单桩竖向极限承载力课件

第三节单桩竖向极限承载力单桩的竖向承载力是指单桩在竖向荷载作用下，桩和桩周土体均能维持其自身的稳定，并且变形也在容许范围之内，能够建筑物的正常使用要求所能承受的最大荷载。在确定单桩的竖向承载力之前，需要了解单桩的工作性状，即施加于桩顶的竖向荷载是如何传递到地基中去（桩－土体系荷载传递规律）？竖向受压桩的荷载传递一、竖向荷载作用下单桩的工作机理1、单桩竖向荷载的传递规律作用于桩顶的竖向荷载Q是由桩侧土的总摩阻力Qs和桩端土的总抗力Qp共同承担的，如图4－9（a）所示，根据力的竖向平衡得：Q＝Qs十Qp当桩顶荷载加大至极限值时，上式改写为Qu＝Qsu十Qpu

一般说来，靠近桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥，由于发挥桩端阻力所需的极限位移，明显大于桩侧阻力发挥所需的极限位移，故侧阻力先于端阻力发挥出来。

当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，荷载增量将全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性变形，位移增加速度显著增大，直至桩端阻力达到极限，位移迅速增大至破坏。此时，桩达到其极限承载力。

对桩的荷载传递规律可归纳如下：竖向荷载作用下桩土体系荷载传递过程可简单描述为：桩身位移s（z）和桩身荷载Q（z）

随深度递减，侧摩阻力qs（z）自上而下逐步发挥。

s（z）、Q（z）和qs（z）三者之间的关系可通过数学表达式加以描述（式4-1桩的荷载传递基本方程）。单桩的荷载传递分析对于一般摩擦桩，当顶部作用有竖向荷载Q时，其桩顶位移S0一般由两部分组成，一部分为桩端下沉量sp，它包括由桩侧荷载引起的桩端以下土体压缩和桩尖刺人桩端土层而引起的桩身整体位移；另一部分则为桩身材料在轴力N作用下产生的压缩变形Ss（见图4－9b），可表示为S0＝SP十Ss。为了解桩侧摩阻力qs与轴力N和桩身截面位移s的关系，可进行专门的试验研究。例如图4－9（a）所示为一根试验单桩，长度为L，截面积为A，周长u，可预先沿桩身不同截面埋设应力计，测出各截面的应力，从而可算出各截面轴力N（z）沿桩身z的分布曲线。显然，当摩擦阻力qs方向向上时，N（z）将随深度的增加而减小。例如图4－9（d）所示。现从桩身任意深度z处取dZ微分段，其受力状况见图4－9（a），根据微分段的竖向力平衡条件（忽略桩身自重），可得4-1式桩的荷载传递基本方程：上式表明，任意深度处单位侧摩阻力qs的大小与该处轴力N（z）的变化率成正比，且方向相反。只要测得桩身轴力N（z）的分布曲线，即可用此式求桩侧摩阻力的大小与分布。如果在试桩时，同时测出桩顶竖向位移s0及桩的弹性模量E则还可利用上述已测知的轴力分布曲线N（z），根据材料力学公式，求出桩端位移Sp和任意深度处的桩身截面位移S（z），即注意：图4-9中的荷载传递曲线（N－z曲线）、侧阻分布曲线（qs－z曲线）及桩截面位移曲线（s－z曲线），都是随着桩顶荷载Q的增加而不断变化的。如何采用不同荷载作用下的荷载传递曲线，了解侧阻力和端阻力随荷载增大的发展变化、它们的发挥程度及两种阻力与桩身位移的关系等规律，无疑对合理地确定桩的承载力和进行桩基础的设计是很有意义的。桩侧摩阻力沿桩身的分布受多种因素（如桩的类型、沉桩方法、土的种类及性质等）的影响。根据试验研究结果得出：

一般粘性土中的桩，其摩阻力沿桩身分布的形状，常近乎抛物线，在桩顶处摩阻力为零，桩身中段处的摩阻力则比桩的下段大（图4－9c）。

而在砂土中的桩，其摩阻力从地面开始约5～20倍桩径（打人桩约为10～20倍桩径；灌注桩约为5～10倍桩径）范围内随深度增加而增大。深度更大处的摩阻力则接近均匀分布或逐渐减小。（2）桩端阻力

桩端处的阻力是在荷载作用下桩与桩周土之间产生相对位移到一定程度之后，荷载传至桩端处引起土的压缩变形而产生的。

当作用于桩顶的荷载Q不断增大，桩侧摩阻力完全发挥达到极限值后，继续增加的荷载就靠桩端阻力的增大来承担，直到桩端下的土体达到极限平衡，桩端阻力也达到极限值，此时桩所承受的荷载即为极限承载力Qu。

由于桩端阻力是桩侧阻力发挥到一定程度之后才开始发生的，因此，要使桩端阻力充分发挥就需要比桩侧阻力全部发挥时的桩与土之间的相对位移量大得多的相对位移量。试验研究结果表明，在给定的地基条件下，充分发挥桩端阻力所需的桩与土之间的相对位移量是桩径（或边长）的函数。对于一般土，桩与土之间相对位移为0.25倍桩径；对于坚硬粘土，为0.1倍桩径；对砂土，为0.08～0.1倍桩径。在不同的桩顶荷载作用下，桩侧总摩阻力和桩端总阻力的比值并非是一个常数。可见桩顶荷载传递过程是较复杂的。在深厚的软弱土层作中，无较硬的土层作为桩端持力层，或桩端持力层虽然较坚硬但桩的长径比l/d很大，传递到桩端的轴力很小，以至在极限荷载作用下，桩顶荷载绝大部分由桩侧阻力承受，桩端阻力很小可忽略的桩，称其为摩擦桩。

当桩的l/d不很大，桩端持力层为较坚硬的粘性土、粉土和砂类土时，除桩侧阻力外，还有一定的桩端阻力桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但大部分由桩侧阻力承受的桩，称其为端承摩擦桩。这类桩所占比例很大。端承型桩是指在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承受，桩侧阻力相对桩端阻力而言较小，或可忽略不计的桩。根据桩端阻力发挥的程度和分担荷载的比例，又可分为摩擦端承桩和端承桩两类。桩端进入中密以上的砂土、碎石类土或中、微化岩层，桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，而主要由桩端阻力承受，称其为摩擦端承桩。当桩的l/d较小(一般小于10)，桩身穿越软弱土层，桩端设置在密实砂层，碎石类土层中、微风化岩层中，桩顶荷载绝大部分由桩端阻力承受，桩侧阻力很小可忽略不计时，称其为端承桩。对于钻（冲）孔灌注桩，桩侧与桩荷载分担比还与孔底沉渣有关，一般为摩擦型桩。2)端承型桩（4）极限桩侧阻力、桩端阻力的影响因素1)深度效应

当桩端进入均匀持力层的深度h小于某一深度时，其端阻力一直随着深度线性增大；当进入深度大于某个深度后，极限端阻力基本保持恒定不变，该深度称为端阻力的临界深度hcp，该恒定极限端阻力称为端阻稳定值qpl。

Hcp随砂的相对密度Dr和桩径的增大而增大，随覆盖压力p0的增大而减小。

qpl随砂的相对密度Dr的增大而增大，而与桩径和覆盖压力p0无关。2)成桩效应

(a)挤土桩、部分挤土桩的成桩效应

非密实砂土中的挤土桩，成桩过程使桩周土因挤压而趋于密实，导致桩侧、桩端阻力提高。对于桩群，桩周土的挤密效应更为显著。

饱和粘土中的挤土桩，成桩过程使桩周土受到挤压、扰动、重塑，产生超孔隙水压力，随后出现孔压消散、再固结和触变恢复，导致侧阻力、端阻力产生显著的时间效应，即软粘土中挤土摩擦型桩的承载力随时间而增长，距离沉桩时间越近，增长速度越快。(b)非挤土桩的成桩效应非挤土桩（钻、冲、挖孔灌注桩）在成孔过程由于孔壁侧向应力解除，出现侧向土松弛变形。孔壁土的松弛效应导致土体强度削弱，桩侧阻力随之降低。采用泥浆护壁成孔的灌注桩，在桩土界面之间将形成“泥皮”的软弱界面，导致桩侧阻力显著降低，泥浆越稠、成孔时间越长，“泥皮”越厚，桩侧阻力降低越多。如果形成的孔壁比较粗糙(凹凸不平)，由于混凝土与土之间的咬合作用，接触面的抗剪强度受泥皮的影响较小，使得桩侧摩阻力能得到比较充分的发挥。

对于非挤土桩，成桩过程桩端土不仅不产生挤密，反而出现虚土或沉渣现象，因而使端阻力降低，沉渣越厚，端阻力降低越多。这说明钻孔灌注桩承载特性受很多施工因素的影响，施工质量较难控制。掌握成熟的施工工艺，加强质量管理对工程的可靠性显得尤为重要。3、桩侧负摩阻力前面讨论的是在正常情况下桩和周围土体之间的荷载传递情况，即在桩顶荷载作用下，桩相对桩周土体产生向下的位移，因而土对桩侧产生向上的摩擦力，构成了桩承载力的一部分，称为正摩阻力。但是在某些特殊情况下，桩周土层的下沉量大于相应深度处桩身的下沉量，即土层相对桩产生向下的位移时，土对桩侧产生向下的摩擦力，这种摩擦力称为负摩阻力（见图4－10）。

负摩阻力的存在将导致增大桩身荷载（或降低了桩的承载力），并增大桩基的沉降危害！（1）负摩阻力的产生条件4-3所示对于砂类土，可按下式估算：N－桩周土经钻杆长度修正的平均标准贯入试验击数

在工程实际中，应尽量减小桩基负摩阻力使桩竖向承载力降低的影响，在设计和施工时针对性的采取一些有效预防措施：

例如：a、对于欠固结土层、湿限性土层、冻融土层、液化土层、地下水位变动范围，以及受地面堆载影响而发生沉降的土层中的预制钢筋混凝土桩和钢桩，一般采用在产生负摩阻力的一段桩身上涂以软沥青涂层的办法来减小负摩阻力，施工时注意不要将涂层扩展到需要利用桩侧正摩阻力桩身部分的。b、对穿过欠固结等土层支承于坚硬持力层上的灌注桩，可采用下列措施来减小负摩阻力：1)在沉降土层范围内采用双管套桩，使内管承受桩顶荷载，外管承受负摩阻力，在内、外管之间填以润滑物质（充填高稠度膨润土泥浆），以使外管所受负摩阻力尽量少传到内管上去；2)对钢桩再加一层厚3mm的塑料薄膜（兼做防锈蚀用），来消除或降低负摩阻力的影响等。二、竖向荷载下单桩的破坏模式竖向受压单桩的破坏模式与桩的传力性状（桩的尺寸、桩的类型）、桩身材料和桩周土体性能有着密切关系。了解单桩的受力破坏特点，对正确确定单桩承载力具有指导意义。在竖向荷载作用下桩的破坏形态各异，归纳起来大致有如下两大类：1．桩身结构破坏2．桩周土体破坏1．桩身结构破坏－屈曲破坏桩端支承在很硬的岩土层或穿过极软土层时，在竖向荷载作用下，桩端土提供的承载力超过桩身结构所能承受的荷载，桩先于桩周土体产生折裂或屈服破坏。这种破坏在荷载－沉降（Q－s）曲线上将出现明显的转折点，即破坏荷载，如上图所示。一般细长的嵌岩桩或超长的摩擦桩如超长薄壁管桩和H形桩等，容易发生此类破坏。此时桩的竖向承载力取决于桩身结构强度。2．桩周土体破坏－整体剪切破坏和刺入破坏桩穿过抗剪强度较低的软弱土层支承于较硬的持力层中，桩端压力超过持力土层的极限承载力时，桩端以上的软弱土体不能阻止桩端滑动土楔的形成，桩端土体形成连续的整体滑移面，滑动土楔向上挤出而形成整体剪切破坏。如上图（b）所示，其Q－S曲线有明显的转折点。此类桩的承载力主要取决于桩端土的支承能力（一般的打入式短桩、钻扩短桩会发生）。另一种桩周土体破坏的形式体现在穿过均匀土层的摩擦桩，随着桩顶荷载的增加，桩周土摩阻力不断发挥至极限值，桩周土体产生剪切（刺入）破坏。如上图（C）所示，其Q－C曲线无明显的拐点，作用在桩顶的竖向荷载主要由桩侧土摩阻力承担（一般钻孔灌注桩会发生）。综上所述，单桩竖向承载力取决于桩周土对桩的支承能力和桩自身的结构强度所允许的最大竖向荷载，因此单桩竖向承载力应分别按照桩身的结构强度和地基土对桩的支承能力来确定，取其中最小值。为了保证单桩安全可靠地传递荷载，桩身结构必须有足够的强度。设计时，桩身结构可以选择，而地基土的支承能力只能依现场条件而定，因此后者往往成为单桩竖向承载力的控制因素。在设计时常常先根据地基土对桩的支承能力确定单桩竖向承载力，然后根据该承载力并考虑有一定的安全储备选择桩身材料。三、单桩竖向极限承载力的确定单桩竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形所对应的最大荷载。目前，根据桩周土的变形和强度确定单桩竖向承载力的方法较多，确定单桩极限承载力的方法主要有：静载荷试验法、经验参数法、静力触探法、动力分析法等。

单桩静载荷试验法是确定单桩竖向承载力的最可靠方法，但单桩静载荷试验的费用、时间、人力消耗较大。在工程实际中，一般依桩基工程的重要性和建筑场地的复杂程度，并利用地质条件相同的试桩资料、触探资料及土的物理指标的经验关系参数，慎重选择一种或几种方法相结合的方式综合确定单桩的竖向承载力，力争所选方法既可靠又经济合理。单桩竖向极限承载力主要取决于两个方面：

一是土对桩的支承能力；二是桩身本身的材料强度。

一般情况下桩的承载力由土的支承能力所控制，而桩的材料强度往往不能充分发挥。只有对端承桩、超长桩以及桩身有质量缺陷的桩，材料强度才起控制作用。教材介绍方法主要是按桩周土的支承能力确定单桩承载力《建筑桩基规范》对单桩竖向极限承载力标准值Quk确定的规定如下：a、对设计等级为甲级的建筑桩基应通过现场静载荷试验法确定；b、对设计等级为乙级的建筑桩基，一般情况下应通过单桩静载荷试验法确定；地质情况简单，可参照地质条件相同的试桩，结合静力触探等原位测试和经验参数综合确定；c、对设计等级为丙级的建筑桩基，可根据原位测试和经验参数综合确定（一）按桩周土的支承能力确定单桩承载力1．单桩静载荷试验

单桩静载荷试验是在试验桩上分级施加静荷载，直至破坏为止，从而求得桩的极限承载力。由于打桩对土体有扰动现象，所以试桩从成桩到开始试验应有一定的时间，该时间视成桩条件和试验方法而定。在桩身强度达到设计强度的前提下，对于砂类土不得少于10天；粉土和粘性土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天（对于淤泥或淤泥质土，不应少于25天），对灌注桩应在桩身混凝土强度达到设计强度后，才能开始进行荷载试验。《建筑桩基技术规范》规定：在同一条件下，进行静载荷试验的桩数不宜少于总桩数的1%，且不应少于3根。工程桩总桩数在50根以内时不应少于2根。关于单桩竖向静载（抗压）试验的方法、终止加载条件以及单桩竖向承载力标准值的确定详见《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008。（1）静载荷试验装置及方法单桩静荷载试验的装置(a)锚桩横梁反力装置(b)压重反力装置单桩荷载-沉降（Q-s）曲线单桩沉降s-lgt曲线各试桩其极差不超过平均值的30%时，可取其平均值为单桩竖向极限承载力。极差超过平均值的30%时，宜增加试桩数量并分析离差过大的原因，结合工程具体情况确定极限承载力。

按《地基规范》将单桩竖向极限承载力除以安全系数2，为单桩竖向承载力特征值Ra。2．静力触探法

静力触探法是将园锥形的金属探头，以静力方式按一定的速度均匀压人土中，根据探头所测得的贯人阻力，确定单桩竖向承载力。静力触探与桩的静载荷试验虽有很大区别，但与桩打人土中的过程基本相似，探头贯人土中所受到的阻力能够反映土层的强度特点，且设备简单，自动化程度高，应用方便，在国内外已得到广泛应用。但探头的贯人速度和尺寸及组成材料等均与实际的桩有一定差别，不能直接将探头阻力作为单桩承载力，因此需将触探资料与单桩静载荷试验的资料进行对比，并应用统计分析的方法，经必要的修正和换算，建立表示二者之间关系的经验公式来确定单桩竖向承载力。目前国内建筑、铁路和公路部门已提出了不少根据静力触探资料计算单桩竖向极限承载力的经验公式，以下仅介绍《建筑桩基规范》推荐的根据单桥探头资料和双桥探头资料，确定混凝土预制单桩竖向极限承载力的经验公式。（4-7）（4-8）（4-9）3．经验参数法

利用经验参数确定单桩的竖向承载力是一种沿用多年的传统方法，我国的各类行业规范及地区标准都推荐了各自的经验参数表及相应的经验公式。其中的经验参数表是根据大量的静载荷试验资料经统计分析而得出，而经验公式的建立是根据试验研究结果，考虑了桩的类型及施工方法、桩的长度和桩径、桩周土性参数及桩进人持力层的深度等影响因素。现将《建筑桩基规范》的部分公式介绍如下。单桩竖向极限承载力标准值为

为了便于计算，常常假定同一土层中的单位侧摩阻力qs是均匀分布的，于是可得到土的物理指标与承载力参数之间的经验公式。（4-10）（1）一般预制桩及灌注桩不同成桩工艺的经验值按表4－4和表4－5取值。（2）对大直径灌注桩（d＞800mm）

大直径灌注桩竖向极限承载力计算与中小直径灌注桩竖向极限承载力计算的区别是：大直径灌注桩须考虑其侧阻力的松弛效应和端阻力的尺寸效应。桩底持力层一般都呈渐进破坏，使其具有缓变的Q－S曲线，因此其极限端阻力随桩径的增大而减小，尤其以持力层为无粘性土时为甚；至于其极限侧阻力本来与桩径无关，但因大直径桩一般为钻、冲、挖孔灌注桩，在无粘性土中成孔时，孔壁因应力接触而松弛，致使侧阻力的降幅随孔径的增大而增大。大直径灌注桩的竖向极限承载力标准值按下式计算：（4-11）（4-4）（4-6）（4-8）4、动力分析法－－