单桩在竖向荷载下的性状

桩是置于土层中的构件，它依靠桩侧摩阻力和桩端阻力共同支撑桩顶荷载。单桩承载力不仅与桩型、桩长、桩径有关，还与桩周土的性质有关，了解桩土间的传力机理对单桩承载力的确定具有指导意义。桩顶荷载一般包括竖向力、水平力和力矩。本节主要讲述单桩在竖向压力荷载下的性状。

如图9-8所示，桩在竖向压力荷载Q作用下，桩顶将发生轴向位移（沉降），其位移量δ由桩身弹性压缩变形δz和桩底土层压缩变形δl两部分组成，置于土中的桩与其桩周土是紧密接触的，当桩相对于土产生向下位移时，桩侧土对桩身产生向上作用的桩侧摩阻力。桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断地克服这种摩阻力，桩身轴向力随深度逐渐减小，传至桩底轴向力N1也即桩端总阻力Qp，桩顶荷载克服全部桩侧摩阻力Qs后剩下荷载由桩端阻力承受，即桩端总阻力Qp=Q-Qs。桩顶荷载通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递给地基土。

图9-8　单桩竖向荷载传递

桩顶没有荷载时，桩侧、桩端阻力为零。桩顶受力后，随着荷载的不断增加，桩侧阻力、桩身轴力和桩端阻力也随之不断变化，当桩顶荷载增大到一定值时，桩体出现不停滞下沉，此时，桩侧、桩端阻力达到极限值，这种状态称为承载能力极限状态。

桩侧摩阻力的发挥程度往往与桩土相对位移有关，根据相关试验所得出的数据，一般在黏性土中达到极限值时，桩土相对位移量约4～6mm，砂土中约为6～10mm。桩侧摩阻力极限值的大小与所处深度、土的类别、土的物理力学性质、成桩工艺等相关。

通过总结各类试验资料进行分析，得出桩的荷载传递有下列特性：

（1）桩端阻力充分发挥到极限值所需的位移明显大于桩侧阻力发挥所需的位移，桩端阻力的发挥往往滞后于桩侧阻力。

（2）桩端持力层为刚性时，桩端位移很小，桩侧摩阻力发挥得也很小。如果是桩径大而桩长短的桩，则属于端承桩；如果是细长桩，则多属于摩擦端承桩。

（3）一般桩端扩底直径越大，桩端阻力分担荷载的比例越大。但当桩身长径比很大时，桩顶在荷载作用下其自身截面变形量较大，桩顶位移往往已超过沉降变形允许值，此时桩端阻力承担荷载的比例很小，大部分荷载由桩侧阻力承受，桩底坚硬土层不能发挥作用。

（4）桩侧或桩端入土深度小于某一临界深度时，极限桩侧阻力或桩端阻力随深度线性增加，而大于该深度后则保持恒值不变，这种现象称为深度效应。

桩周土由于自重固结、湿陷、地面荷载作用等原因而产生大于基桩的沉降所引起的对桩表面的向下摩阻力称为负摩阻力。作用于单桩中性点以上的负摩阻力之和称为下拉荷载，它对桩身、承台和上部结构都是不利的。下列情况一般应考虑桩侧负摩阻力作用：

（1）由于降低地下水位，使桩周土有效应力增大，并产生显著压缩沉降时。

（2）桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时。

（3）桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载（包括填土）时。

（4）挤土桩施工完成后，孔隙水压力消散，土体逐渐固结沉降时。

（5）冻土由于融化而引起桩侧土下沉时。

图9-9所示为一穿过软弱土层支撑于坚硬土层的桩的荷载传递曲线。从图中可以看出，在深度M点以上，桩身截面位移小于桩侧土体位移，桩侧摩阻力向上，为负摩阻力；在深度M点以下，桩身截面位移大于桩侧土体位移，桩侧摩阻力向下，为正摩阻力。在深度M点处，桩身截面和桩侧土体相对位移为零，摩阻力为零，该点称为中性点。中性点位置随着土层的固结沉降而变化，中性点深度ln应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定，也可参照表9-2确定。

图9-9　单桩在产生负摩阻力时荷载传递

①—桩侧土层位移曲线；②—桩身截面位移曲线

表9-2　中性点深度ln

注：（1）ln、l0——分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度；

（2）桩穿过自重湿陷性黄土层时，ln可按表列值增大10％（持力层为基岩除外）；

（3）当桩周土层固结与桩基固结沉降同时完成时，取ln=0；

（4）当桩周土层计算沉降量小于20mm时，ln应按表列值乘以0.4～0.8折减。