竖向荷载作用下单桩的工作性能

4．3．1 竖向荷载的传递

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,对正确确定单桩承载力具有指导意义.

桩在轴向压力荷载作用下,桩顶发生轴向位移(沉降),其值为桩身弹性压缩和桩底以下土层压缩之和.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,传至桩底的轴向力也即桩底支承反力,它等于桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力.桩顶荷载是桩通过桩侧摩阻力和桩底阻力传递给土体的.

因此,可以认为土对桩的支承力由桩侧摩阻力和桩底阻力两部分组成.桩的极限荷载(或称极限承载力)等于桩侧极限摩阻力和桩底极限阻力之和.桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性有关,并且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,在黏性土中约为桩底直径的25％,在砂性土中为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,具体数量目前尚不能有一致的意见,但一般认为黏性土为4~6mm,砂性土为6~10mm.因此,在确定桩的承载力时,应考虑这一特点.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到发挥.对于这类柱桩,国内已有规范建议可计算桩侧摩阻力.置于一般土层上的摩擦桩,桩底土层支承反力发挥到极限值时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,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,此时确定桩的承载力时桩底极限阻力不宜取值过大.

4．3．2 桩侧摩阻力和端阻力

(1)桩侧摩阻力的影响因素及其分布.桩侧摩阻力除与桩G土间的相对位移有关,还与土的性质、桩的刚度、时间因素和土中应力状态,以及桩的施工方法等因素有关.

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与桩侧土的剪切强度有关,并随着土的抗剪强度的增大而增加.而土的抗剪强度又取决于其类别、性质、状态和剪切面上的法向应力.不同类别、性质、状态和深度处的桩侧土将具有不同的桩侧摩阻力.

从位移角度分析,桩的刚度对桩侧摩阻力也有影响.桩的刚度较小时,桩顶截面的位移较大而桩底较小,桩顶处的桩侧摩阻力常较大;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,致使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,从而影响桩侧摩阻力,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,应分情况予以注意.例如,在塑性状态黏性土中打桩,由于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的孔隙水压力上升,土的抗剪强度降低,桩侧摩阻力变小.待打桩完成并经过一段时间后,超孔隙水压力逐渐消散,再加上黏土的触变性质,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的强度,桩侧摩阻力得到提高.又例如,在砂性土中打桩时,桩侧摩阻力的变化与砂土的初始密度有关,如密实砂性土有剪胀性,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、土质分布及性状均随深度变化,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.现以图4．6所示两例来说明其分布变化,其中,图4．6(a)所示为上海某工程钢管打入桩实测资料;图4．6(b)所示为我国某工程钻孔灌注桩实测资料,图中各曲线上的数字为相应桩顶荷载.在黏性土中的打入桩的桩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.而钻孔灌注桩的施工方法与打入桩不同,其桩侧摩阻力具有某些不同于打入桩的特点.从图中可以看出,从地面起的桩侧摩阻力呈线性增加,其深度仅为桩径的5~10倍,而沿桩长的摩阻力分布则比较均匀.为简化起见,假设打入桩桩侧摩阻力在地面处为零,沿桩入土深度成线性分布;而对钻孔灌注桩则假设桩侧摩阻力沿桩身均匀分布.

(2)桩端阻力的影响因素及其深度效应.桩底阻力与土的性质、持力层上覆荷载(覆盖土层厚度)、桩径、桩底作用力、时间及桩底端进入持力层深度等因素有关,但其主要影响因素仍为桩底地基土的性质.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的提高而增长.

图4．6 桩侧摩阻力分布曲线

(a)钢管打入桩实测侧摩阻力分布;(b)钻孔灌注桩实测侧摩阻力分布

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黏土层时,桩的极限阻力随着进入持力层的深度呈线性增加.达到一定深度后,桩底阻力的极限值保持稳定.这一深度称为临界深度hc,它与持力层的上覆荷载和持力层土的密度有关.上覆荷载越小、持力层土的密度越大,则hc越大.当持力层下为软弱土层时,也存在一个临界厚度tc.当桩底至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.持力层土的密度越高、桩径越大,则tc越大.

由此可见,当以夹于软层中的硬层作桩底持力层时,应根据夹层厚度,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,软弱土层对群桩承载力的影响比对单桩的影响更大.

4．3．3 桩侧负摩阻力

(1)负摩阻力的概念.在桩顶竖向荷载作用下,当桩相对于桩侧土体向下位移时,土对桩产生向上作用的摩阻力,构成了单桩承载力的一部分,称为正摩阻力.但是,当桩侧土体由于某种原因发生下沉,而且其下沉量大于相应深度处桩的下沉量,即桩侧土体相对于桩产生向下位移时,土对桩就会产生向下作用的摩阻力,称为负摩阻力.

桩身受到负摩阻力作用时,相当于在桩身上施加了一个竖直向下的荷载,而使桩身的轴力加大,桩身的沉降增加,桩的承载力降低.因此,负摩阻力的存在对桩的荷载传递是一种不利因素.当遇下列情况之一且桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时,应计入桩侧负摩阻力:桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时;桩周存在软弱土层,邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载,或地面大面积堆载(包括填土)时;由于降低地下水位,使桩周土有效应力增大,并产生显著压缩沉降时.

(2)负摩阻力的分布特征.了解桩的负摩阻力的分布特征,必须首先明确土与桩之间的相对位移以及负摩阻力与相对位移之间的关系.

如图4．7(a)所示,一根承受竖向荷载的单桩穿过正在固结中的土层而达到坚实土层.如图4．7(b)所示的曲线ab为土层竖向位移,曲线cd为桩的截面位移,在ln深度范围内,桩周土的沉降大于桩的压缩变形,桩侧摩阻力向下,为负摩擦区;在ln深度以下,桩周土的沉降小于桩的压缩变形,桩侧摩阻力向上,为正摩擦区.曲线ab和cd的交点,桩土相对位移为零,既没有负摩阻力,也没有正摩阻力,称该点为中性点,ln称为中性点的深度.由图4．7(c)、(d)可知,中性点上下桩侧摩阻力方向相反,在中性点位置,作用在桩上的摩擦力为零,而桩身轴力最大.

由于桩侧负摩阻力是由桩周土层的固结沉降引起的,土层的竖向位移和桩身截面位移都是时间的函数,因此,负摩阻力的产生和发展也要经历一定的时间过程.中性点的位置、摩阻力以及桩身轴力都将随时间而有所变化.当沉降趋于稳定时,中性点也将稳定在某一固定深度ln处.另外,中性点深度ln与桩周土的压缩和变形条件、桩和持力层土的刚度等因素有关.

图4．7 桩的负摩阻力

(3)中性点深度的确定.中性点深度ln应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定,也可参照表4．2确定.

表4．2 中性点深度

(4)负摩阻力计算.桩侧负摩阻力当无实测资料时可按下列规定计算:

中性点以上单桩桩周第i层土负摩阻力标准值,可按下列公式计算:

当填土、自重湿陷性黄土湿陷、欠固结土层产生固结和地下水降低时:

当地面分布大面积荷载时:

式中 qnsi——第i层土桩侧负摩阻力标准值;当式(4-1)计算值大于正摩阻力标准值时,取正摩阻力标准值进行设计;

ξni——桩周第i层土负摩阻力系数,可按表4．3取值;

σ′γi——由土自重引起的桩周第i层土平均竖向有效应力;桩群外围桩自地面算起,桩群内部桩自承台底算起;

σ′i——桩周第i层土平均竖向有效应力;

γi、γm——分别为第i计算土层和其上第m土层的重度,地下水位以下取浮重度;

Δzi、Δzm——第i层土、第m层土的厚度;

p——地面均布荷载.

表4．3 负摩阻力系数ξn

(5)下拉荷载计算.考虑群桩效应的基桩下拉荷载可按下式计算:

式中 n——中性点以上土层数;

li——中性点以上第i土层的厚度;

ηn——负摩阻力群桩效应系数;

sax、say——分别为纵、横向桩的中心距;

qns——中性点以上桩周土层厚度加权平均负摩阻力标准值;

γm——中性点以上桩周土层厚度加权平均重度(地下水位以下取浮重度).

对于单桩基础或按式(4-6)计算的群桩效应系数ηn＞1时,取ηn＝1.

(6)下拉荷载验算.桩周土沉降可能引起桩侧负摩阻力时,应根据工程具体情况考虑负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响;当缺乏可参照的工程经验时,可按下列规定验算:

①对于摩擦型基桩可取桩身计算中性点以上侧阻力为零,并可按下式验算基桩承载力:

Nk≤Ra 　(4-7)

②对于端承型基桩除应满足式(4-7)要求外,还应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载Qng,并可按下式验算基桩承载力:

③当土层不均匀或建筑物对不均匀沉降较敏感时,还应将负摩阻力引起的下拉荷载计入附加荷载验算桩基沉降.本条中基桩的竖向承载力特征值Ra只计中性点以下部分侧阻值及端阻值.

【例4-1】 已知钢筋混凝土预制方桩边长为300mm,桩长为22m,桩顶入土深度为2m,桩端入土深度为24m,桩端为中密粉砂,场地地层条件见表4．4.不考虑群桩效应,对于单桩基础,负摩阻力群桩效应系数ηn＝1,当地下水位由0．5m降至5m时,计算桩基础基桩由于负摩阻力引起的下拉荷载.

表4．4 场地地层条件

【解】 由地质条件可知,第④层土将产生固结沉降,从而引起桩侧摩阻力.

(1)确定中性点深度.桩长范围内压缩厚度l0＝20．7m,桩端为中密粉砂,查表4．2可得:

ln＝0．7l0＝0．7×20．7≈14．5(m)

(2)计算单桩负摩阻力标准值.

由式(4-1)可得:

深度5~12m处:

qns1＝0．28×(2×18＋3×17/2)＝17．2(k Pa)

qns2＝0．2×(2×18＋3×17/2＋7×7/2)＝17．2(k Pa)＜28k Pa

qns3＝0．2×(2×18＋3×17/2＋7×7＋4．5×8/2)＝25．7(k Pa)＜55k Pa

(3)计算基桩的下拉荷载.

由式(4-1)可得:

Qng＝1×1．2×(17．2×3＋17．2×7＋25．7×5)＝360．6(k Pa)

4．3．4 单桩的破坏模式

单桩在轴向受压荷载作用下,处于不同情况的不同破坏模式可按下述几种常遇的典型情况作一简略分析(图4．8).

图4．8 轴向荷载作用下的单桩破坏模式图

第一种情况,当桩底支承在很坚硬的地层上,桩侧土为软土层且其抗剪强度很低时,如图4．8(a)所示,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.此时在荷载－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[图4．8(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.此时在p－s曲线上可求得明确的破坏荷载,桩的承载力主要取于桩底土的支承力,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[图4．8 (c)],桩在轴向受压荷载作用下,将会出现刺入式破坏.根据荷载的大小和土质的不同,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).此时桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同支承,即一般所称的摩擦桩,或几乎全由桩侧摩阻力支承,即纯摩擦桩.因此,桩的轴向受压承载力,取决于桩周土的强度或桩本身的材料强度.一般情况下桩的轴向承载力都是由土的支承能力控制的,对于柱桩和穿过土层土质较差的长摩擦桩,则两种因素均有可能是决定因素.