文献综述-单桩竖向承载力的确定方法

单桩竖向承载力的确定方法杨洪磊2002150055摘要：桩基础由于其优良的性能和成熟的施工工艺在工程领域得到了广泛的应用。单桩竖向承载力是桩基础的基本要素。本文从桩基础的工作原理入手，分析了桩土间的作用力关系及单桩竖向承载力的影响因素，并在此基础上对现在常用的桩基础竖向承载力的确定方法进行了介绍，并逐个分析了各个方法的优缺点。关键词：桩基础；竖向承载力；工作原理；确定方法DetermineMethodofVerticalBearingCapacityofPileFoundationAbstract:Pilefoundationhasbeenwidelyusedinengineeringconstructionduetoitsgoodperformanceandsophisticatedconstructiontechnology.Theverticalbearingcapacityisthebasicfeatureofpilefoundation.Fromworkingprincipleofpilefoundationthepaperanalyzedtheforcerelationshipbetweenpilefoundationandsoil,andtheinfluentialfactorsontheverticalbearingpile.Thepaperintroducedsomecommonmethodstocalculateverticalbearingcapacityofpilefoundationandtheadvantagesanddisadvantagesofeachmethod.Keywords:pilefoundation;verticalbearingcapacity;workingprinciple;determinemethod0引言桩基础由于其具有承载力高、稳定性好、对沉降变形适应能力强的特点，在工程建设领域得到了广泛的运用。现代桩基础的桩型主要有钢管桩、混凝土桩及钢筋混凝土桩、灰土桩、砂状、碎石桩等多种形式。国内外学者对桩基础承载力方面的研究已有较长历史且也取得了一定的成果。目前确定单桩竖向抗压承载力的方法繁多，因此对各种方法进行归纳总结并分析各个方法的优缺点对工程应用及学术研究是十分必要的。本文在分析了桩基础的工作原理的基础上，介绍了目前主要的单桩竖向承载力确定方法，并分析了各种方法的优缺点。1桩基础的工作原理当桩顶受压时，桩身横截面将因受力而压缩，相对土产生向下的竖向位移，与此同时土将对桩的侧面产生向上的反作用力(桩侧摩阻力)，桩身所受荷载也相应传到了桩周围的土体。因桩周土体的向上摩阻力作用，致使桩身轴力呈现出从上到下实际上是依次递减的趋势。当荷载不大时，仅上部桩土产生相对运动，而下部无相对位移。继续加大荷载，桩身压缩量及位移量逐渐加大，侧摩阻力相应增加，当桩底端的土与桩将发生相对位移时，此时侧摩阻力最大，桩底将压缩桩端土而产生土的反作用力(桩端阻力)。因此，桩基础工作时实际上是桩侧摩阻力先发挥，桩端阻力后发挥，桩身上部土体先于下部土体受载的过程。当侧摩阻力和端阻力达到极限时，若继续加载，则桩底土被压缩，桩体有向下的塑性挤出，产生剪切破坏。2单桩竖向承载力的影响因素（1）桩身穿越的地质条件。作为对桩的竖向承载力起关键性作用的因素，桩身穿越的地质条件直接影响土层的强度、变形性质和应力历史，从而进一步影响到土对桩的桩端阻力和桩侧摩阻力。另外，当桩穿越欠同结土层厚度较大时，地层会产生负摩阻力，对桩基础有较大影响。（2）成桩工艺。成桩方法与工艺对桩侧摩阻力和桩端阻力都有重要的影响。采用不同的成桩工艺，会对地层产生不同的扰动，同时也影响到桩体自身的质量状况，从而影响到桩基础的竖向承载力。对于预制打入式，桩承载力易于保证，而灌注桩因灌注质量无法有效保证会出现一定的问题。不同的成桩工艺，会提高或降低桩基础竖向承载力。因此在一些规范的计算公式中，考虑成桩工艺的不同，会给出不同的成桩工艺系数。（3）桩身与桩底的几何特征。桩身的比表面积(侧表面积与体积之比)越大，由桩侧摩阻力所提供的承载力就越高。（4）桩径和桩长。桩长和桩径作为桩基础竖向承载力的重要影响因素之一，对桩基荷载的传递具有重要作用。国外的研究表示，建议在长桩中相应减小打人桩的侧面摩擦系数。（5）时间影响。对于摩擦型桩，入土后的承载力不是一定值，它会随时间的变化而呈增长趋势，这称之为桩基承载力的时间效应。对于钻孔桩，当成孔时间较长时，孔壁侧向应力解除、应力松弛明显，从而会影响桩基础的侧摩阻力的发挥。3单桩竖向承载力的确定方法3.1直接法3.1.1静载荷试验为了使静载荷试验能反映真实的桩的承载力，打人式预制桩和沉管灌注桩在设置后，宜间隔一段时间才开始静载试验，一般间歇时间不宜少于两周，对于砂土可以短些，软土则应长些，灌注桩的间歇时间还应满足混凝土达到设计标高的时间要求。根据试验纪录可绘制各种试验曲线，如载荷一桩顶沉降曲线和沉降一时间(对数)曲线等，单桩极限荷载可通过试验曲线反映的变形特征分析确定，已有的这类分析方法很多，但主要的有以下三种：（1）载荷一桩顶沉降曲线明显转折点法。有静载荷试验绘制的载荷一桩顶沉降曲线如果其末端明显向下弯折，则可取该明显转折点所对应的荷载作为单桩的极限荷载。（2）沉降一时间(对数)曲线斜率明显转折法。取桩顶沉降作纵坐标，时间的对数作横坐标，绘出每一级荷载下的沉降一时间(对数)曲线，在这一组曲线中取斜率剧增且发生明显向下转折的那一条曲线所对应的荷载作为破坏荷载，取其前一级荷载作为单桩的极限荷载。（3）按桩顶沉降量确定。相应于极限荷载下的桩顶沉降量，世界各国的规定很不一致，但多数认为采用一个与桩径有关的相对沉降标准，比规定某一个绝对桩顶沉降量作为确定单桩极限荷载的标准要合理，一般认为以产生桩顶沉降等于10％桩径时的荷载作为极限荷载。3.1.2动力测定方法动力测定方法预估单桩竖向抗压承载力，按其基本原理可分为高应变方法和低应变方法两类。高应变方法是直接测定桩在动力状态下的极限土阻力，然后用半经验、半理论方法将他分成动阻尼力和静极限阻力两部分，以求得实际静极限承载力。低应变方法是测定桩——土系统的某一弹性特征值(例如动刚度等)，然后必须采用经验方法由动静试验结果对比资料按实测弹性特征值估算单桩容许承载力。测试时激振能量较小，桩周土一般都处于弹性变形状态。该法主要用于桩身质量检测，用于预估单桩竖向抗压承载力时应慎重。高应变方法包括波动方程法、锤击贯入法和动力打桩公式法。具体如下：（1）波动方程法（CASE法）。它采用重锤敲击桩顶，使桩产生贯人度；同时由于锤击引起桩身内应力波的传播，根据一维波动方程的解和假定的参数，可以求得桩侧土和桩端土的动阻力，分析中可假定桩为均质等截面的弹性杠（连续模型），也可以作为离散模型考虑。现场试验时，通过安装在桩顶部的应变计和加速度传感器，测得锤击后桩顶的速度和力的时程曲线，从而求出动阻力，最后得出静阻力即单桩的极限承载力。（2）锤击贯人法。它也采用重锤敲击桩顶，使桩产生贯人度，通过重锤的不同落高，由小增大得到相应贯人度，同时通过装在锤上的力传感器，测得每次敲击时的锤击力，并可绘制最大锤击力与累计贯人度的关系曲线，该曲线与单桩静载荷试验的载荷—桩顶沉降曲线有相似性，即可由动测曲线最大锤击力与累计贯人度的关系曲线的陡降起始点所对应的锤击力作为动极限承载力，并按经验公式计算出静极限承载力。（3）动力打桩公式法。它是根据打桩锤击时所作的功和实测灌人度，按牛顿碰撞理论和能量守恒定理，直接计算出桩的极限承载力。因公式推导中采用了不同的简化假定，所体工程中有许多不同的动力打桩公式，但这些公式中都有许多参数(如锤击效率系数，撞击恢复系数，桩帽、桩垫和锤垫的弹性变形值)难以准确确定，因此使用中有很大的经验性。低应变方法包括动力参数法、共振法、机械阻尼法和水电效应法。具体如下：（1）动力参数法。它是通过自由下落的穿心锤锤击桩顶垫板使桩产生竖向自由振动，待锤击反弹后再次自由下落撞击桩顶，通过安装在桩顶的拾振器测得前后两次撞击的振动波形，得到桩一土体系的自由振动频率和两次撞击的时差，求得回弹高度，从而求出碰撞系统、桩顶振动的初速度，最后得出单桩的容许承载力。（2）共振法。它是用电磁激振器对桩顶进行扫频激振，使桩产生竖向的强迫振动，当频率由低到高变化时，在某一个(或几个)频率上使桩—土体系产生共振，并通过安装在桩顶的传感器测得桩顶的相应值随频率的变化曲线，采用多自由度的质量—弹簧—阻尼器的模型分析，根据共振频率和桩顶响应的幅频曲线求得桩—土体系综合动刚度，最后得出单桩的容许承载力。（3）机械阻抗法。它采用扫频激振的方法进行稳态激振，也可采用冲击方法进行瞬态激振，通过安装在桩顶的力和相应传感器，测得桩顶的导纳曲线正弦激振力，相应于每一激振频率的桩顶振动速度，通过求得的桩—土系统的机械阻抗和动刚度，最后得出单桩的容许承载力。（4）水电效应法。它是通过桩顶上的水容器内进行放电，对桩顶施加一瞬态脉冲压力波，由于水介质不传递剪切波，故桩只受压缩波的作用而产生竖向的自由振动，通过安放在容器内水中的水听器和容器外桩顶上的速度计和加速度计，即可测得放电时作用在桩顶的脉冲压力和桩顶的速度和加速度，最后得出单桩的容许承载力。该试验中桩端土仍处在弹性范围，因此，直接求算的桩的极限承载力是否适宜，可作进一步探讨。3.2间接法（1）按土的抗剪强度指标确定按土的抗剪强度指标确定桩的承载力时，应根据具体情况选用合理的力学指标，如对不排水情况下的饱和粘土中的桩，应采用不排水的粘聚力、摩擦角试验值；对排水情况下粘土和砂土中的桩则采用排水的粘聚力、摩擦角试验值。（2）按土的原位试验结果确定土的原位试验有静力触探法、标贯试验法、旁压仪试验法等。（3）经验公式法在我国《建筑低级基础设计规范》、《铁路工程技术规范》、《公路桥涵设计规范》《上海市地基基础设计规范》、《港口工程桩基规范》等有关技术规范都列有建议的单位极限端阻和单位极限侧阻值，这些参数与土层的物理力学指标有关系，是有关部门对大量工程实践及试桩资料统计分析提出相应的经验参数，再根据桩的摩阻力和侧阻力计算桩基承载力。但应用这些技术规范时应注意其局限性，特别是地区的局限性，往往不同的规范和地区提供的桩端阻值和侧阻值有一些差异。3单桩竖向承载力确定方法的比较桩的静载荷试验是公认的确定桩基承载力的最可靠方法。也是检验其他方法精度的依据，其效果得到了学者的一致认可，但试桩花费时间长、费用高，且试验结果受个别试桩结果影响较大，在特殊恶劣条件下往往无法开展试验或对试验效果有影响。与静载荷试验相比，动力测桩法快速方便，时间和费用较少，但其结果受测试系统和测试人员素质的影响，适用范围有限，还需进行更深入的研究。理论公式法从桩的竖向承载机理人手，合理考虑了桩的侧阻力和端阻力，其结果应该是毋庸置疑的，但是理论提出时必然要进行简化和建设，而实际工程地质条件往往是复杂多样的，与假设的理论条件有差异，因而理论计算的结果往往与实际不能很好地吻合。作为当前广泛运用并作为设计、计算依据的经验公式和规范法是经过长期工程实践统计分析的结果，其数值能够满足工程需要。但其多半为经验统计公式，结果也往往偏于安全，不能完全发挥桩基价值，此外有些经验公式差异较大，受行业和地区影响显著。4结论与建议（1）桩发挥承载能力的过程是桩土发生相对位移时，桩侧土和桩端土共同受载的过程，且桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥，上部土先于下部土发挥。（2）桩的承载力受地质条件、成桩工艺、桩长和桩径、桩身和桩底特征、时间等因素的共同影响，但各种因素对不同类型的桩又有不同影响。（1）一般可分为直接法和间接法两大类，其中直接法主要包括静载荷试验法和各种动力测定方法；而间接法则主要包括按土的抗剪强度指标确定法、按土的原位试验结果确定法以及经验公式法等。确定单桩竖向承载力的各种方法各有优劣，在工程中应该根据工程类型和地质条件选择合适的确定方法，也可以多种方法共同使用；在学术研究中，