桩基础的承载力-荷载传递规律解读

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1、桩基础的承载力 n 单桩承载力的确定是桩基设计的重要内 容，而要正确地确定单桩承载力又必须了 解桩土体系的荷载传递，包括桩侧摩阻 力和桩端阻力的发挥性状与破坏机理。 桩的荷载传递机理 n地基土对桩的支承作用 n不同荷载下轴力沿深度的变化 n单桩荷载传递的基本规律 地基土对桩的支承作用 n 地基土对桩的支承由两部分组成：桩 端阻力和桩侧摩阻力。 n 如果认为两者是同步增大的，那么对 任何的荷载阶段，这个表达式都是正确的 ： n 而实际上，桩侧摩阻力和桩端阻力 不是同步发挥的。 n 竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上 部首先受到压缩而发生相对于土的向下 位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向 上的摩阻力；

2、荷载沿桩身向下传递的过 程就是不断克服这种摩阻力并通过它向 土中扩散的过程 。 n对10根桩长为2746m的大直径灌注桩的 荷载传递性能的足尺试验结果。试验表明 ，桩侧发挥极限摩阻力所需要的位移很小 ，粘性土为13mm，无粘性土为57mm ；除两根支承于岩石的桩外，其余各桩（ 桩端持力层为卵石、砾石、粗砂或残积粉 质粘土）在设计工作荷载下，端承力都小 于桩顶荷载的10。 不同荷载下轴力沿深度的变化 单桩荷载传递的基本规律 n 基础的功能在于把荷载传递给地基土 。作为桩基主要传力构件的桩是一种细长 的杆件，它与土的界面主要为侧表面，底 面只占桩与土的接触总面积的很小部分（ 一般低于1%），这就意

3、味着桩侧界面是桩 向土传递荷载的重要的，甚至是主要的途 径。 n 竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上 部首先受到压缩而发生相对于土的向下 位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向 上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过 程就是不断克服这种摩阻力并通过它向 土中扩散的过程 。 n 设桩身轴力为Q，桩身轴力是桩顶荷 载N与深度Z的函数，Qf（N、Z） n桩身轴力沿深 度分布的实测 资料 n 桩身轴力Q 沿着深度而逐渐减小； 在桩端处Q 则与桩底土反力Q p相平衡， 同时桩端持力层土在桩底土反力Q p作用 下产生压缩，使桩身下沉，桩与桩间土 的相对位移又使摩阻力进一步发挥。随 着桩顶荷载N 的逐级增加，对于每级荷

4、 载，上述过程周而复始地进行，直至变 形稳定为止，于是荷载传递过程结束。 n 由于桩身压缩量的累积，上部桩身 的位移总是大于下部，因此上部的摩阻 力总是先于下部发挥出来；桩侧摩阻力 达到极限之后就保持不变；随着荷载的 增加，下部桩侧摩阻力被逐渐调动出来 ，直至整个桩身的摩阻力全部达到极限 ，继续增加的荷载就完全由桩端持力层 土承受；当桩底荷载达到桩端持力层土 的极限承载力时，桩便发生急剧的、不 停滞的下沉而破坏。 n 桩的长径比L/d是影响荷载传递的主 要因素之一，随着长径比L/d增大，桩端 土的性质对承载力的影响减小，当长径 比L/d接近100时，桩端土性质的影响几 乎等于零。 发现这一现象

5、的重要意义在 于纠正了“桩越长，承载力越高”的片面 认识。希望通过加大桩长，将桩端支承 在很深的硬土层上以获得高的端阻力的 方法是很不经济的，增加了工程造价但 并不能提高很多的承载力。 桩越长，端阻力所占的比例越低 若干特殊桩型的承载性状 n大直径超长灌注桩的承载特性 n灌注桩的后注浆技术 n嵌岩桩 n静力压桩 n钢管混凝土桩 灌注桩的后注浆技术 n后注浆技术是在灌注桩浇注混凝土以后， 通过预埋的管子将水泥砂浆注入桩端以下 ，以挤压桩底的沉渣，压密桩端土层，从 而提高端承力，也可以将水泥砂浆注入桩 侧土层中以提高桩侧摩阻力的一种技术。 n根据注浆的目的，可以分成如下不同的 注浆类型： n1）桩

6、端注浆 n2）桩侧注浆 n3）复式注浆 n4) 压浆修补桩的缺损部位 n新版建筑桩基技术规范将灌注桩后 注浆纳入规范，规定了施工的要求和设 计参数的取法。 规范关于后注浆工艺的规定 n后注浆装置的设置 n浆液水灰比 n注浆终止压力 n单桩注浆量 n注浆顺序 n终止注浆的条件 n后注浆装置的设置： n1.后注浆导管应采用钢管，与钢筋笼加劲 筋绑扎固定或焊接； n2.注浆导管数量，直径小于1200mm的用2 根，12002500mm的用3根； n3.桩长超过15m，且对承载力增幅要求较 高时，采用桩端桩侧复式注浆； n4.桩侧后注浆管阀的设置应结合地层情况 、桩长和承载力增幅要求等因素确定， 可在

7、桩端515m以上，桩顶8m以下，每 隔612m设置一道注浆阀。 n浆液水灰比根据饱和度和渗透性确定： n饱和土：0.450.65 n非饱和土：0.70.9 n松散碎石土、砂砾：0.50.6 n注浆终止压力根据土层性质及注浆点的 深度确定： n风化岩、非饱和粘性土、粉土：3 10MPa； n饱和土层：1.24MPa。 n单桩注浆量设计时应考虑桩径、桩长、 桩端桩侧土层性质、单桩承载力增幅及 是否复式注浆等因素确定： n注浆量经验系数 nn桩侧注浆断面数 n注浆量以水泥质量计（t） n注浆顺序： n饱和土中，先桩侧后桩端； n非饱和土中，先桩端后桩侧； n桩侧桩端注浆间隔时间不宜小于2小时。 n成

8、桩后两天才可以注浆； n注浆作业点距其他成孔作业点的距离不 宜小于810m。 n终止注浆的条件： n1.注浆总量和注浆压力已达到设计要求； n2.注浆总量已达到设计值的75，且注浆 压力超过设计值； n检测条件： n在注浆后20天进行； n掺入早强剂的可在注浆后15天进行检测 。 n后压浆具有如下的作用： n1）胶结孔底沉渣，提高单桩承载力，消 除桩的过大沉降； n2）增强桩身混凝土与桩侧土的结合，提 高侧摩阻力； n3）修补桩身缺陷部位，保证设计承载力 ； n减少桩基的不均匀沉降。 根据一些试验的结果，认为后压浆处理后 可以达到比较好的效果，对细粒土中的桩 ，单桩承载力可提高3070；对粗粒

9、 土中的桩，增幅可达60120。 压浆后的侧摩阻效应表现为侧摩阻力提高 和桩侧土的剪切刚度提高；从而使摩阻力 充分发挥时的位移值移后，这就意味着桩 的韧性增大。 桩端条件对试桩曲线的影响 压浆对侧摩阻力的影响 常规桩的曲线 压浆桩的曲线 n1）在事故处理、补强中的应用； n单桩承载力不足时的补强； n此时只能在桩体外下管注浆。 n2）设计时承载力不能满足要求，事先在桩 体中预设压浆管的加强措施。 后压浆技术推广应用中的问题主要是如何 控制压浆的均匀性和如何实现注浆的技术 要求。压浆后单桩承载力的提高幅度与压 浆工艺密切相关，而均匀性和稳定性是在 工程中应用的关键； n后压浆技术推广应用中的问题

10、主要是如 何控制压浆的均匀性和如何实现注浆的 技术要求。压浆后单桩承载力的提高幅 度与压浆工艺密切相关，而均匀性和稳 定性是在工程中应用的关键； n标准化将有助于这一技术的推广应用。 后注浆增强系数 n后注浆增强系数系通过数十根不同土层 中的后注浆桩与普通桩的静载对比试验 求得。其侧阻和端阻增强系数不同，而 且变化很大。 n总的变化规律是：端阻的增幅高于侧阻 ，粗拉土的增幅高于细粒土，桩端、桩 侧复式注浆高于单一注浆。 n根据北京、上海、天津、河南、山东、 西安、武汉、福州等地106份资料验证。 嵌 岩 桩 n 嵌岩桩是在端承桩的基础上发展起来的 ，在基岩埋藏深度不深的地区，常将桩嵌入 基岩一

11、定的深度，在计算嵌岩桩承载力时， 过去常忽略覆盖层的侧阻力，将嵌岩桩作为 直接传递荷载给基岩的受压柱看待，荷载全 部由桩端承担。但是，大量实测资料表明， 嵌岩桩的端阻力与侧阻力之比并不接近于1.0 ，如嵌岩桩端超过5倍桩径后，端阻力反而 趋近于零，但嵌岩桩又显然不同于摩擦桩。 n 嵌岩桩可采用机械钻孔或人工挖孔 方法成孔，将桩嵌入岩体内一定的深度 。嵌岩部分的嵌固力是嵌岩桩的承载力 高于端承桩的主要原因，是研究嵌岩桩 的核心问题。嵌入基岩部分的桩与基岩 的相互作用比较复杂，嵌岩段的嵌固力 与底部的端阻力发挥的过程是不同的。 实测资料说明，当嵌岩深度为3倍桩径时 ，桩的嵌固力与端阻力可以得到很好

12、的 配合，嵌固力占总承载力的75%以上，可 以用最少的工程量获得最佳的承载效果 ，因此称为最佳嵌岩深度。 n 在嵌岩桩承载力计算时，如何考虑 桩侧摩阻力是一个有争议的问题。一种 意见认为嵌岩桩的端阻力很小，构成嵌 岩桩承载力的主要是侧摩阻力，认为嵌 岩桩是摩擦桩；另一种意见认为桩侧土 的摩阻力在总承载力中所占的比例较小 ，一般不超过10%左右，在大约10m厚的 土层中，桩侧土的摩阻力所占的比例更 低，因此没有必要计入。 n 上述分歧的主要原因一是所依据的 资料代表性不同，二是对桩侧摩阻力的 理解不同，如将嵌岩部分的阻力定义为 嵌固力而不是摩阻力，则将摩阻力限制 在覆盖层土的作用，则土的摩阻力所

13、占 的比例就不一定很高，也不会将嵌岩桩 作为摩擦桩来研究，两种意见也就可以 统一。 n 嵌岩桩的端阻力在总承载力中所占 的比例不高这是已为大量实测阻力所证 明了的，也是得到公认的事实。但分析 的角度不同，得到的观点也会有差异。 根据国内外150根嵌岩桩的实测资料（其 中国内39根，国外111根；无覆盖层20根 ，有覆盖层130根，长度L=3.055.0m， 直径d=0.58.0m，L/d =163.7），给 出了嵌岩桩在竖向荷载下端阻分担荷载 比与桩的长径比之间的关系。 n 当L/d从1增加至20时，Qp/Qu自100%随 L/d增大而递减至大约30%；当L/d从20增 大至 63.7时，Qp

14、/Qu一般不会超过30，其 中大部分桩的Qp/Qu在20以下，不少桩在5 以下。与此相对应，桩的侧阻力（严格 地说应包括侧阻力和嵌固力）大约在L/d 1020时开始起主要作用，随L/d增大而 增大， Qs/Qu一般保持在70以上，大部 分在以上80%，不少桩在95%以上。 n 嵌岩桩的长度也越来越长，长径比 越来越大，嵌岩桩的性状离端承桩也越 来越远； n 嵌入基岩部分的桩与基岩的相互作 用比较复杂，嵌岩段的侧阻力与底部的 端阻力发挥的过程是不同的。 n 嵌岩桩的端阻力在总承载力中所占 的比例不高这是已为大量实测阻力所证 明了的，也是得到公认的事实。 n 包括嵌固力在内的侧阻力占很大比例的 原

15、因有三点: n1) 较长的桩受荷后桩身的弹性压缩量比较大 ，桩土之间相对位移也比较大，足以使侧阻 得以发挥； n2) 由于施工工艺的限制，桩底沉渣很难清除 干净，桩愈长，沉渣愈难清除，沉渣的压实 使桩身位移，提供了侧阻发挥的条件； n3) 由于岩石与桩的连接是脆性的，在比较小 的位移条件下嵌固段的阻力就可以达到峰值 ，而且先于土的侧阻力得到发挥，嵌固深度 愈深，端阻力的比例愈低。 嵌岩桩的承载性状 n 通过对比试验和对桩端阻力所占比例 的分析可以得到嵌岩桩不一定是端承桩的 概念，从而改变了人们对嵌岩桩承载性状 的认识； n 其实质是认识嵌岩桩的侧阻力的存在 和作用的问题，也是研究侧阻力的发挥条

16、 件的问题。 嵌岩桩与非嵌岩桩的试验结果 n A2和A3进入中风化泥岩2.2m，B3和B4 进入中风化泥岩0.4m。 桩身轴力随深度变化曲线比较 嵌岩与非嵌岩桩的 荷载传递规律惊人地相似 n增加了桩长，嵌入了岩石，但承载力并没 有显著提高； n 桩身轴力随深度明显地减小； n 说明侧摩阻力得到了比较充分地发挥 ； n 嵌岩与不嵌岩的条件并不影响侧阻力 的发挥； 进入新鲜岩石和强风化岩的比较 n 嵌入新鲜岩石和强风化岩石的 桩的荷载传递规律也惊人地相似； n 嵌入强风化岩5d，d0.6m； n 嵌入风化泥质砂岩3.7m、新鲜 泥质砂岩2.0m，d1.0m； n 两者的轴力都随深度递减； n 其端阻力都比较小； 嵌岩桩荷载传递的特点 n1. 大量资料表明，桩的侧阻力和端阻力之 比都超过了60，大部分在80以上； n2. 桩侧阻力的分担比例随长径比（l/d）的 增大而增大；