钻孔灌注桩单桩竖向承载力的确定方法研究

河北农业大学本科毕业论文题目：钻孔灌注桩单桩竖向承载力的确定方法研究学院：城乡建设学院专业班级：土木工程0603班学号：*************学生姓名：***指导教师姓名：宇云飞指导教师职称：副教授二○一○年四月二十日钻孔灌注桩单桩竖向承载力的确定方法研究张杰摘要介绍了常用的钻孔灌注桩单桩竖向承载力确定方法，并对各种方法做出了简单的评价，提出了各种方法的局限性和适用条件，为设计人员在桩基设计时提供参考。

关键词：单桩；竖向承载力；方法Abstract: V arious methods of determining ultimately vertical bearing capacity of single bored pile are introduced. By brief evaluation, the limitation and application condition of each method are pointed out, which will be valuable for the design of bored pile．Key words：single pile; vertical bearing capacity1 引言单桩竖向承载力是指桩所具有的承受竖向荷载的能力，其最大值称为极限承载力。

它通常指受压承载力，抗拔承载力、单桩的荷载传递规律、承载力时间效应及负摩阻力等。

单桩竖向承载力包括地基对桩的支撑能力和桩的结构强度所允许的最大轴向荷载两个方面的含义，以其小值控制桩的承载性能。

通常情况下，地基土的承载能力一般先达到极限状态，结构强度具有较大的安全度，本文将在此前提下进行分析讨论。

单桩竖向承载力分为桩端阻力和桩侧摩阻力，前者主要受到桩的设置方法、土的种类、桩的入土深度、制桩材料、桩土间的相对位移、成桩后的时间等因素影响，后者主要受桩进入持力层的深度、桩的尺寸、加载速率等因素的影响。

加之施工工艺的优劣，影响因素众多，因而选用合适的方法显得尤为重要。

目前，常用方法可分为两大类，一类是直接法，通过试验来确定桩的承载力，包括静载荷试验法、动力测试法、原位测试法等；另一类是间接法，包括静力计算法、规范经验参数法、有限元法、神经网络法等。

2 静载试验法确定单桩竖向受压承载力垂直静载试验法即在桩顶逐级施压轴向荷载，直至桩顶达到破坏为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向容许承载力。

试桩可在已打好的工程桩中选定，也可专门设置与工程桩相同的试验桩。

考虑到试验场地的差异及试验的离散性，试桩数目应不小于基桩总数的2%，且不应小于2根；试桩的施工方法以及试桩的材料和尺寸、入土深度均应与设计相同。

2.1 试验装置试验装置主要由加载系统与观测系统两部分组成。

加载方法有堆载法与锚桩法两种。

堆载法是在荷载平台上堆放重物，一般为钢锭或砂包，也有在荷载平台上置放水箱，向水箱中冲水作为荷载。

堆载法适用于极限承载力较小的桩。

锚桩法是在试桩周围布置4～6根锚桩，常利用工程群桩。

锚桩深度不宜小于试桩深度，且与试桩有一定距离，一般应大于3d 且不小于1.5m （d 为试桩直径或边长），以减小锚桩对试桩承载力的影响。

观测系统主要对桩顶位移和加载数值进行观测，位移通过安装在基准梁上的位移计或百分表量测，加载数值通过油压表或压力传感器观测。

每根基准梁固定在两个无位移影响的支点或基准点上，支点或基准点与试桩中心距应大于4d 且不小于2m （d 为试桩直径或边长）。

锚桩法的优点是适应范围广，当试桩极限承载力较大时，加荷系统相对简单。

但锚桩一般须事先确定，因为锚桩一般需要通长配筋，且配筋总抗拉强度要大于其负担的上拔力的1.4倍。

2.2 试验方法试桩加载应分级进行，每级荷载约为预估破坏荷载的1/10～1/15；有时也采用递变加载方法，开始阶段每级荷载取预估破坏荷载的1/2.5～1/5，终了阶段取1/10～1/15。

测读沉降时间，在每级加载后的第一小时内，在5min 、10min 、15min 、30min 、45min 、60min 时各测读一次，以后每隔30min 测读一次，直至沉降稳定为止。

沉降稳定的标准，通常规定为对砂性土为30min 内沉降不超过0.1mm ，对粘性土为1h 内不超过0.1mm 。

待沉降稳定后，方可施加下一级荷载。

循环加载观测，直到桩达到破坏状态，终止试验。

当出现下列情况之一时，可终止加载：a ．某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍；b ．某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24小时尚未达到稳定；c ．桩顶加载已达到设计规定的最大加载量；d ．异常情况经委托方或设计方同意终止试验。

终止加载后进行卸载，每级基本卸载量按每级加载量的2倍控制，并按15、30、60min 测读回弹量，然后进行下一级的卸载。

全部卸载后，隔3～4h 再测回弹量一次。

2.3 极限荷载和轴向容许承载力的确定破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，从而确定单桩轴向容许承载力：[]P = KP j 式中：[]P ——单桩轴向受压容许承载力（kN ）；j P ——试桩的极限荷载（kN ）；K ——安全系数，一般为2。

实际上，在破坏荷载下，处于不同土层中的桩，其沉降量及沉降速率是不同的，人为地统一规定某沉降值或沉降速率作为破坏标准，难以正确评价基桩的极限承载力。

因此，宜根据试桩曲线采用多种方法分析，以综合评定基桩的极限承载力。

(1)P -S 曲线明显转折点法在P -S 曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的荷载作为极限荷载。

因为当荷载超过该荷载后，桩底下土体达到破坏阶段发生大量塑性变形，引发桩发生较大或较长时间仍不停滞的沉降，所以在P -S 曲线上呈现出明显的下弯转折点。

然而，若P -S 曲线转折点不明显，则极限荷载难以确定，需借助其它方法辅助确定，例如用对数坐标绘制gS gP 11-曲线，可能使转折点显得明显些。

(2)gt S 1-法（沉降速率法）该方法是根据沉降随时间的变化特征来确定极限荷载，大量试桩资料分析表明，桩在破坏荷载以前的每级下沉量（S ）与时间（t ）的对数成线性关系，可用公式表示为：S = gt m 1直线的斜率m 在某种程度上反映了桩的沉降速率。

m 值不是常数，它随着桩顶荷载的增加而增大，m 越大则桩的沉降速率越大。

当桩顶荷载继续增大时，如发现绘得的gt S 1-线不是直线而是折线时，则说明在该级荷载作用下桩沉降骤增，即地基土塑性变形骤增，桩破坏。

因此可将相应于gt S 1-线形由直线变为折线的那一级荷载定位该桩的破坏荷载，其前一级荷载即为桩的极限荷载。

2.4 从成桩到开始试验的时间间歇对灌注桩应满足混凝土养护所需的时间，一般宜为成桩后28天。

对预制桩，尽管施工时桩身强度已达到设计要求，但由于单桩承载力时间效应，试桩时间也应该距沉桩时间有尽可能长的休止期，否则试验得到的单桩承载力明显偏小。

一般要求，对于砂性土，不应小于10天；对于粉土和粘性土，不应小于15天；对于淤泥或淤泥质土，不应小于25天。

2.5 小结采用静载试验法确定单桩容许承载力直观可靠，但费时、费力，通常只在大型重要工程或地基较复杂的桩基工程中进行试验。

配合其它测试设备，也能直接了解桩的荷载传递特征，提供有关资料，因此静载试验法是桩基础研究分析最常用的方法。

李建强、张季超[1]对桩基静载试验中存在的一些技术问题进行了阐述，并结合实际工程给出了自己的见解。

陆肖春、郭洪涛[2]研究了自平衡试桩法，它是一种新的静载试验方法，避免了传统静载荷试验的很多缺点，应用前景广阔，尤其适合超长桩体检测。

3 规范法确定单桩竖向受压承载力根据静力试桩结果与桩侧、桩端阻力和物理土性指标间的经验关系，从而预估单桩承载力的规范经验法是一种沿用多年的传统方法，《桩基规范》在《地基规范》的基础上，积累了更为丰富的资料，使这种方法适用于各类型的桩，并用极限设计的形式表示。

根据静力平衡条件可得：uk Q = sk Q + pk Q式中：uk Q ——单桩竖向极限承载力标准值，kN ；sk Q ——单桩总极限侧阻力标准值，kN ；pk Q ——单桩总极限端阻力标准值，kN 。

为了便于计算，常常假定同一土层中的单位侧摩阻力s q 是均匀分布的，于是可得到根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，而确定承载力标准值公式。

《桩基规范》针对不同的常用桩型，推荐了不同的估算表达式。

（1）一般预制桩及灌注桩：uk Q = ∑i sik l q u + p pk A q式中，sik q 、pk q 分别为桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值（kPa ），其余符号意义同前。

（2）大直径桩对于直径大于0.8m 的大直径桩，其侧阻与端阻要考虑尺寸效应。

侧阻的尺寸效应主要发生在砂、碎石类土中，这是因为大直径桩一般为钻、挖、冲空灌注桩，在无粘性土成空过程中将会出现孔壁土的松弛效应，从而导致侧阻力降低。

孔径越大，降幅越大。

大直径桩的极限端阻力也存在着随桩径增大而呈双曲线关系下降的现象，这主要是由于大直径桩，特别是扩底桩，其静载试验的Q —s 曲线一般呈缓变型，单桩承载力的取值常以沉降控制。

根据计算沉降的弹性力学公式可知，当变形相同时，桩端承载力p 与桩径d 成反比，实际上由于桩端荷载p 不是作用于地基表面而是作用于地基内部，因此p 与d 并不是简单的反比关系。

《桩基规范》推荐用下式计算大直径单桩竖向极限承载力标准值，即：uk Q = ∑si sik si l q u ϕ + p pk p A q ϕ式中：sik q ——桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值，kPa ；pk q ——桩径d 为0.8m 时的极限端阻力标准值，kPa ；si ϕ、p ϕ——大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数，按表1取值；p A ——桩底面积，2m 。

表1 大直径桩侧阻力尺寸效应系数si ϕ、端阻力尺寸效应系数p ϕ注 D 为桩端直径（3）嵌岩桩随着沿海开发区高层建筑的增多，嵌岩桩被大量应用。

过去对这些桩都是按纯端承桩计算承载力的，近十多年的模型与原型试验研究都表明：一般情况下，嵌岩桩只要不是很短，上覆土层的侧阻力能部分发挥作用。

另外，嵌岩深度内也有侧阻力作用，因而传递到桩端的阻力随嵌岩深度的增加而递减，当嵌岩深度达到5倍桩径时，传递到桩端的应力已接近与零。

这说明，桩端嵌岩深度一般不必过大，超过某一界限并无助于提高竖向承载力。

因此嵌岩桩单桩极限承载力标准值uk Q 由桩周土总侧阻力sk Q 、嵌岩段总侧阻力rk Q 和总端阻力pk Q 三部分组成，并可按下式计算：uk Q = sk Q + rk Q + pk Qsk Q = ∑=ni i sik si l q u 1ξrk Q = r rc r h f u ξpk Q = p rc p A f ξ式中： si ξ——覆盖层第i 层土的侧阻力发挥系数，当桩的长径比不大（l /d ＜30），桩端置于新鲜或微风化硬质岩中，且桩底无沉渣时，对于粘性土、粉土取si ξ=0.8，砂类土及碎石类土si ξ=0.7，其它情况si ξ=1.0；sik q ——第i 层土的极限侧阻力标准值，kPa ；rc f ——岩石饱和单轴抗压强度，kPa ；r h ——桩身嵌岩（中等风化、微风化、新鲜基岩）深度，m ；超过5d 时，取r h =5d ，当岩层表面倾斜时，以坡下方的嵌岩深度为准；r ξ、p ξ——嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数，与嵌岩深度比r h /d 有关，按表2取值。