浅论桩基侧摩阻力和端阻力影响因素

浅论桩基侧摩阻力和端阻力影响因素

陈高伟 史纪亮

临沂市青啤地产有限公司 山东临沂 276000

摘要:桩是一种历史悠久、目前仍被广泛使用且不断发展完善的基础形式，其主要作用在于穿过软弱的压缩性高的土层，利用自身的刚度把上部结构的荷载传递到强度更高、压缩性更低的土层或岩层上,以满足建筑物对承载力和沉降的要求。本文对桩侧阻力和端阻力的发挥性状的影响因素进行了总结，并简单介绍了利用这些成果的新桩型的开发。
关键词:承载力 侧摩阻力 端阻力 影响因素

1 概述

自20世纪20年代以来，国外对桩基负摩阻力开展了大量的研究工作，国内对负摩阻力的研究起步稍晚。但至今国际上对负摩阻力的研究尚不深入，许多问题尚待解决。理论研究方面:比较经 典的是有效应力计算负摩阻力方法，但计算结果往往偏大。1969年Polous 提出了基于Mindlin解的镜像法计算桩的负摩阻力大小，但该方法仅用于端承桩。1972年在上述基础上并根据太沙基--维固结理论，导出了单桩负摩阻力随时间变化的关系。影响负摩阻力的因素很多，精确确定负摩阻力难度很大，因此很多学者从有效应力法出发，提出经验公式。目前多根据有关资料按经验公式进行估算。

为了提高桩的承载力，对桩侧摩阻力和端阻力的发挥性状及影响因素进行研究是非常有必要的，以下对桩侧阻力和端阻力的发挥性状的影响因素进行了总结，并简单介绍了利用这些成果的新桩型的开发。

2.桩基侧摩阻力影响因素

2.1桩周土的影响

影响桩侧摩阻力最直接的因素就是桩侧土层的性质。通常认为，桩周土体的抗剪强度越大，相应的桩侧摩阻力就越大。大量试验资料表明，在粘性土中，桩侧摩阻力值就相当于桩周土体的不排水抗剪强度的大小;在砂性土中，桩侧摩阻力系数平均值近似等于土的主动土压力系数。由于螺杆桩螺纹段的桩侧摩阻力是通过桩周土体的剪切变形来传递的，所以桩侧土体的抗剪强度直接决定了螺纹段侧摩阻力极限值的大小。

2.2桩土相对位移的影响

一般情况下，桩侧摩阻力达到极限承载力对应的桩土相对位移远小于桩端土达到极限承载力时的位移量，所以实际的桩顶沉降远大于桩土临界位移。大量的前人研究资料得出，桩侧摩阻力发挥到极限值所需的桩土相对位移不是某个固定值，而该位移值是与桩径的大小、施工方法、土体的性质及分层等因素密切相关。目前一般认为，桩侧摩阻力发挥到极限值时，对于粘性土，桩土相对位移大约为8 }-15 mm;对于砂类土，其值大约为21 }- 2 5 mm。此时，桩侧土中的剪应力发挥到极限值，桩土出现塑性滑移的现象^[1]。

2.3桩土界面性质的影响

Clough等使用直剪实验对土体与硅间的接触面进行分析研究，最终得出相对剪切位移与界面剪应力之间的关系可以用双曲线的关系进行描述的结论。卢廷浩等学者以钢板(每块钢板表面的粗糙度不同)作为模拟材料，使用改进后的直剪仪，做了剪切试验，系统的分析研究了结构物与土体间在不同粗糙度情况下接触面上的力学性质。他们通过试验得出:在其它条件相同情况下，两者接触面粗糙程度越大，接触面产生的剪切应力越大，残余强度越大;反之，则越小。随着粗糙度提高，从剪切力最大值到残余值所跨的位移区间更大，因此，土与桩的接触面不会突然发生破坏。

2.4桩端条件的影响

许多学者通过对大量试验资料的分析，发现桩端条件不仅对桩端阻力，同时对桩侧摩阻力的发挥有着直接的影响。桩端阻力的发挥会影响侧摩阻力的发挥，桩端阻力增大，桩侧摩阻力会减小，其原因Vesic'曾指出:桩端抵抗力的增大会引起桩端以上附近(约为三倍桩径)土中产生较大的向外径向应力，促使侧摩阻力降低。

2.5 群桩效应的影响

刘金砺等(1990)^[2]通过试验证明:群桩的侧摩阻力具有“沉降硬化"和“沉降软化”的特性。所谓沉降硬化，是群桩桩距在(2~4) d时，其侧摩阻力发挥至相应单桩数值后，仍随沉降的增加而增长。沉降硬化是加工硬化型土中桩土相互作用的结果。群桩在适当桃距的情况下，桩间土在桩的侧限条件下，剪切、压缩，对桩侧表面产生附加法向应力从而导致桩侧摩阻力随荷载、沉降增加而提高，这是加工硬化性粉土群桩的一个重要特性。
影响沉降硬化”的主要因素有桩距和桩长。试验证明:桩距3d群桩的沉降硬化最明显，在相同沉降下的平均侧摩阻力随桩长的增加而增大，这是桩侧表面法向应力随桩长增加而增大所致。

沉降软化是由于桩长过短，随荷载的增加，承台土反力形成的压缩区扩展至桩底平面以下，使桩侧剪应力发生松弛，导致桩侧摩阻力随沉降增加而钦化。
对于低承台群桩，由于低承台限制了桩土相对位移，使侧摩阻力不能象高承台群桩那样得到充分发挥，这就是承台对侧阻的削弱效应。

3 端阻力的影响因素

3.1 桩端土性质的影响

桩端持力层的类别和性质直接影响桩端阻力的大小。低压缩性、高强度的砂、砾、岩层是最理想的具有高端阻力的持力层，特别是桩端进入砂、砾层中的挤土桩，可获得很高的端阻力。高压缩性、低强度的软土几乎不能提供桩端阻力，并且会导致桩发生突进型破坏。

3.2桩侧土层性质的影响

桩侧土层的性质对端阻力的发挥有一-定的影响，最为明显的是嵌岩桩。近十多年来，国内外通过逾百颗嵌岩桩的原型试验表明:嵌岩段轴力随深度递减，递减率与岩石的弹性模量和强度有关。深径比为5~10时端阻力衰减为零，岩石强度越高，轴力随深度衰减越快。当桩侧土为非岩土层，轴力衰减也随土层的软硬程度的不同而变化，当桩侧土很硬时，桩端阻力发挥值相应降低。

结论：

目前，学术界对负摩阻力和端阻力的研究已取得很多的进展。其影响因素，及它的计算方法等问题，根据这些研究成果，人们对负摩阻力和端有了进一步的认识，进而提出了很多消除其影响的措施。尽管如此，基于上述分析及实际工程中遇到.的问题，有关负摩阻力尚有很多需要进--步研究的问题

参考文献：

1. 彭奎森.竖向荷载作用下螺杆桩受力特性分析研究「D].湘潭大学，2010.

2. 刘金砺，袁振隆.粉土中钻孔群桩承台一桩-土相互作用特性和承载力计算.地基基础论文集(1990~1993).中国建筑科学研究院地基所.