灌注樁的承載性狀分析研究

王 昆，張召彬，韓文永，趙海超，李匯麗

（河北雙誠建筑工程檢測有限公司，河北 石家莊 050221）

樁土受力傳遞關系遵循力的平衡性質，在樁頭受力過程中，荷載的傳遞受樁周地層的分布與特性、樁身設計參數、施工條件與工藝等不確定因素的影響而發生變動。進行樁土荷載傳遞體系的研究目的，是分析樁身截面位移變化和樁身內力的分布情況或者樁側摩阻力與樁端承力的發揮特征。研究樁土受力傳遞體系的數值模擬分析方法，主要包括彈性理論模擬法、有限元數值法、土的剪切變形傳遞荷載法、荷載傳遞因數法等[5，10]。國內專家學者利用測試位移和內力的數據總結得到許多基于荷載—沉降曲線分析樁的承載性狀方法[3，7-8]；利用S-lgQ 法分析樁的端承力與摩擦力發揮情況；基于Q-S曲線輔助分析樁身壓縮量[6、10]、樁身變形[9]、樁身極限摩阻等方法[7]；單樁受力與沉降曲線特征分析[1-2]。

基于分析樁體與樁周土體的受力發揮過程（包括樁側摩擦力和樁端承力的發揮性狀與樁體破壞方式）是單樁承載力確定與分析必不可少的內容之一，為樁基設計提供可靠、準確的證據。

1 樁土關聯機理分析

樁基礎設計中單樁是最重要的受力單元，作為桿件狀受力單元，樁與樁周土的結合面以樁側接觸為主，樁底截面僅為樁和樁周土接觸部分不高于低于1%的占有比例。樁體上段結構由于受力進行樁體壓縮變形引起相對樁周土體的豎向沉降，因此樁周土與樁的外表面上呈現為豎直向上的摩擦力；樁身軸力沿樁體向下遞減傳送至樁底的方式即為連續分解這種摩擦力并基于它向樁周土中分散的過程[11]。

樁體側向摩阻與樁底端阻的發揮進程就是樁體與土體荷載系統的傳遞過程[1]，當垂向集中載荷逐漸作用于基樁頂部時，樁身受外力作用引起垂直向下的沉降，并同步發生樁周土產生的負摩擦力作用于樁體側界面上，導致樁體內力和樁身壓縮量隨樁體埋深增加而減小。由于樁頂受力遞增，樁身變形壓縮和沉降量累積變大，樁體下段的摩擦力進一步不同發揮出來，樁底產生樁端沉降而引起樁端承力出現并增大。樁底沉降增加了樁體與樁周土相對移動，因此致使土體摩阻不斷充分調動；當樁側摩擦力已充分調動并發揮到最大時，如果增加受力，則變大部分受力，基本上由樁底端承力分擔。

2 樁的承載性狀分析

樁的承載性狀即達到極限受力時側摩擦力與端承力的比例，通過分析各自比例判定樁的承載力，確定樁的類別。根據摩擦力和端承力的占比關系，將樁的承載性狀劃分為摩擦型樁、端承摩擦型樁、摩擦端承型樁、端承型樁。

（1）摩擦型樁是側摩擦力占樁身總荷載的95%～100%，端承力占樁身總荷載的0%～5%；

（2）端承摩擦型樁是側摩擦力占樁身總荷載的50%～95%，端承力占樁身總荷載的5%～50%；

（3）摩擦端承型樁是側摩擦力占樁身總荷載的5%～50%，端承力占樁身總荷載的50%～95%；

（4）端承型樁是側摩擦力占樁身總荷載的0%～5%，端承力占樁身總荷載的95%～100%。

3 荷載—沉降曲線分析樁的承載性狀方法

3.1 S-lgQ法

本方法假設條件：樁身受力達到極限條件時，樁側摩擦力已充分調動并發揮到最大。S-lgQ 法劃分端承力與側阻力示意圖，如圖1所示。在任一級荷載下，存在下式關系：

圖1 S-lgQ法劃分端承力與側阻力

式中：Qi——任一級樁頂受力；

Qsbi——任一級受力下的樁端承力，Qsbi=Qi-Qsfi；

Qsfi——任一級受力下的樁側摩擦力；

Si——任一級受力下的樁頂沉降；

K——S-lgQ曲線末段的直線段的斜率。

3.2 Q-Sb法

該方法適用于有實測樁底沉降情況下分析樁側摩擦力與樁端承力。從理論分析角度假定，樁側摩擦力達到最大條件后其值恒定不變且樁端承力及樁底沉降呈現線性比例特征關系。

基于上述假設，對Q-Sb（荷載—樁底沉降曲線）曲線繪制特征曲線線來解析計算不同載荷下樁的側摩擦力Qsf、樁端承力Qb以及各自的占比關系。

如圖2 所示，解析計算某級載荷Qt受力下的樁側摩擦力和樁端承力。首先，在Qt點處繪制OQ坐標軸的垂直線交Q-Sb曲線于D 點；其次，在D 點繪制與BC 線的平行的斜線與OQ坐標軸的交點為E。由于QtD表示Qt受力作用下實際的樁底位移Sb；假定Qb-Sb具備線性特征關系，因此，QtE 表示樁的端承力Qb，OE 表示樁側摩擦力Qsf，所以QtE=Qb，OE=Qsf。

4 案例分析

4.1 工程概況介紹

以某地地鐵試樁工程為例，該工程樁基施工工藝為復合式后注漿成孔灌注樁，樁體混凝土強度C30，設計樁長25.0m，樁身直徑800mm，樁周持力層為①2素填土、③1黃土狀粉質土、③2黃土狀粉質土、⑤1粉質粘性土、⑥4粉質粘性土、⑥1致密細中砂，樁端持力層位于⑥1致密細中砂；根據地層資料分層安裝振玄式鋼筋計，并在樁底安裝位移絲沿樁身傳至樁頂，跟隨單樁豎向抗壓靜載試驗測樁底沉降量，用于基樁承載性狀分析（如有條件可以在不同深度安裝沉降桿測試樁身變形）。

4.2 實測內力測試分析樁的承載性狀

根據實測樁身內力資料，經計算、分析、成圖，得到試樁SZ3-B 樁身軸力圖3、樁側摩阻圖4、樁身壓縮量圖5。

圖3 SZ3-B樁身軸力分布圖

圖4 SZ3-B樁側摩阻分布圖

圖5 SZ3-B樁身壓縮量分布圖

根據成果圖3、圖4、圖5，分析得到受力變大樁身變形壓縮累積，導致上部樁身的沉降總是不小于下部沉降，樁體內力受到樁側摩擦力的影響，越往下，樁體內力不斷遞減，符合樁體與土體荷載傳遞規律，且上部的摩擦力總是先于下部發揮出來；隨著荷載的增加，上部樁身樁側摩擦力達到極限之后出現軟化現象，下部樁側摩擦力被逐漸調動出來。根據曲線的斜率變化不同，說明不同荷載下，受樁周土體的影響，樁側摩擦力與樁端承力兩者相互干擾影響；且上部斜率變化快，下部斜率變化慢，結合側摩擦力先達到極限狀態，說明基樁的Q-S 曲線前段主要受側摩擦力作用的影響，后段曲線基本受端承力作用的影響較大。

根據表1統計分析，樁側摩擦力和樁端承力不是同時達到極限狀態，樁側阻力比樁端承力先達到極限狀態。另外單樁豎向抗壓承載特征值取值時，采用2倍的安全系數考慮，但是通過實際資料端阻與摩阻的安全系數不是2倍，端阻的安全系數為5.2倍，側摩阻的安全系數為1.7倍。

表1 不同受力狀態下的側摩阻與端阻所占比例統計表

4.3 荷載—沉降曲線分析樁的承載性狀及比對分析

采用S-lgQ 法分析試樁SZ3-B 的荷載—沉降曲線（Q-S曲線）得到圖6成果。

圖6 S-lgQ法承載性狀結果圖

采用Q-Sb法分析試樁SZ3-B 的荷載—沉降曲線（Q-Sb曲線）得到圖7成果。

圖7 Q-Sb法承載性狀結果圖

綜合分析，樁身內力測試與荷載—沉降曲線分析樁的承載性狀，都可以判定該樁為端承摩擦樁，具體詳見表2。但是S-lgQ法和Q-Sb法計算得到的側摩擦力和端承力，與樁身內力測試得到的側摩擦力和端承力存在一定的差異。S-lgQ 法是采用樁頂荷載—沉降曲線劃分樁的承載性狀，Q-Sb法是利用樁頂荷載—樁底位移曲線劃分樁的承載性狀。從偏離樁身內力測試結果來分析，Q-Sb法比S-lgQ法更加接近實測結果。

表2 試樁SZ3-B承載性狀分析結果

綜上所述，在無樁身內力測試資料的情況下，利用Q-S 曲線劃分樁的側摩擦力和端承力對估算樁的承載性狀特征具備可利用的價值。

5 結論

（1）結合實測樁身內力情況和樁土荷載傳遞體系，分析樁身摩阻、軸力和壓縮量的發揮情況，得到基樁的Q-S曲線前段主要受側摩擦力作用的影響，后段則主要受端承力作用的影響，且單樁豎向抗壓靜載試驗的載荷—位移（Q-S）曲線是樁體與樁周土體的受力過程、摩擦力和端承力發揮特征的綜合反映。

（2）樁側摩擦力與樁的端承力兩者相互干擾影響的作用，使樁側摩擦力先充分發揮；根據不同狀態下的端承力與摩擦力統計得到整樁設計安全系數為2倍，端承力的安全系數為5.2 倍，側摩擦力的安全系數為1.7倍。

（3）S-lgQ法和Q-Sb法計算得到的側摩擦力和端承力，與樁身內力測試得到的側摩擦力和端承力存在一定的差異，但是對估算樁的承載性狀特征具備可利用的價值。