[科普中国]-单桩承载力

单桩承载力是指单桩在荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。一般情况下，桩受到轴向力、横轴向力及弯矩作用，因此须分别研究和确定单桩的轴向承载力和横轴向承载力。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，将对正确确定单桩承载力有指导意义。

定义单桩承载力是指单桩到达破坏状态时所能承受的最大轴向静荷载，它取决于土对桩的支承力和桩身材料强度，并取用两者中的较小值。单桩承载力的估算是桩基工程的一个重要环节 ,特别是在二级、三级建筑物单桩承载力的确定过程中。确定单桩极限力的方法很多1。

按土对桩的支承力确定单桩承载力的方法分为静力法和动力法两大类。前者根据室内和原位土工试验的资料，后者则根据沉桩过程中或沉桩后的现场动力测试的资料，然后应用理论分析方法或者应用工程实践经验来估算单桩承载力。静力法可分为经验公式法、理论计算法、现场静载试验法等。动力法可分为打桩公式法、应力波动方程法等。单桩承载力主要由土对桩的支承力所控制；但对于端承桩、外露段较长的桩、超长桩、混凝土质量不易控制的就地灌注桩等，有时可能由桩身材料强度所控制。

单桩抗压承载力通过桩侧阻力与桩端阻力直接相加方法计算得到时，不管是特征值设计法还是极限值设计法，在概念及理论上均存在着不完善之处，主要原因是桩侧阻力与桩端阻力的力学特性及对变形的要求不同、不能同步发挥所致。相对来说，极限值设计法更直接、更可靠、更准确，概念更明确，且易于与国际接轨，建议规范优先采用。

单桩轴向荷载传递机理和特点传递机理

桩在轴向压力荷载作用下，桩顶将发生轴向位移(沉降)=桩身弹性压缩+桩底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，传至桩底轴向力也即桩底支承反力，桩底支承反力=桩顶荷载-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。

土对桩的支承力=桩侧摩阻力+桩底阻力

桩的极限荷载(或称极限承载力)=桩侧极限摩阻力+桩底极限阻力

桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关，并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，在粘性土中约为桩底直径的25%，在砂性土中约为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，具体数量认识尚不能有一致的意见，但一般认为粘性土为4～6mm，砂性土为6~10mm。

不同桩型的特点

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以发挥，对于这类柱桩国内已有规范建议可予以计算桩侧摩阻力。

摩擦桩： 桩底土层支承反力发挥到极限值，则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，也因桩身压缩变形大，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，此时确定桩的承载为时桩底极限阻力不宜取值过大。

桩侧摩阻力=f(土间的相对位移，土的性质， 桩的刚度，时间，土中应力状态，桩的施工）

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∝桩侧土的剪切强度

桩侧土的剪切强度=f(类别、性质、 状态和剪切面上的法向应力)

桩的刚度较小时，桩顶截面的位移较大而桩底较小，桩顶处桩侧摩阻力常较大；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，以致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，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，应分别情况予以注意。在塑性状态粘性上中打桩，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。待打桩完成经过一段时间后，超孔隙水压力逐渐消散，再加上粘土的触变性质，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强度，桩侧摩阻力得到提高。

在砂性上中打桩时，桩侧摩阻力的变化与砂土的初始密度有关，如密实砂性上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、土中的侧向应力及上质分布及性状均随深度变比，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。

如图所示两例来说明其分布变化。

其中，a) 为上海某工程钢管打入桩实测资料,在粘性土中的打入桩的惦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。现常近似假设打入桩桩侧摩阻力在地面处为零；b) 图为我国某工程钻孔灌注桩实测资料，从地面起的桩侧摩阻力呈线性增加，其深度仅为桩径的5一10倍，而沿桩长的摩阻力分布则比较均匀。而对钻孔灌注桩则近似假设桩侧摩阻力沿桩身均匀分布。

桩底阻力=f (土的性质，持力层上覆荷载，桩径，桩底作用力、时间及桩底端进持力层深度）

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提高会随着时间而增长。

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粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩底阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度h。

h与持力层的上覆荷载和持力层土的密度有关。 上部荷载越小、持力层土密度越大，则h越大。

当持力层下为软弱土层也存在一个临界厚度tc 当桩底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，持力层土密度越高、桩径越大，则tc越大。

由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时，要根据夹层厚度，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，软弱土对单桩的影响更大。

第一种情况：

当桩底支承在很坚硬的地层，桩侧土为软上层其抗剪强度很低时，（如图a)，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。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(如图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。在PT曲线上可求得明确的破坏荷载。桩的承载力主要取于桩底士的支承力，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(如图c)，桩在轴向受压荷载作用下，将会出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同，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)。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同支承，即一般所称摩擦桩或几乎全由桩侧摩阻力支承即纯摩擦桩。

单桩轴向容许承载力

单桩在轴向荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩轴向极限承载力(极限桩侧摩阻力与极限桩底阻力之和）考虑必要的安全度后求得的。

确定方法有多种 ，考虑地基土具有多变性、复杂性和地域性，几种方法作综合考虑和分析，合理地确定。

桩的有效长度

桩所受的荷载向下传递时，桩侧不同深度的摩阻力是异步发挥的，这表明了摩擦桩存在着有效长度，如同锚杆存在着有效长度一样。如深圳地区近些年来随着对前海片区及后海片区的开发建设，桩长超过 60、70 m 的超长桩应用越来越多。很多静载试验结果表明，桩的长度达到一定程度后，承载力与桩长不再成比例增长，其增长速率下降，即侧摩擦力的效率降低。这就意味着，当桩长较长时，如果不嵌岩，按照规范计算得到的桩长有时不一定够用，可能需要更长甚至入岩。深圳后海某桩基工程为非嵌岩桩，以强风化花岗岩为持力层，旋挖成孔，成桩后选3 条桩进行静载试验桩长50 ～ 60 m，试验结果表明，单桩承载力都达不到设计要求，最低的仅为设计值的40%：直径1.0 m，桩长54 m，设计承载力极限值17400 kN（其中计算书中桩侧阻力极限值13800 kN ），试验结果仅为6960 kN。虽然最终归因于施工质量欠佳（抽芯检测桩底有 1 m 多厚的沉渣2）。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所