單樁承載力

單樁承載力是指單樁在荷載作用下，地基土和樁本身的強度和穩定性均能得到保證，變形也在容許範圍內，以保證結構物的正常使用所能承受的最大荷載。一般情況下，樁受到軸向力、橫軸向力及彎矩作用，因此須分別研究和確定單樁的軸向承載力和橫軸向承載力。樁的承載力是樁與土共同作用的結果，了解單樁在軸向荷載下樁土間的傳力途徑、單樁承載力的構成特點以及單樁受力破壞形態等基本概念，將對正確確定單樁承載力有指導意義。

基本介紹

• 中文名：單樁承載力
• 外文名：bearing capacity of pile
• 學科：土力學
• 定義：單樁的最大軸向靜荷
• 影響因素：支承力、樁身材料強度
• 測定方法：靜力法和動力法

定義

單樁承載力是指單樁到達破壞狀態時所能承受的最大軸向靜荷載，它取決於土對樁的支承力和樁身材料強度，並取用兩者中的較小值。單樁承載力的估算是樁基工程的一個重要環節 ,特別是在二級、三級建築物單樁承載力的確定過程中。確定單樁極限力的方法很多。

按土對樁的支承力確定單樁承載力的方法分為靜力法和動力法兩大類。前者根據室內和原位土工試驗的資料，後者則根據沉樁過程中或沉樁後的現場動力測試的資料，然後套用理論分析方法或者套用工程實踐經驗來估算單樁承載力。靜力法可分為經驗公式法、理論計算法、現場靜載試驗法等。動力法可分為打樁公式法、應力波動方程法等。單樁承載力主要由土對樁的支承力所控制；但對於端承樁、外露段較長的樁、超長樁、混凝土質量不易控制的就地灌注樁等，有時可能由樁身材料強度所控制。

單樁抗壓承載力通過樁側阻力與樁端阻力直接相加方法計算得到時，不管是特徵值設計法還是極限值設計法，在概念及理論上均存在著不完善之處，主要原因是樁側阻力與樁端阻力的力學特性及對變形的要求不同、不能同步發揮所致。相對來說，極限值設計法更直接、更可靠、更準確，概念更明確，且易於與國際接軌，建議規範優先採用。

單樁軸向荷載傳遞機理和特點

傳遞機理

樁在軸向壓力荷載作用下，樁頂將發生軸向位移(沉降)=樁身彈性壓縮+樁底土層壓縮之和置於土中的樁與其側面土是緊密接觸的，當樁相對於土向下位移時就產生土對樁向上作用的樁側摩阻力。樁頂荷載沿樁身向下傳遞的過程中，必須不斷地克服這種摩阻力，樁身軸向力就隨深度逐漸減小，傳至樁底軸向力也即樁底支承反力，樁底支承反力=樁頂荷載-全部樁側摩阻力。

單樁計算軸向承載力

樁頂荷載是樁通過樁側摩阻力和樁底阻力傳遞給土體。

土對樁的支承力=樁側摩阻力+樁底阻力

樁的極限荷載(或稱極限承載力)=樁側極限摩阻力+樁底極限阻力

樁側摩阻力和樁底阻力的發揮程度與樁土間的變形性態有關，並各自達到極限值時所需要的位移量是不相同的。試驗表明：樁底阻力的充分發揮需要有較大的位移值，在粘性土中約為樁底直徑的25%，在砂性土中約為8%~10%，而樁側摩阻力只要樁土間有不太大的相對位移就能得到充分的發揮，具體數量認識尚不能有一致的意見，但一般認為粘性土為4～6mm，砂性土為6~10mm。

不同樁型的特點

柱樁：由於樁底位移很小，樁側摩阻力不易得到充分發揮。對於一般柱樁，樁底阻力占樁支承力的絕大部分，樁側摩阻力很小常忽略不計。但對較長的柱樁且覆蓋層較厚時，由於樁身的彈性壓縮較大，也足以使樁側摩阻力得以發揮，對於這類柱樁國內已有規範建議可予以計算樁側摩阻力。

摩擦樁： 樁底土層支承反力發揮到極限值，則需要比發生樁側極限摩阻力大得多的位移值，這時總是樁側摩阻力先充分發揮出來，然後樁底阻力才逐漸發揮，直至達到極限值。對於樁長很大的摩擦樁，也因樁身壓縮變形大，樁底反力尚未達到極限值，樁頂位移已超過使用要求所容許的範圍，且傳遞到樁底的荷載也很微小，此時確定樁的承載為時樁底極限阻力不宜取值過大。

樁側摩阻力=f(土間的相對位移，土的性質， 樁的剛度，時間，土中應力狀態，樁的施工）

樁側摩阻力實質上是樁側土的剪下問題。

樁側土極限摩阻力值∝樁側土的剪下強度

樁側土的剪下強度=f(類別、性質、 狀態和剪下面上的法向應力)

樁的剛度較小時，樁頂截面的位移較大而樁底較小，樁頂處樁側摩阻力常較大；當樁剛度較大時，樁身各截面位移較接近，由於樁下部側面土的初始法向應力較大，土的抗剪強度也較大，以致樁下部樁側摩阻力大於樁上部。由於樁底地基土的壓縮是逐漸完成的，因此樁側摩阻力所承擔荷載將隨時間由樁身上部向樁下部轉移。在樁基施工過程中及完成後樁側土的性質、狀態在一定範圍內會有變化，影響樁側摩阻力，並且往往也有時間效應。影響樁側摩阻力的諸因素中，土的類別、性狀是主要因素。

在分析基樁承載力等問題時，各因素對樁側摩阻力大小與分布的影響，應分別情況予以注意。在塑性狀態粘性上中打樁，在樁側造成對土的擾動，再加上打樁的擠壓影響會在打樁過程中使樁周圍土內孔隙水壓力上升，土的抗剪強度降低，樁側摩阻力變小。待打樁完成經過一段時間後，超孔隙水壓力逐漸消散，再加上粘土的觸變性質，使樁周圍一定範圍內的抗剪強度不但能得到恢復，而且往往還可能超過其原來強度，樁側摩阻力得到提高。

在砂性上中打樁時，樁側摩阻力的變化與砂土的初始密度有關，如密實砂性上有剪脹性會使摩阻力出現峰值後有所下降。

樁側摩阻力的大小及其分布決定著樁身軸向力隨深度的變化及數值，因此掌握、了解樁側摩阻力的分布規律，對研究和分析樁的工作狀態有重要作用。由於影響樁側摩阻力的因素即樁土間的相對位移、土中的側向應力及上質分布及性狀均隨深度變比，因此要精確地用物理力學方程描述樁側摩阻力沿深度的分布規律較複雜。

如圖所示兩例來說明其分布變化。

其中，a) 為上海某工程鋼管打入樁實測資料,在粘性土中的打入樁的惦側摩阻力沿深度分布的形狀近乎拋物線，在樁頂處的摩阻力等於零，樁身中段處的摩阻力比樁的下段大。現常近似假設打入樁樁側摩阻力在地面處為零；b) 圖為我國某工程鑽孔灌注樁實測資料，從地面起的樁側摩阻力呈線性增加，其深度僅為樁徑的5一10倍，而沿樁長的摩阻力分布則比較均勻。而對鑽孔灌注樁則近似假設樁側摩阻力沿樁身均勻分布。

樁底阻力=f (土的性質，持力層上覆荷載，樁徑，樁底作用力、時間及樁底端進持力層深度）

樁底地基土的受壓剛度和抗剪強度大則樁底阻力也大，樁底極限阻力取決於持力層土的抗剪強度和上覆荷載及樁徑大小的影響。由於樁底地基土層受壓固結作用是逐漸完成的，樁底阻力將隨土層固結度提高會隨著時間而增長。

模型和現場的試驗研究表明，樁的承載力(主要是樁底阻力)隨著樁的入土深度，特別是進入持力層的深度而變化。這種特性稱為深度效應，樁底端進入持力砂土層或硬粘土層時，樁的極限阻力隨著進入持力層的深度線性增加。達到一定深度後，樁底阻力的極限值保持穩值。這一深度稱為臨界深度h。

h與持力層的上覆荷載和持力層土的密度有關。 上部荷載越小、持力層土密度越大，則h越大。

當持力層下為軟弱土層也存在一個臨界厚度tc 當樁底下臥軟弱層頂面的距離t≤tc時，樁底阻力將隨著t的減小而下降，持力層土密度越高、樁徑越大，則tc越大。

由此可見，對於以夾於軟層中的硬層作樁底持力層時，要根據夾層厚度，綜合考慮基樁進入持力層的深度和樁底下硬層的厚度。必須指出，群樁的深度效應概念與上述單樁不同。在均勻砂或有覆蓋層的砂層中，群樁的承載力始終隨著樁進入持力層的深度而增大，不存在臨界深度，當有下臥軟弱土層時，軟弱土對單樁的影響更大。

第一種情況：

當樁底支承在很堅硬的地層，樁側土為軟上層其抗剪強度很低時，（如圖a)，樁在軸向受壓荷載作用下，如同一根壓桿似地出現縱向撓曲破壞。在荷載-沉降(P-s)曲線上呈現出明確的破壞荷載。樁的承載力取決於樁身的材料強度。

第二種情況：

當具有足夠強度的樁穿過抗剪強度較低的土層而達到強度較高的土層時(如圖b)，樁在軸向受壓荷載作用下，樁底土體能形成滑動面出現整體剪下破壞，這是因為樁底持力層以上的軟弱土層不能阻止滑動土楔的形成。在PT曲線上可求得明確的破壞荷載。樁的承載力主要取於樁底士的支承力，樁側摩阻力也起一部分作用。

第三種情況：當具有足夠強度的樁入土深度較大或樁周土層抗剪強度較均勻時(如圖c)，樁在軸向受壓荷載作用下，將會出現刺入式破壞。根據荷載大小和土質不同，試驗中得到的P-S曲線上可能沒有明顯的轉折點或有明顯的轉折點(表示破壞荷載)。樁所受荷載由樁側摩阻力和樁底反力共同支承，即一般所稱摩擦樁或幾乎全由樁側摩阻力支承即純摩擦樁。

單樁軸向容許承載力

單樁在軸向荷載作用下，地基土和樁本身的強度和穩定性均能得到保證，變形也在容許範圍之內所容許承受的最大荷載，它是以單樁軸向極限承載力(極限樁側摩阻力與極限樁底阻力之和）考慮必要的安全度後求得的。

確定方法有多種 ，考慮地基土具有多變性、複雜性和地域性，幾種方法作綜合考慮和分析，合理地確定。

樁的有效長度

樁所受的荷載向下傳遞時，樁側不同深度的摩阻力是異步發揮的，這表明了摩擦樁存在著有效長度，如同錨桿存在著有效長度一樣。如深圳地區近些年來隨著對前海片區及後海片區的開發建設，樁長超過 60、70 m 的超長樁套用越來越多。很多靜載試驗結果表明，樁的長度達到一定程度後，承載力與樁長不再成比例增長，其增長速率下降，即側摩擦力的效率降低。這就意味著，當樁長較長時，如果不嵌岩，按照規範計算得到的樁長有時不一定夠用，可能需要更長甚至入岩。深圳後海某樁基工程為非嵌岩樁，以強風化花崗岩為持力層，旋挖成孔，成樁後選3 條樁進行靜載試驗樁長50 ～ 60 m，試驗結果表明，單樁承載力都達不到設計要求，最低的僅為設計值的40%：直徑1.0 m，樁長54 m，設計承載力極限值17400 kN（其中計算書中樁側阻力極限值13800 kN ），試驗結果僅為6960 kN。雖然最終歸因於施工質量欠佳（抽芯檢測樁底有 1 m 多厚的沉渣）。