桩基础工程技术讲座

不同荷载下轴力沿深度的变化
单桩荷载传递的基本规律

基础的功能在于把荷载传递给地基 土。作为桩基主要传力构件的桩是一种 细长的杆件，它与土的界面主要为侧表 面，底面只占桩与土的接触总面积的很 小部分（ 一般低于1%），这就意味着桩 侧界面是桩向土传递荷载的重要的，甚 至是主要的途径。
竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上 部首先受到压缩而发生相对于土的向下 位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向 上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过 程就是不断克服这种摩阻力并通过它向 土中扩散的过程 。 设桩身轴力为Q，桩身轴力是桩顶荷 载N与深度Z的函数，Q＝f（N、Z）
桩按施工条件的综合分类 桩的类型 预制桩 方形、管形 打入桩 静压桩 挤土（方桩与闭口管桩），部分 挤土（开口管桩） 钢、钢筋混凝土
灌注桩 圆形、异形 钻孔桩 人工挖孔桩 不挤土 不挤土
沉管桩 挤土Leabharlann 钢筋混凝土、素混凝土桩基础的承载力与沉降
单桩承载力的确定是桩基设计的重要 内容，而要正确地确定单桩承载力又必 须了解桩－土体系的荷载传递，包括桩 侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状与破坏 机理。 单桩承载力同时还需满足桩身强度 的要求。

工程试桩分为两种，一种是用以确 定单桩承载力；另一种是校核设计用的 单桩承载力。 前者一般用于重大工程，在设计以 前进行一种规格或若干种规格桩的载荷 试验，以确定设计所用的单桩承载力， 每一种规格的桩通常要做若干根，以了 解场地单桩承载力的变异性，避免试桩 数量过少的偶然性。由于试验时尚未进 行设计，因此试验桩不可能用作工程桩。

桩的长径比L/d是影响荷载传递的主 要因素之一，随着长径比L/d增大，桩端 土的性质对承载力的影响减小，当长径 比L/d接近100时，桩端土性质的影响几 乎等于零。 发现这一现象的重要意义在 于纠正了“桩越长，承载力越高”的片 面认识。希望通过加大桩长，将桩端支 承在很深的硬土层上以获得高的端阻力 的方法是很不经济的，增加了工程造价 但并不能提高很多的承载力。

由端承桩组成的群桩，通过承台分 配到各桩桩顶的荷载，其大部或全部由 桩身直接传递到桩端。因而通过承台土 反力、桩侧摩阻力传递到土层中的应力 较小，桩群中各桩之间以及承台、桩、 土之间的相互影响较小，其工作性状与 独立单桩相近。因而端承型群桩的承载 力可近似取为各单桩承载力之和，即群 桩效率η和沉降比 可近似取为1。

下拉荷载

桩的负摩阻力对基础是一种附加荷 载，它的影响主要表现在两方面：当持 力层刚硬时，它将使桩身轴力增大，甚 至导致桩身压曲、断裂，这时应计算负 摩阻力引起的下拉荷载，并验算桩的承 载力（桩身强度和地基土对桩的支承）； 当桩持力层为可压缩性土时，它将使沉 降增大，这时应将负摩阻力引起的下拉 荷载计入附加荷载，验算桩基沉降。
负摩阻力的发生发展的过程
桩与土的沉降相互协调的过程 桩身压缩变形随深度减小 土的压缩变形也随深度变化 在浅部，土的变形大于桩身变形，出现 负摩阻力 在两种变形相等处摩阻力为零，称为中 性点，此处的桩身轴力最大 中性点以下出现正摩阻力

中性点特征
所在断面处桩土位移相等、摩阻力 为零、轴力最大； 在桩、土沉降稳定之前，它始终处 于变动中； 上海宝钢支承于砂层的钢管桩，随 着地面堆载从2m加到8m，中性点的深度 从0.22L逐渐下移至0.85L（L为桩的入土 深度）
而后者常用于校核实际采用的单桩 承载力是否满足设计的要求，设计采用 的承载力通常用规范经验参数法、静力 触探法估算。由于此时已进行了桩的设 计，故常用工程桩作试桩，以节省费用， 一般工程大多采用后者。但如试验结果 与设计采用的承载力有较大的出入，处 理就比较麻烦。如试验求得的单桩承载 力远大于设计承载力就会造成浪费；如 试验结果偏小，则必须进行补桩。
负摩阻力产生的条件

1) 桩穿过欠压密的软粘土或新填土，而支承于 坚硬土层（硬粘性土、中密以上砂土、 卵石层 或岩层）时； 2) 在桩周地面有大面积堆载或超填土时； 3) 由于抽取地下水或桩周地下水位下降，使桩 周土下沉时： 4) 挤土桩群施工结束后，孔隙水消散，隆起的 或扰动的土体逐渐固结下沉时； 5) 自重湿陷性黄土浸水下沉或冻土融化下沉时。

桩的综合分类
桩基础分类方法 按桩的制作工艺划分 按成桩或成孔工艺划分 按挤土效应划分 按桩身材料划分 挤土 预制桩 打入桩 静压桩 挤土 沉管桩 挤土 桩的类型 灌注桩 钻孔桩 不挤土 人工挖孔桩 不挤土
钢、钢筋混凝土
钢筋混凝土、素混凝土
按承载性状分类

有粗分和细分两种，粗分的方法是 将桩分为摩擦桩和端承桩两种，由桩侧 摩擦力支承荷载的称为摩擦桩，由桩端 阻力支承荷载的称为端承桩。但实际上 并不如此简单，因此就有细分的方法， 将桩分为摩擦型桩和端承型桩。

由于桩身压缩量的累积，上部桩身 的位移总是大于下部，因此上部的摩阻 力总是先于下部发挥出来；桩侧摩阻力 达到极限之后就保持不变；随着荷载的 增加，下部桩侧摩阻力被逐渐调动出来， 直至整个桩身的摩阻力全部达到极限， 继续增加的荷载就完全由桩端持力层土 承受；当桩底荷载达到桩端持力层土的 极限承载力时，桩便发生急剧的、不停 滞的下沉而破坏。

桩身轴力沿 深度分布的 实测资料

桩身轴力Q 沿着深度而逐渐减小； 在桩端处Q 则与桩底土反力Qp相平衡， 同时桩端持力层土在桩底土反力Qp作用 下产生压缩，使桩身下沉，桩与桩间土 的相对位移又使摩阻力进一步发挥。随 着桩顶荷载N 的逐级增加，对于每级荷 载，上述过程周而复始地进行，直至变 形稳定为止，于是荷载传递过程结束。

群桩效率η和沉降比
Qg n Qs
s g ss

由摩擦桩组成的群桩，桩顶荷载主要通过 桩侧摩阻力传递到桩周和桩端土层中，在桩端 平面处产生应力重叠。承台土反力也传递到承 台以下一定范围内的土层中，从而使桩侧阻力 和桩端阻力受到干扰。就一般情况而言，在常 规桩距（3~4d）下，粘性土中的群桩，随着桩 数的增加，群桩效率明显下降，且η<1，同时 沉降比迅速增大，ζ可以从2增大到10以上；砂 土中的挤土桩群，有可能η>1；而沉降比则除 了端承桩ζ=1外，均为ζ>1；同时承台下土反力 分担上部荷载可使群桩承载力增加。

桩基具有很大的竖向刚度，因而采 用桩基础的建筑物，沉降比较小，而且 比较均匀，可以满足对沉降要求特别高 的上部结构的安全需要和使用要求 桩具有很大的侧向刚度和抗拔能力， 能抵抗台风和地震引起的巨大水平力、 上拔力和倾覆力矩，保持高耸结构物和 高层建筑的安全； 改变地基基础的动力特性，提高地 基基础的自振频率，减小振幅，保证机 械设备的正常运转。
按桩的使用功能分类
桩按承载性状的使用功能的分类 分类的依据 按承载性状划分 摩擦桩 按使用功能划分 竖向承载 水平承载 摩擦型桩 端承摩擦桩 抗压桩 水平受荷桩 端承桩 桩的类型 端承型桩 摩擦端承桩 抗拔桩 复合受荷桩
桩基础分类方法 按桩的制作工艺划 分 桩的截面 按成桩或成孔工艺 划分 按挤土效应划分 按桩身材料划分

今天桩基础已成为高层建筑、大型桥梁、 深水码头和海洋石油平台等工程最常用 的基础形式。 在施工技术进步、桩型开发应用和设计 理论研究等各方面至今仍然异常活跃， 显示出桩基础具有强大的生命力和非常 广阔的发展前景。


桩基础分为高桩承台和低桩承台两大类：
在框架结构的柱下，或桥梁墩台下，通 常在承台下设置若干根桩，构成独立承 台的桩基础； 当荷载较大时，在框架柱列之间常联以 基础梁，沿梁的轴线方向布置排桩，构 成梁式的承台桩基础； 上部为剪力墙结构，则可在墙下设置排 桩，但因桩径一般大于剪力墙厚度，故 需要设置构造性的过渡梁；
地基土对桩的支承作用
地基土对桩的支承由两部分组成： 桩端阻力和桩侧摩阻力。 如果认为两者是同步增大的，那么 对任何的荷载阶段，这个表达式都是正 确的：

R q p Ap u p qsi li
而实际上，桩侧摩阻力和桩端阻力 不是同步发挥的。 竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上 部首先受到压缩而发生相对于土的向下 位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向 上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过 程就是不断克服这种摩阻力并通过它向 土中扩散的过程 。 设桩身轴力为Q，桩身轴力是桩顶荷 载N与深度Z的函数，Q＝f（N、Z）
桩的负摩阻力

负摩阻力是指桩周土层由于某种原因而产 生超过桩身沉降量的下沉时，作用于桩身的向 下的摩阻力。作用于一根桩上的负摩阻力之和 称为下拉荷载，记为Qn，由于负摩阻力的作用 可能导致基础和上部结构的沉降和破坏，不少 建筑物桩基因负摩阻力而产生过大的沉降、倾 斜或建筑物开裂等工程事故，需要花费大量资 金进行加固，甚至无法使用而拆除。负摩阻力 已成为基础工程界的一个技术热点，设计时必 须充分予以注意。
桩基础工程技术讲座
同济大学 高大钊
内

容
桩基础概论 桩基础设计 桩的量测试验 几种特殊桩型的承载性状
桩基础概论
桩基础是应用比较广泛的一种基础类型， 也是最古老的基础之一 。 桩是将建筑物的荷载（竖向的和水平的） 全部或部分传递给地基土（或岩层）的 具有一定刚度和抗弯能力的传力构件， 桩基础一般由承台将若干根桩的顶部联 结成整体，以共同承受荷载的一种深基 础。

若在筏板承台下布桩，如果桩数不多， 可按柱网轴线布置，使板不承受桩的冲 剪作用，只承受水的浮力和有限的土反 力； 如荷载比较大需要布桩较多时，沿轴线 布置桩可能有困难，则可以在筏板下满 堂布桩 ； 箱形基础时，可满堂布桩，或按柱网轴 线布桩。

桩具有多种独特的功能
通过桩的侧面和土的接触，将荷载 传递给桩周土体；或者将荷载传给深层 的岩层、砂层或坚硬的粘土层；从而获 得很大的承载能力以支承重型建筑物； 对于液化的地基，为了在地震时仍 保持建筑物的安全，通过桩穿过液化土 层，将荷载传给稳定的不液化土层；
桩越长，端阻力所占的比例越低

这种现象在嵌岩桩中也可见到，一般 认为，支承于岩石上的嵌岩桩是端承桩， 承载力主要由端阻力提供，摩阻力的发挥 很少。其实，这只适用于很短的桩，随着 长径比增大，端阻力的比例也很快下降， 桩侧摩阻力所占的比重增大， 端阻比随长 径比增大而递减,, 桩的侧阻Qs大约在L/d 10～15时开始起主要作用，Qs/Qu 随L/d增 大而增大，一般保持在70%以上，大部分 在80%以上，不少桩在95%以上，这是因 为桩身的弹性压缩变形就足以使桩侧摩阻 力得到发挥。

单桩竖向承载力

确定单桩竖向承载力是桩基勘察的 最主要的内容，单桩竖向承载力是桩基 设计的重要设计参数。单桩竖向承载力 是指单桩所具有的承受竖向荷载的能力， 其最大的承载能力称为单桩极限承载力， 可由单桩竖向静载荷试验测定，也可用 其它的方法（如规范经验参数法、静力 触探法等）估算。
单桩竖向静载荷试验是确定单桩竖向承载 力的最基本的一种方法。试验时对桩逐级施加 竖向荷载，测定桩在各级荷载作用下不同时刻 的桩顶位移，求得桩的荷载-位移-时间关系， 用以分析确定单桩的极限承载力。 单桩竖向静载荷试验不仅可以测定单桩在 荷载作用下的桩顶变形性状曲线，还可以测定 桩的轴向力随深度的变化，根据试验结果能进 行单桩荷载传递的分析、单桩破坏机理的分析 和单桩承载力的分析。

为了充分利用地基的潜力，降低工 程造价，要求试验能把极限承载力做出 来。由于试桩不做工程桩用，即使试验 到桩身结构达到破坏也没有关系。 这种类型的静载荷试验，一般的最 大试验荷载要比预估的极限承载力大一 些，在接近预计极限承载力时，宜将荷 载级按半级加载，以有利于合理地确定 极限承载力。


产生负摩阻 力的土层
下拉荷载
群桩效应的工程意义
1. 桩的平面布置对于单桩承载力发挥的 作用，桩的中心距的影响； 2. 载荷试验的沉降在什么条件下才具有 工程意义？ 3. 有没有变形控制的单桩承载力？


群桩在竖向荷载作用下，由于承台、 桩、土之间相互影响和共同作用，群桩 的工作性状趋于复杂，桩群中任一根桩 即基桩的工作性状都不同于孤立的单桩， 群桩承载力将不等于各单桩承载力之和， 群桩沉降也明显地大于单桩，这种现象 就是群桩效应。群桩效应可用群桩效率 系数η和沉降比ζ表示。