單樁豎向抗壓靜載試驗理論及曲線形態

林錫安

【摘要】本文通過對單樁豎向抗壓靜載試驗基本原理的分析總結，提出相應的單樁豎向抗壓靜載試驗分析要點，總結基樁檢測經驗，提高檢測人員對樁基檢測技術水平，更好地服務于工程實際。

【關鍵詞】靜載試驗;基本理論

1、前言

樁基礎是國內應用最為廣泛的一種基礎形式，其工程質量涉及上部結構的安全。我國年用樁量已超千萬根，面對如此之大的用樁量，確保質量一直是備受建設各方的關注。樁基工程質量除受巖土工程條件、基礎與結構設計、樁土相互作用、施工工藝以及專業水平和經驗等關聯因素影響外，還具有施工隱蔽性高、更容易存在質量隱患的特點，發現質量問題難，出現事故處理更難。因此，更加準確有效的檢測方法及其評價結果，直接影響到上部結構的正常使用與安全。現階段，單樁抗壓靜載試驗是公認的檢測基樁豎向抗壓承載力最直觀、最可靠的方法。

2、單樁豎向抗壓靜載試驗基本理論

2.1 單樁豎向抗壓靜載試驗

單樁豎向抗壓靜載試驗主要目的是確定單樁豎向抗壓極限承載力，判定豎向抗壓承載力是否滿足設計要求。確定單樁豎向抗壓承載力時一般采用豎向荷載-沉降（Q-s）、沉降-時間對數（s-lgt）曲線。根據實測曲線判斷樁的破壞模式，判定樁的極限狀態和樁的極限承載力。

單樁豎向靜載試驗是確定單樁豎向極限承載力的最可靠方法，也是宏觀評價樁的變形和破壞性狀的依據。靜載試驗所得荷載-沉降（Q-s）曲線的型態隨樁側和樁端土層的分布與性質、成樁工藝、樁的形狀和尺寸（樁徑、樁長及其比值）、應力歷史等諸多因素而變化。Q-s曲線是樁土體系的荷載傳遞、側阻和端阻的發揮性狀的綜合反應。由于樁側阻力一般先于樁端阻力發揮，因此Q-s曲線的前段主要受側阻力制約，而后段則主要受端阻力制約。但是對于下列情況則例外：

（1）超長樁（L/D>100），Q-s全程受側阻性狀制約;

（2）短樁（L/D<10）和支承于較硬持力層上的短至中長（L/D≤25）擴底樁，Q-s前段同時受側阻和端阻性狀的制約;

支承于巖層上的短樁，Q-s全程受端阻及嵌巖阻力制約。

2.2? 抗壓靜載試驗常見Q-s曲線形態

單樁Q-s曲線與只受基底土性狀制約的平板載荷試驗不同，它是總側阻Qs、總端阻Qp隨沉降發揮過程的綜合反映，因此，許多情況下不出現初始線性變形段，端阻力的破壞模式與特征也難以由Q-s明確反映出來。

典型的緩變型Q-s曲線（如圖1）應具有以下四個特征：

（1）比例界限Qp（又稱第一拐點），它是Q-s曲線上起始的擬直線段的終點所對應的荷載。

（2）屈服荷載Qy，它是曲線上曲率最大點所對應的荷載。

（3）極限荷載Qu，它是曲線上某一極限位移su所對應的荷載。此荷載亦可稱為工程上的極限荷載。

（4）破壞荷載Qf，它是曲線的切線平行于s軸（或垂直于Q軸）時所對應的荷載。

事實上Qu為工程上的極限荷載，而Qf才是真正的極限荷載。但是，現今進行的多為檢驗目的的工程樁靜載試驗，往往達不到極限荷載Qf便終止了試驗，而單樁豎向承載力特征值往往取最大試驗荷載除以規定的安全系數（一般為2），這顯然是偏于安全的。

2.3 抗壓靜載試驗的破壞模式

抗壓靜載試驗的破壞模式，包括樁身結構強度破壞和地基土的強度破壞。

樁身結構強度破壞：樁身縮頸、離析、松散、夾泥，混凝土強度低等都會造成樁身強度破壞;灌注樁樁底沉渣太厚，預制樁接頭脫節等會導致承載力偏低，雖然不屬于狹義的樁身破壞，但也屬于成樁質量問題;樁帽制作不符合要求，如樁帽與原樁身不對中、樁帽混凝土強度低，導致試驗無法順利進行，也屬于廣義的樁身破壞。樁身結構強度破壞的Q-s曲線為“陡降型”。

地基土強度破壞：地基土強度破壞顯然與地基土的性質密切相關，對于單樁豎向抗壓靜載試驗來說，土對樁的抗力分為樁側阻力和樁端阻力。對摩擦型樁，地基土破壞特征比較明顯，Q-s曲線呈“陡降型”;但對于端承型樁，一般Q-s曲線呈“緩變形”，地基土破壞特征不是很明顯。對于樁端持力層存在軟夾層、破碎帶、溶洞或孔洞，也會導致地基土強度破壞，其Q-s曲線也呈“陡降型”。另外，對采用泥漿護壁的沖、鉆孔灌注樁，如果樁周泥皮過厚，會明顯降低樁側阻力。對于陡降型Q-s曲線，其極限承載力即為與破壞荷載相應的陡降起始點荷載。對于緩變型Q-s曲線，確定極限承載力的方法較多，如有的取Q-s曲線斜率轉變為常數或斜率減小的起始點荷載為極限承載力，即△s-Q曲線的第二拐點;有的取s-lgt曲線尾部明顯彎曲的前一級荷載為極限承載力;有的取s-lgQ曲線轉變為陡降直線的起始點荷載為極限承載力;有的取lgs-lgQ曲線第二直線交會點荷載為極限承載力;等等。其方法不下二十種，但在許多情況下，常因Q-s曲線等特征很不明顯，使取值結果帶有任意性，加之，有的確定極限承載力的方法的物理意義并不明確，因而對于緩變型Q-s曲線的極限承載力宜綜合判定取值。由于對Q-s曲線呈緩變型的樁，荷載達到“極限承載力”后再施加荷載，并不會導致樁的失穩和沉降的顯著增大，即承載力并未真正達到極限，因而該極限承載力實際為工程上的極限承載力。

2.4抗壓試樁的極限狀態

2.4.1樁基承載能力極限狀態

以豎向受壓樁基為例，樁基承載能力極限狀態由下述三種狀態之一確定：

（1）樁基達到最大承載力，超出該最大承載力即發生破壞。就豎向受荷單樁而言，其荷載-沉降曲線大體表現為陡降型（A）和緩變型（B）兩類（如圖1）。Q-s曲線是破壞模式與破壞特征的宏觀反映，陡降型屬于“急進破壞”，緩變型屬“漸進破壞”。前者破壞特征點明顯，一旦荷載超過極限承載力，沉降便急劇增大，即發生破壞。后者破壞特征點不明顯，常常是通過多種分析方法判定其極限承載力，且判定的極限承載力并非真正的最大承載力，因此繼續增加荷載，沉降仍能趨于穩定，不過是塑性區開展范圍擴大，塑性沉降量增加而已。

（2）樁基出現不適于繼續承載的變形。如前所述，對于大部分大直徑單樁基礎、低承臺群樁基礎，其荷載-沉降呈緩變型，屬漸進破壞，判定其極限承載力比較困難，帶有任意性，且物理意義不甚明確。因此，為充分發揮其承載潛力，宜按結構物所能承受的樁頂的最大變形su確定其極限承載力，如圖2所示，取對應于su的荷載為極限承載力Qu。該承載能力極限狀態由不適于繼續承載的變形所制約。

（3）樁基發生整體失穩。位于岸邊、斜坡的樁基、淺埋樁基、存在軟弱下臥層的樁基，在豎向荷載作用下，有發生整體失穩的可能。因此，其承載力極限狀態除由上述兩種狀態之一制約外，尚應驗算樁基的整體穩定性。

2.4.2樁基正常使用極限狀態

樁基正常使用極限狀態系指樁基達到建筑物正常使用所規定的變形限值或達到耐久性要求的某項限值，具體指：1）樁基的變形。2）樁身和承臺的耐久性。

2.5 單樁豎向抗壓極限承載力

單樁豎向抗壓極限承載力指單樁在豎向荷載作用下到達破壞狀態前或出現不適于繼續承載的變形時所對應的最大荷載。它取決于土對樁的支承阻力和樁身結構強度，一般由土對樁的支承阻力控制，對于端承樁、超長樁和樁身質量有缺陷的樁，可能由樁身結構強度控制。即單樁豎向極限承載力包含兩層涵義：一是樁身結構極限承載力，二是支承樁側樁端地基土的極限承載力。

總結：

通過認識學習單樁豎向靜載試驗的原理，分析單樁的各種變形曲線、破壞形式及極限狀態，更好的提升樁基檢測人員的判樁能力，便于服務工程項目。

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