單樁的荷載傳遞機理分析

楊 森 黃 林

(機械工業勘察設計研究院有限公司成都分公司，四川 成都 610018)

單樁的荷載傳遞機理分析

楊 森 黃 林

(機械工業勘察設計研究院有限公司成都分公司，四川 成都 610018)

單樁工作性能的研究是單樁承載力分析的理論基礎。通過對樁土相互作用和影響荷載傳遞影響因素的分析，了解樁土間的傳力途徑和單樁承載力的構成及其發展過程，以及單樁的破壞機理等，對正確評價單樁軸向承載力具有一定指導意義。單樁靜載荷試驗的荷載-沉降關系曲線可分為陡降型和緩變型兩類型態；陡降型曲線有明顯的特征點，緩變型曲線沒有明顯特征點，其極限承載力并不取決于樁的最大承載力能力或整體失穩，而是不能滿足繼續承載的變形。

單樁、荷載傳遞、靜載試驗、破壞模式

0 引言

樁基礎的作用是將荷載跨越淺部土層傳遞到深部地基土層的一種深基礎，這種荷載傳遞是通過樁與樁間土的相互作用進行的。

單樁工作性能的研究是單樁承載力分析的理論基礎。通過樁土相互作用分析，了解樁土間的傳力途徑和單樁承載力的構成及其發展過程，以及單樁的破壞機理等，對正確評價單樁軸向承載力具有一定指導意義。

1 單樁的荷載傳遞機理及影響因素

逐級增加單樁樁頂荷載，樁身上部受到壓縮而產生相對于土的向下位移，從而使樁側表面受到土的向上摩擦力。隨著荷載增加，樁身壓縮和位移隨之增加，使得樁側摩擦力從樁身上段向下逐次發揮；樁底持力層也因受壓引起樁端反力，導致樁端下沉、樁身隨之整體下移，這又加大了樁身各截面的位移，引發樁側上下各處摩阻力的進一步發揮。當沿樁身全長的摩阻力都到達極限值之后，樁頂荷載增量就全由樁端阻力承擔，直到樁端持力層破壞、無法支承更大的樁頂荷載為止。此時樁頂所承受的荷載就是樁的極限承載力。

樁側阻力和樁端阻力的發揮所需的樁土相對位移大小是不一樣的。側阻力充分發揮所需的相對位移不超過20mm，對于大直徑樁，位移為樁身直徑的3%～6%。而端阻力充分發揮作用的情況比較復雜，與樁端土的類型、性質、樁長、樁徑、成樁工藝和施工質量有很大關系。

由此可見，單樁軸向荷載的傳遞過程就是樁側阻力和樁端阻力的發揮過程。樁頂荷載通過發揮出來的樁側阻力傳遞到樁周土層中，從而使樁身軸力與樁身壓縮變形隨深度遞減。對一般樁基礎，在工作荷載作用下，靠近樁身上部土層的側阻力先于下部土層發揮，側阻力先于端阻力發揮。只有對支承于堅硬巖基上的剛性短樁，由于樁端無法下沉，而樁身壓縮量很小，摩擦阻力無法發揮作用，端阻力才能先于側阻力發揮作用。

2 影響荷載傳遞的因素

（1）樁端土與樁周土的剛度比

樁端土與樁周土的剛度比越小，樁身軸力沿深度深度衰減越快，傳遞到樁端的荷載就越小。對于中長樁，當剛度比等于1時，樁側阻力接近于均勻分布、幾乎承擔了全部荷載，樁端阻力僅占荷載的5%左右，即屬于摩擦樁；當剛度比很大時，樁身軸力上段隨著深度減小，下段近乎沿深度不變，即樁側摩擦力上段可得到發揮，下段則因樁土相對位移很小而無法發揮出來，樁端分配絕大多數荷載，即屬于端承樁。

（2）樁土剛度比

樁土剛度比越大，傳遞到樁端的荷載越大，但當樁土剛度比超過1000后，對樁端阻力分配荷載比的影響不大。而對于樁土剛度比小于10的中長樁，其樁端阻力分擔荷載幾乎接近于零，這說明對于砂樁、碎石樁、灰土樁等低剛度樁組成的基礎，應按照復合地基工作原理進行設計。

（3）樁端擴底直徑與樁身直徑的比值

樁端擴底直徑與樁身直徑的比值越大，樁端阻力分擔的荷載比越大。對于均勻土層中的中長樁，當擴底直徑與樁身直徑的比值等于3時，樁端阻力分擔的荷載比將由等直徑樁的約5%增加至35%左右。

（4）樁的長徑比

隨著長徑比的增加，傳遞到樁端的荷載減小，樁身下部側阻力的發揮值相應降低。在均勻土層中的長樁，其樁端阻力分擔的荷載比趨于零。對于超長樁，無論樁端土的剛度多大，其樁端阻力分擔的荷載都小到可忽略不計，即樁端土的性質對荷載傳遞不再有任何影響，且上述各影響因素均失去意義。可見，長徑比很大的樁都屬于摩擦樁，在設計這樣的樁時，試圖采用擴大樁端直徑來提高承載力效果并不明顯。

3 單樁靜載試驗的破壞模式

單樁靜載荷試驗所得到的荷載-沉降（Q-s）關系曲線所呈現的沉降特性和破壞模式，是荷載作用下樁-土相互作用內在機理的宏觀反映，大致可分為陡降型和緩變型兩類型態，他們隨樁側和樁端土層分布與性質、樁的形狀和尺寸、成樁工藝和成樁質量等諸多因素而變化。對樁底持力層不堅實、樁徑不大、破壞時樁端刺入持力層的樁，其Q-s曲線多呈陡降型，相對于破壞時的特征點明顯，據之可確定單樁極限承載力。對樁底為非密實砂類土或粉土、清孔不凈殘留虛土、樁底面積大、樁底塑性區隨著荷載增加逐漸擴展的樁，則呈緩變型，其Q-s曲線不具有表示變形性質突變的明顯特征點，因而較難確定極限承載力，為了發揮這類樁的潛力，其極限承載力應按照所能承受的最大沉降確定。事實上，對于緩變型的樁，在荷載達到極限承載力后再繼續施加荷載，也不會導致樁的整體失穩和沉降的顯著增加，因此這類樁的極限承載力并不取決于樁的最大承載力能力或整體失穩，而是不能滿足繼續承載的變形。

4 結語

（1）單樁工作性能的研究是單樁承載力分析的理論基礎。通過樁土相互作用分析，了解樁土間的傳力途徑和單樁承載力的構成及其發展過程，以及單樁的破壞機理等，對正確評價單樁軸向承載力具有一定指導意義。

（2）單樁靜載荷試驗的荷載-沉降關系曲線可分為陡降型和緩變型兩類型態。陡降型曲線有明顯的特征點，可根據特征點確定單樁極限承載力；緩變型曲線沒有明顯特征點，其極限承載力并不取決于樁的最大承載力能力或整體失穩，而是不能滿足繼續承載的變形，極限承載力應按照所能承受的最大沉降確定。

[1] 華南理工大學等，地基與基礎[M]. 北京：中國建筑出版社，1991

[2] 劉建航，侯學淵，基坑工程手冊[M]. 北京：中國建筑出版社，1997

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[4] JGJ94-2008,建筑樁基技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2008

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1007-6344（2015）04-0346-01