桩基工程若干问题的探讨

摘要：在全国桩基工程学术会议中来自全国科研、设计领域一线的专家总结近年来的成果，对桩基工程中的一些问题提出了新的概念。本文针对这次会议提出的各种成果，笔者进行了归纳和总结。供大家进一步分析探讨。

关键词：桩基单桩承载力抗拔桩基坑回弹

中图分类号：TU473.1 文献标识码： A 文章编号：

一、背景

全国桩基工程学术会议采用特邀报告的形式进行学术交流，报告内容涉及国内桩基工程的基本理论、实践探索、新技术和新方法等，具体内容包括桩基标准与规范、桩基基本理论及科研成果、桩基设计、桩基施工与监理、桩基检测、桩基施工设备和检测仪器、桩基工程案例等，具有很高的学术水平和实用价值。

二、引言

人类应用桩基础虽然已历经数千年，但由于桩和桩基础的承载性状受地基土性、桩土相互作用、成桩效应等因素影响而趋于复杂。即使是某些工程中常见的承载变形机理和理论计算模式仍然值得人们进一步探讨。本文探讨的课题，有的属于常规传统问题；有的属于现代化建设过程中，工程桩基遇到的新问题。本文把这些问题提出来，并就其中的某些机理进行探讨，或提出进一步研究的思路。

三、单桩承载力

3.1单桩侧阻力

传统的认知为：单桩的侧阻力是桩顶受荷后发生于桩土界面的摩擦阻力，简称摩阻力；桩侧阻力发挥至极限值所需的相对位移值wu，对于粘性土为5~10mm，对于砂性土为10~20mm，与桩径无关。

通过20多年来的试验[1]研究和工程实践发现，发挥桩侧阻力所需的相对位移并非为定值，而是与桩径大小，成桩工艺，土层性质及各土层竖向分布位置（处于桩侧的上、中、下）有关；桩土剪切滑移面除坚硬粘土层出现于桩土界面外，一般出现于紧靠桩表面的土体中，极限侧阻力等于桶形面上土的剪切强度，qsu=σrtanφ+c；对于灌注桩，由于混凝土浇注过程有水泥浆渗入孔壁土中形成紧固于桩表面的薄层水泥土，滑移面发生于其外侧的土体中；当采用泥浆护壁且泥浆较稠时，桩表面附着低强度泥皮，滑移面发生于泥皮中；当实施后注浆时，滑移面发生于注浆硬壳层外侧。由此看出，称桩侧阻力为摩阻力不符合其作用机理。

3.2单桩端阻力

发挥极限端阻力所需桩端位移一般不小于桩径的10%。桩端极限阻力的大小取决于持力层的强度和破坏模式。桩端土的破坏模式受土的强度和压缩性影响，土强度越低、压缩性越高，其剪切包络面涵盖体积越小，桩端极限阻力越小。对于桩端为软弱持力层或大厚度沉渣情况，桩端土不形成连续剪裂面，呈现小体量塑性挤出，即“刺入破坏”；随着土体强度增高、压缩性降低，桩端土剪切区扩大，呈现渐进型“局部破坏”；只有当桩端置于坚硬持力层，且上覆土层时，才可能出现剪切区开展至桩端平面以上的“全部破坏”。

3.3桩端土刚度对侧阻力的影响

关于桩侧阻力和桩端阻力的相互关系传统认知是：各自独立，互补影响。经过多年的试验[1] [2] [3] [4]分析。得出在其他条件相同的情况下，桩端土刚度越大，桩侧极限阻力越高。桩端土破坏时发生梨形剪切滑裂面，滑动体对桩侧表面产生附加法向压应力，从而提高桩侧阻力。进一步说明良好的桩端持力层，严控桩端虚土、沉渣或采用桩端后注浆等措施对提高单桩承载力的作用。

四、抗拔桩

为了提高抗拔桩的抗拔承载力，采用扩底或者侧注浆是两种有效的措施。为提高抗拔桩的抗裂性能和承载力，灌注桩钢绞线无粘结预应力技术逐渐发展起来。

4.1桩侧注浆灌注桩

通过实验[5]表明，随着上拔荷载的增加，扩底桩与侧注浆等截面桩的上拔位移差异逐渐扩大，当荷载超过极限荷载的1/2时，扩底桩的上拔位移较侧注浆桩增大约40%，这是由于两种桩型的抗拔阻力分布模式不同所致。扩底桩桩身侧阻力较侧注浆桩低，很大一部分抗拔阻力集中于桩底扩头，而侧注浆桩的抗拔阻力分布于全桩长。由此导致两者的桩长拉伸量不同。对于软土地区抗拔长桩，侧注浆灌注桩的技术性能优于扩底桩，尤其是当位移控制较严时更能显示其优势。

4.2预应力灌注桩抗拔的独特应用。

通过试验[6]分析，预应力灌注桩的抗拔承载力明显大于普通灌注桩，两者比值为1.26~1.66。极限抗拔荷载下的上拔位移，预应力灌注桩小于普通灌注桩；在普通桩的极限抗拔荷载下，预应力桩的上拔位移仅为普通桩的23%~44%。抗拔桩的上拔极限承载力都是由桩侧阻力控制，而非桩身钢筋强度控制。

五、桩同作用的承台效应

考虑桩与承台共同作用按复合桩基设计计算时，桩间土承载力发挥率的确定即承台效应系数ηc的确定是一个关键问题。《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）给出了建议值。ηc随距径比Sa/d和承台宽度与桩长之比Be/L而变化，其值为0.06~0.8，其未反映土类别因素的影响。近年来，通过工程原位实测，发现砂土的承台效应系数高于粉土和粘性土。以往的模型试验结果表明，粉土承台效应系数高于粘性土。故规范规定的承台效应系数有待试验积累完善。

承台底桩间土承载力的发挥率主要取决于桩沉降带动桩周土沉降的大小和范围，既桩周土“沉降漏斗”的大小，漏斗的深度和半径越小，承台所受土反力越大，即承台效应系数越高。地基土实际为“有限连续介质”，对于粘性土，由于粘聚力导致其连续性相对较强，因而桩周土沉降漏斗也较大；砂土连续性相对较弱，桩周土沉降漏斗也较小；粉土则介于这两者之间。这是导致承台效应系数砂土高于粉土，粉土高于粘性土的原因。

六、基坑回弹和回弹再压缩变形对工程基桩的影响

对于不同性质的土体，基坑支护的形式以及基桩施工顺序等因素，基坑回弹和回弹再压缩变形都会对工程基桩产生不同的影响。在软土地区由于深基坑基本采用内支撑支护，成桩是在地面进行，基坑开挖时基桩已施工完毕，土体回弹受到桩的约束，对于满堂布桩情况，回弹变形相应减少。对于抗拔桩，由于回弹引起的桩身预拉力，将导致正常使用状态下与浮力产生的桩身拉力叠加。不过，二者的桩身轴力最大值位于不同截面，回弹变形引起的拉力最大值位于桩身中部，浮力引起的拉力最大值位于桩顶，因此桩身配筋量并非取二者最大拉力之和。

在非软土地区，基坑多采用无内支撑的基坑支护形式，基坑开挖至基底标高1~3m处进行基桩施工。此时，基底土体回弹变形已基本完成，故回弹不致引起桩的附加应力。对于主体建筑桩基而言，桩端以下压缩层出于回弹变形层底以下，故桩基沉降并不受回弹影响。对于裙房区域，一般采用桩长不大的抗拔桩，其附加压力为负值。在正常使用状态下其地基回弹变形均因为受荷载再压缩二产生沉降。

八、结束语

本文对单桩侧阻力和端阻力的发挥机理及受桩径、土性、上覆土层、成桩工艺诸因素的影响；端阻力大小对侧阻力发挥值的影响；端阻力大小对侧阻力发挥值得影响；关于等截面桩、扩底桩、侧注浆、后张预应力灌注桩抗拔承载力的变化与机理；关于桩与承台共同分担荷载的复合桩基的承台效应；关于长桩的荷载传递与变形特性；关于基坑开挖回弹和回弹再压缩的影响等诸多问题进行了探讨和分析。对未来工程桩基领域的研究提出了方向和观点。希望能给大家以参考，并欢迎大家共同研究以揭示桩基工程真正的奥义。

参考文献：

[1] 北京市桩基小组。钻孔灌注桩实验研究（R）。中国建筑科学研究院地基所。

[2] 刘利民。桩基承载性状研究的新进展（J）。岩土工程界。

[3] 席宁中。桩端土刚度对桩侧阻力影响的试验研究（D）。中国科学建筑研究院。

[4] 上海市建筑科学研究院。联合广场混凝土灌注桩单桩垂直静载试验报告（R）。

[5] 吴春秋，肖大平，吴俊。深埋纯地下建筑不同抗拔桩型承载性状试验研究（J）。岩土工程学报。

[6] 迟铃泉，赵志明，刘金砺，等。抗拔灌注桩后张预应力技术及工程应用（C）。桩基工程技术进展。

作者简介：

刘金涛：天津市建筑设计院工程师

宋昭煌：天津市建筑设计院 正高级工程师 国家注册土木（岩土）工程师