构成及其发展过程，以及单桩的破坏机理等，对正确评价单桩轴向承载力具有一定指导意义。单桩静载荷试验的荷载-沉降关系曲线可分为陡降型和缓变型两类型态；陡降型曲线有明显的特征点，缓变型曲线没有明显特征点，其极限承载力并不取决于桩的最大承载力能力或整体失稳，而是不能满足继续承载的变形。

单桩、荷载传递、静载试验、破坏模式

0 引言

桩基础的作用是将荷载跨越浅部土层传递到深部地基土层的一种深基础，这种荷载传递是通过桩与桩间土的相互作用进行的。

单桩工作性能的研究是单桩承载力分析的理论基础。通过桩土相互作用分析，了解桩土间的传力途径和单桩承载力的构成及其发展过程，以及单桩的破坏机理等，对正确评价单桩轴向承载力具有一定指导意义。

1 单桩的荷载传递机理及影响因素

逐级增加单桩桩顶荷载，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移，从而使桩侧表面受到土的向上摩擦力。随着荷载增加，桩身压缩和位移随之增加，使得桩侧摩擦力从桩身上段向下逐次发挥；桩底持力层也因受压引起桩端反力，导致桩端下沉、桩身随之整体下移，这又加大了桩身各截面的位移，引发桩侧上下各处摩阻力的进一步发挥。当沿桩身全长的摩阻力都到达极限值之后，桩顶荷载增量就全由桩端阻力承担，直到桩端持力层破坏、无法支承更大的桩顶荷载为止。此时桩顶所承受的荷载就是桩的极限承载力。

桩侧阻力和桩端阻力的发挥所需的桩土相对位移大小是不一样的。侧阻力充分发挥所需的相对位移不超过20mm，对于大直径桩，位移为桩身直径的3%～6%。而端阻力充分发挥作用的情况比较复杂，与桩端土的类型、性质、桩长、桩径、成桩工艺和施工质量有很大关系。

由此可见，单桩轴向荷载的传递过程就是桩侧阻力和桩端阻力的发挥过程。桩顶荷载通过发挥出来的桩侧阻力传递到桩周土层中，从而使桩身轴力与桩身压缩变形随深度递减。对一般桩基础，在工作荷载作用下，靠近桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥，侧阻力先于端阻力发挥。只有对支承于坚硬岩基上的刚性短桩，由于桩端无法下沉，而桩身压缩量很小，摩擦阻力无法发挥作用，端阻力才能先于侧阻力发挥作用。

2 影响荷载传递的因素

（1）桩端土与桩周土的刚度比

桩端土与桩周土的刚度比越小，桩身轴力沿深度深度衰减越快，传递到桩端的荷载就越小。对于中长桩，当刚度比等于1时，桩侧阻力接近于均匀分布、几乎承担了全部荷载，桩端阻力仅占荷载的5%左右，即属于摩擦桩；当刚度比很大时，桩身轴力上段随着深度减小，下段近乎沿深度不变，即桩侧摩擦力上段可得到发挥，下段则因桩土相对位移很小而无法发挥出来，桩端分配绝大多数荷载，即属于端承桩。

（2）桩土刚度比

桩土刚度比越大，传递到桩端的荷载越大，但当桩土刚度比超过1000后，对桩端阻力分配荷载比的影响不大。而对于桩土刚度比小于10的中长桩，其桩端阻力分担荷载几乎接近于零，这说明对于砂桩、碎石桩、灰土桩等低刚度桩组成的基础，应按照复合地基工作原理进行设计。

（3）桩端扩底直径与桩身直径的比值

桩端扩底直径与桩身直径的比值越大，桩端阻力分担的荷载比越大。对于均匀土层中的中长桩，当扩底直径与桩身直径的比值等于3时，桩端阻力分担的荷载比将由等直径桩的约5%增加至35%左右。

（4）桩的长径比

随着长径比的增加，传递到桩端的荷载减小，桩身下部侧阻力的发挥值相应降低。在均匀土层中的长桩，其桩端阻力分担的荷载比趋于零。对于超长桩，无论桩端土的刚度多大，其桩端阻力分担的荷载都小到可忽略不计，即桩端土的性质对荷载传递不再有任何影响，且上述各影响因素均失去意义。可见，长径比很大的桩都属于摩擦桩，在设计这样的桩时，试图采用扩大桩端直径来提高承载力效果并不明显。

3 单桩静载试验的破坏模式

单桩静载荷试验所得到的荷载-沉降（Q-s）关系曲线所呈现的沉降特性和破坏模式，是荷载作用下桩-土相互作用内在机理的宏观反映，大致可分为陡降型和缓变型两类型态，他们随桩侧和桩端土层分布与性质、桩的形状和尺寸、成桩工艺和成桩质量等诸多因素而变化。对桩底持力层不坚实、桩径不大、破坏时桩端刺入持力层的桩，其Q-s曲线多呈陡降型，相对于破坏时的特征点明显，据之可确定单桩极限承载力。对桩底为非密实砂类土或粉土、清孔不净残留虚土、桩底面积大、桩底塑性区随着荷载增加逐渐扩展的桩，则呈缓变型，其Q-s曲线不具有表示变形性质突变的明显特征点，因而较难确定极限承载力，为了发挥这类桩的潜力，其极限承载力应按照所能承受的最大沉降确定。事实上，对于缓变型的桩，在荷载达到极限承载力后再继续施加荷载，也不会导致桩的整体失稳和沉降的显著增加，因此这类桩的极限承载力并不取决于桩的最大承载力能力或整体失稳，而是不能满足继续承载的变形。