桩和桩机的若干机理与理论问题

桩和桩基础若干机理与理论问题刘金砺（中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京100013）摘要：桩和桩基础的某些承载变形机理有待再认识，现代建设工程涌现出一些新问题值得探讨。

本文从试验研究和工程实践中提出以下有别于传统认知、引人思改的问题，并阐明其发生机理、工程应用、研究思路的建议。

主要是：桩端阻力对侧阻力的影响源于桩身变形的泊松效应；长桩和超长桩群桩基础的沉降计算应考虑其荷载传递、沉降变形机理特征；承台效应是复合桩基设计计算的关键，应考虑土的类别，合理确定承台效应系数；共同作用分析中桩土刚度凝聚，应对桩土相互影响系数区别土性对弹性理论值进行修正；抗拔桩采用扩底、侧注浆、后张预应力承载力和变形机理的异同；采用线弹性地基m法计算建筑桩基的合理性；软土和非软土地区基坑开挖回弹和回弹再压缩的不利和有利影响。

关键词：泊松效应；长桩；承台效应；桩土相互影响系数；抗拔桩；无黏结预应力；m法；基坑回弹1、引言人类应用桩基础虽然已历经数千年，但由于桩和桩基础的承载性状受地基土性、桩土相互作用、成桩效应等诸多因素影响而趋于复杂，即使是某些工程中常见的承载变形机理和理论计算模式仍然值得人们进一步探讨，现代桩基工程提出的新问题更是有待破解。

前人通过试验研究揭示机理，以揭示的机理为基础，运用力学原理制定相应的计算模式，通过工程实践和再试验研究检验、改进、丰富既有理论，由此，推动桩基工程技术不断进步。

关于单桩侧阻力和端阻力的发挥机理及受桩径、土性、上覆土层、成桩工艺诸因素的影响；端阻力大小对侧阻力发挥值的影响；关于等截面桩、扩底桩、侧注浆桩、后张预应力灌注桩抗拔承载力的变化与机理；关于桩与承台共同分担荷载的复合桩基的承台效应；关于共同作用计算中桩土刚度凝聚和变刚度调平设计；关于长桩的荷载传递与变形特性及其群桩基础的沉降计算；关于水平承载单群桩的工作机理与计算；关于基坑开挖回弹和回弹再压缩的影响等诸多问题，有的属于常规传统问题，有的属于现代建设工程桩基应用中提出的新问题。

本文首先把这些问题提出来，并就其中的某些机理进行探讨，或提出进一步研究的思路。

2、桩侧阻力和桩端阻力2.1单桩侧阻力传统的认知是：单桩的侧阻力是桩顶受载后发生于桩土界面的摩擦阻力，简称摩阻力；桩侧阻力发挥至极限值所需的相对位移值Wu ，对于黏性土为5～10mm ，对于砂土为10～20mm ，与桩径大小无关。

通过近20多年来的试验研究和工程实践获得的新认知是：发挥侧阻所需的相对位移并非定值，而是与桩径大小、成桩工艺、土层性质及各土层竖向分布位置（处于桩侧的上、中、下方）有关；桩土剪切滑移面除坚硬粘土层出现于桩土界面外，一般出现于紧靠桩表面的土体中，极限侧阻力等于桶形面上土的剪切强度，q su =σr tg ϕ+c ；对于灌注桩，由于混凝土浇注过程有水泥浆渗入孔壁土中形成紧固于桩表面的薄层水泥土，滑移面发生于其外侧的土体中；当采用泥浆护壁且泥浆较稠时，桩表面附着低强度泥皮，滑移面发生于泥皮中；当实施后注浆时，滑移面发生于注浆硬壳层外侧。

由此看出，称桩侧阻力为摩阻力不符合其作用机理。

表1所列为日本某地灌注桩试验所测得的不同荷载下的桩土相对位移和对应桩侧阻力，桩侧为冲填砂、淤积砂砾、黏土、砂与黏土交互层，桩端进入密实砂层，桩径d ＝2m,桩长L ＝40m 。

由表1可知，该静力试桩桩顶加载达40MN ，桩顶沉降达202mm （≈10%d ）；浅层土（0～8.5m ）的侧阻力极限值对应的相对位移W 为45～122mm （w/d ＝2.3～6.1%）；随着土层埋置深度增加，发挥侧阻所需位移增大，24m 以下的砂砾层和砂黏土交互层，当相对位移接近桩径的10%时，其侧阻力尚未达极限值。

s 图1所示为桩侧土剪应力与剪应变关系。

由剪切变形形成的沉降漏斗最大半径r m ＝n r 。

；桩侧剪应力达到极限，相应的桩身沉降为Wu 。

利用下述关系可求得发挥极限侧阻对应的Wu 。

r 处的剪应变 γ＝dr dw ＝sG rτ（1）由于桩侧单位高度上的侧阻力q s 与半径为r 处单位高度圆环面上的剪应力的总和相等，πdq s =2πr r τ，故有τr ＝rd 2q s （2）故将式（2）代入式（1）积分得：Wu ＝⎰。

nr r sG d 2q su r dr图1 桩侧土剪应力与剪应变关系＝sG d 2q su ln n （3）由式（3）可知，桩侧阻力发挥至极限所需桩土相对位移Wu 随桩径d 增大和土的剪切模量Gs 降低而增大。

表1所列试桩桩侧土以松散砂为主，这也是导致发挥侧阻所需桩土相对位移增大的因素之一。

另外，该组试桩系采用Benoto 工法成孔，套管来回旋转对桩侧土的扰动作用大，这也是导致发挥极限侧阻所需相对位移大幅增加的另一因素。

由此可得到如下认识：发挥极限侧阻所需桩土相对位移随桩径、土性和成桩工艺而变化。

建筑桩基常用桩径为φ600～φ800,桩径的影响并不显著，但土性和成桩工艺影响则较明显，如密实土所需相对位移小于散松土，预制桩所需相对位移小于灌注桩。

桩侧阻力的理论计算公式，如β法极限侧阻随上覆压力线性增大，以及侧阻力的临界深度（l /d ）cr ＝10～15,与实际情况并不相符。

因为土拱效应导致上覆压力对侧阻的影响明显减小，土层愈密实，上覆压力影响受土拱削弱效应愈明显。

2.2单桩端阻力发挥极限端阻所需桩端位移一般不小于桩径的10%。

桩端极限阻力的大小取决于持力层的强度和破坏模式。

桩端土的破坏模式受土的强度和压缩性影响，土强度愈低、压缩性愈高，其剪切包络面涵盖体积愈小，桩端极限阻力愈小。

对于桩端为软弱持力层或大厚度沉渣情况，桩端土不形成连续剪裂面，呈现小体量塑性挤出，即“刺入破坏”；随着土体强度增高、压缩性降低，桩端土剪切区扩大，呈现渐进型“局部破坏”；只有当桩端置于坚硬持力层，且上覆软土层时，才可能出现剪切区开展至桩端平面以上的“全部破坏”。

大直径灌注桩侧阻力和端阻力的发挥所需桩土相对位移大，对于超长大直径桩，侧阻和端阻异步发挥更为明显，静载试验Q-S曲线呈缓变，以沉降控制判定的极限承载力，其端阻并未达到极限，在相应于承载力特征值荷载作用下，端阻力发挥率往往很小。

故设计时桩径的选择应考虑沉降的群桩效应及工程特点确定。

既有桩端极限端阻力理论计算公式包括Te rz ag h i(1943)、M ey e rh of(1953)、БepeзАнцe B(1961)、Vesic(1964，1975)、Janbu(1976)等公式都是基于假定的全部破坏不同滑裂面图式导得。

故以这些公式计算受土性、成桩工艺影响而变化的非全部破坏模式的极限端阻力，往往会得出比实际偏大的结果。

鉴于桩端阻力理论计算式实用性不强，目前工程初设阶段主要应用基于静载试验结果统计所得的物理参数法或静力触探原位测试法。

2.3桩端土刚度对侧阻力的影响[2][3][5][6]关于桩侧阻力和桩端阻力的相互关系传统认知是：各自独立、互不影响。

由以下试验研究成果引发人们对传统认知的质疑。

（1）文献［2］所述北京市桩基研究小组在天壇小区的试验结果（表2）表2 北京天壇小区不同桩端土刚度试验结果（2）文献［3］所述试验结果（表3）表3 文献［2］不同桩端刚度试验结果（3）文献［6］所述的上海某工程2根工程桩静载试验，桩端持力层为T2层粉砂层，2根桩沉渣厚度分别为0和50mm，静载试验结果如表4。

表4 上海某工程2根静载试桩（4）文献［5］所述石家庄现场模型桩试验，桩径为190mm，桩长分为3m（A组）、5m （B组）、7m（C组）、9m（D组）4种，桩端持力层分别为粉土、粉细砂、砂砾、粉土；各组试桩孔底处理情况分为三种情况：1、孔底放置50cm高草笼；2、30kg重锤夯3击；3、垫30cm厚干拌混凝土，30kg重锤夯20击。

试验结果如表5。

表5 石家庄模型桩试验结果上述4项试验结果反映出在其他条件相同的情况下，桩端土刚度愈大（端阻力愈大），桩侧极限阻力愈高。

出现这种现象的机理，较多的解释是桩端土破坏时发生梨形剪切滑裂面，滑动体对桩侧表面产生附加法向压应力，从而提高桩侧阻力。

然而，根据对桩端平面周围土体的观测（深标）表明，由加载起到破坏，土体一直发生漏斗形沉降，无隆起现象。

由此看出，桩端土刚度对侧阻力的增强机理仍值得进一步探讨。

桩端土刚度对桩侧阻力起增强效应这一事实给设计者的重要启示是：选择良好的桩端持力层，严控桩端虚土、沉渣，或采用桩端后注浆等措施是至关重要的。

3、抗拔桩随着地下空间开发和利用的发展，地下室抗浮桩的应用日趋广泛。

为提高抗浮桩的抗拔承载力，采用扩底或桩侧注浆是两种有效的措施。

为提高抗拔桩的抗裂性能和承载力，近年开发成功灌注桩钢绞线无黏结预应力技术［10］。

3.1桩侧注浆灌注桩和扩底灌注桩抗拔桩［7］［8］［9］表6所列为某软土场地深埋地下500kv 变电站二组抗拔桩试验结果。

试验分扩底桩（T 1、T 2、T 3）及侧注浆桩（T 3、T 4、T 5）,桩径d ＝800mm ，桩长L ＝82m ，扩底D ＝1500mm 。

表6 试桩上拔荷载与土拔位移由表6看出，随上拔荷载增加，扩底桩与侧注浆等截面桩的上拔位移差异逐渐扩大，当荷载超过1/2极限荷载时，扩底桩的上拔位移较侧注浆桩大约40%，这是由于二种桩型的抗拔阻力分布模式不同所至。

扩底桩桩身侧阻力较侧注浆桩低，很大一部分抗拔阻力集中于桩底扩头，而侧注浆桩的抗拔阻力分布于全桩长。

由此导致两者的桩长位伸量不同，桩身拉伸量可由下式计算：△ι＝AEp1⎰︒l［Q 。

-πd⎰︒zq s (z)dz ］dz＝ξe AEpl Q 。

（4）由式（4）,当q s (z)＝0为端拉构件时，ξe ＝1.0, △l ＝Q 。

l /AEp ；扩底桩桩身侧阻力约为侧注浆桩的2/3，假定二者侧阻力均为矩形分布，则扩底桩和侧注浆桩的桩身拉伸量分别为：△l ＝2Q 。

l /3AEp ；Q 。

l /2AEp ，前者为后者的1.33倍。

由此可见，软土地区抗拔长桩，侧注浆灌注桩的技术性能优于扩底桩，尤其是当位移控制较严时更能显示其优势。

3.2预应力灌注桩和普通灌注桩抗拔桩［10］图2 钢绞线后张无黏结预应力灌注桩和普通灌注桩的抗拔试验结果由图2看出：（1）预应力灌注桩的抗拔承载力明显大于普通灌注桩，两者比值为1.26～1.66。

（2）极限抗拔荷载下的上拔位移，预应力灌注桩小于普通灌注桩；在普通桩的极限抗拔荷载下，预应力桩的上拔位移仅为普通桩的23%～44%。

（3）3组9根试桩的上拔极限承载力都是由桩侧阻力控制，而非桩身钢筋强度控制，因此，可据此分析后张预应力桩与普通灌注桩侧阻力发挥机理及位移大小的异同。

3.3桩身的泊松效应对压、拔桩侧阻力的影响桩身受压导致桩身侧胀，桩身受拉导致桩身内缩，称其为泊松效应。