王 昆，張召彬，韓文永，趙海超，李匯麗

（河北雙誠建筑工程檢測有限公司，河北 石家莊 050221）

樁土受力傳遞關(guān)系遵循力的平衡性質(zhì)，在樁頭受力過程中，荷載的傳遞受樁周地層的分布與特性、樁身設(shè)計參數(shù)、施工條件與工藝等不確定因素的影響而發(fā)生變動。進行樁土荷載傳遞體系的研究目的，是分析樁身截面位移變化和樁身內(nèi)力的分布情況或者樁側(cè)摩阻力與樁端承力的發(fā)揮特征。研究樁土受力傳遞體系的數(shù)值模擬分析方法，主要包括彈性理論模擬法、有限元數(shù)值法、土的剪切變形傳遞荷載法、荷載傳遞因數(shù)法等[5，10]。國內(nèi)專家學(xué)者利用測試位移和內(nèi)力的數(shù)據(jù)總結(jié)得到許多基于荷載—沉降曲線分析樁的承載性狀方法[3，7-8]；利用S-lgQ 法分析樁的端承力與摩擦力發(fā)揮情況；基于Q-S曲線輔助分析樁身壓縮量[6、10]、樁身變形[9]、樁身極限摩阻等方法[7]；單樁受力與沉降曲線特征分析[1-2]。

基于分析樁體與樁周土體的受力發(fā)揮過程（包括樁側(cè)摩擦力和樁端承力的發(fā)揮性狀與樁體破壞方式）是單樁承載力確定與分析必不可少的內(nèi)容之一，為樁基設(shè)計提供可靠、準(zhǔn)確的證據(jù)。

1 樁土關(guān)聯(lián)機理分析

樁基礎(chǔ)設(shè)計中單樁是最重要的受力單元，作為桿件狀受力單元，樁與樁周土的結(jié)合面以樁側(cè)接觸為主，樁底截面僅為樁和樁周土接觸部分不高于低于1%的占有比例。樁體上段結(jié)構(gòu)由于受力進行樁體壓縮變形引起相對樁周土體的豎向沉降，因此樁周土與樁的外表面上呈現(xiàn)為豎直向上的摩擦力；樁身軸力沿樁體向下遞減傳送至樁底的方式即為連續(xù)分解這種摩擦力并基于它向樁周土中分散的過程[11]。

樁體側(cè)向摩阻與樁底端阻的發(fā)揮進程就是樁體與土體荷載系統(tǒng)的傳遞過程[1]，當(dāng)垂向集中載荷逐漸作用于基樁頂部時，樁身受外力作用引起垂直向下的沉降，并同步發(fā)生樁周土產(chǎn)生的負摩擦力作用于樁體側(cè)界面上，導(dǎo)致樁體內(nèi)力和樁身壓縮量隨樁體埋深增加而減小。由于樁頂受力遞增，樁身變形壓縮和沉降量累積變大，樁體下段的摩擦力進一步不同發(fā)揮出來，樁底產(chǎn)生樁端沉降而引起樁端承力出現(xiàn)并增大。樁底沉降增加了樁體與樁周土相對移動，因此致使土體摩阻不斷充分調(diào)動；當(dāng)樁側(cè)摩擦力已充分調(diào)動并發(fā)揮到最大時，如果增加受力，則變大部分受力，基本上由樁底端承力分擔(dān)。

2 樁的承載性狀分析

樁的承載性狀即達到極限受力時側(cè)摩擦力與端承力的比例，通過分析各自比例判定樁的承載力，確定樁的類別。根據(jù)摩擦力和端承力的占比關(guān)系，將樁的承載性狀劃分為摩擦型樁、端承摩擦型樁、摩擦端承型樁、端承型樁。

（1）摩擦型樁是側(cè)摩擦力占樁身總荷載的95%～100%，端承力占樁身總荷載的0%～5%；

（2）端承摩擦型樁是側(cè)摩擦力占樁身總荷載的50%～95%，端承力占樁身總荷載的5%～50%；

（3）摩擦端承型樁是側(cè)摩擦力占樁身總荷載的5%～50%，端承力占樁身總荷載的50%～95%；

（4）端承型樁是側(cè)摩擦力占樁身總荷載的0%～5%，端承力占樁身總荷載的95%～100%。

3 荷載—沉降曲線分析樁的承載性狀方法

3.1 S-lgQ法

本方法假設(shè)條件：樁身受力達到極限條件時，樁側(cè)摩擦力已充分調(diào)動并發(fā)揮到最大。S-lgQ 法劃分端承力與側(cè)阻力示意圖，如圖1所示。在任一級荷載下，存在下式關(guān)系：

圖1 S-lgQ法劃分端承力與側(cè)阻力

式中：Qi——任一級樁頂受力；

Qsbi——任一級受力下的樁端承力，Qsbi=Qi-Qsfi；

Qsfi——任一級受力下的樁側(cè)摩擦力；

Si——任一級受力下的樁頂沉降；

K——S-lgQ曲線末段的直線段的斜率。

3.2 Q-Sb法

該方法適用于有實測樁底沉降情況下分析樁側(cè)摩擦力與樁端承力。從理論分析角度假定，樁側(cè)摩擦力達到最大條件后其值恒定不變且樁端承力及樁底沉降呈現(xiàn)線性比例特征關(guān)系。

基于上述假設(shè)，對Q-Sb（荷載—樁底沉降曲線）曲線繪制特征曲線線來解析計算不同載荷下樁的側(cè)摩擦力Qsf、樁端承力Qb以及各自的占比關(guān)系。

如圖2 所示，解析計算某級載荷Qt受力下的樁側(cè)摩擦力和樁端承力。首先，在Qt點處繪制OQ坐標(biāo)軸的垂直線交Q-Sb曲線于D 點；其次，在D 點繪制與BC 線的平行的斜線與OQ坐標(biāo)軸的交點為E。由于QtD表示Qt受力作用下實際的樁底位移Sb；假定Qb-Sb具備線性特征關(guān)系，因此，QtE 表示樁的端承力Qb，OE 表示樁側(cè)摩擦力Qsf，所以QtE=Qb，OE=Qsf。

4 案例分析

4.1 工程概況介紹

以某地地鐵試樁工程為例，該工程樁基施工工藝為復(fù)合式后注漿成孔灌注樁，樁體混凝土強度C30，設(shè)計樁長25.0m，樁身直徑800mm，樁周持力層為①2素填土、③1黃土狀粉質(zhì)土、③2黃土狀粉質(zhì)土、⑤1粉質(zhì)粘性土、⑥4粉質(zhì)粘性土、⑥1致密細中砂，樁端持力層位于⑥1致密細中砂；根據(jù)地層資料分層安裝振玄式鋼筋計，并在樁底安裝位移絲沿樁身傳至樁頂，跟隨單樁豎向抗壓靜載試驗測樁底沉降量，用于基樁承載性狀分析（如有條件可以在不同深度安裝沉降桿測試樁身變形）。

4.2 實測內(nèi)力測試分析樁的承載性狀

根據(jù)實測樁身內(nèi)力資料，經(jīng)計算、分析、成圖，得到試樁SZ3-B 樁身軸力圖3、樁側(cè)摩阻圖4、樁身壓縮量圖5。

圖3 SZ3-B樁身軸力分布圖

圖4 SZ3-B樁側(cè)摩阻分布圖

圖5 SZ3-B樁身壓縮量分布圖

根據(jù)成果圖3、圖4、圖5，分析得到受力變大樁身變形壓縮累積，導(dǎo)致上部樁身的沉降總是不小于下部沉降，樁體內(nèi)力受到樁側(cè)摩擦力的影響，越往下，樁體內(nèi)力不斷遞減，符合樁體與土體荷載傳遞規(guī)律，且上部的摩擦力總是先于下部發(fā)揮出來；隨著荷載的增加，上部樁身樁側(cè)摩擦力達到極限之后出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，下部樁側(cè)摩擦力被逐漸調(diào)動出來。根據(jù)曲線的斜率變化不同，說明不同荷載下，受樁周土體的影響，樁側(cè)摩擦力與樁端承力兩者相互干擾影響；且上部斜率變化快，下部斜率變化慢，結(jié)合側(cè)摩擦力先達到極限狀態(tài)，說明基樁的Q-S 曲線前段主要受側(cè)摩擦力作用的影響，后段曲線基本受端承力作用的影響較大。

根據(jù)表1統(tǒng)計分析，樁側(cè)摩擦力和樁端承力不是同時達到極限狀態(tài)，樁側(cè)阻力比樁端承力先達到極限狀態(tài)。另外單樁豎向抗壓承載特征值取值時，采用2倍的安全系數(shù)考慮，但是通過實際資料端阻與摩阻的安全系數(shù)不是2倍，端阻的安全系數(shù)為5.2倍，側(cè)摩阻的安全系數(shù)為1.7倍。

表1 不同受力狀態(tài)下的側(cè)摩阻與端阻所占比例統(tǒng)計表

4.3 荷載—沉降曲線分析樁的承載性狀及比對分析

采用S-lgQ 法分析試樁SZ3-B 的荷載—沉降曲線（Q-S曲線）得到圖6成果。

圖6 S-lgQ法承載性狀結(jié)果圖

采用Q-Sb法分析試樁SZ3-B 的荷載—沉降曲線（Q-Sb曲線）得到圖7成果。

圖7 Q-Sb法承載性狀結(jié)果圖

綜合分析，樁身內(nèi)力測試與荷載—沉降曲線分析樁的承載性狀，都可以判定該樁為端承摩擦樁，具體詳見表2。但是S-lgQ法和Q-Sb法計算得到的側(cè)摩擦力和端承力，與樁身內(nèi)力測試得到的側(cè)摩擦力和端承力存在一定的差異。S-lgQ 法是采用樁頂荷載—沉降曲線劃分樁的承載性狀，Q-Sb法是利用樁頂荷載—樁底位移曲線劃分樁的承載性狀。從偏離樁身內(nèi)力測試結(jié)果來分析，Q-Sb法比S-lgQ法更加接近實測結(jié)果。

表2 試樁SZ3-B承載性狀分析結(jié)果

綜上所述，在無樁身內(nèi)力測試資料的情況下，利用Q-S 曲線劃分樁的側(cè)摩擦力和端承力對估算樁的承載性狀特征具備可利用的價值。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合實測樁身內(nèi)力情況和樁土荷載傳遞體系，分析樁身摩阻、軸力和壓縮量的發(fā)揮情況，得到基樁的Q-S曲線前段主要受側(cè)摩擦力作用的影響，后段則主要受端承力作用的影響，且單樁豎向抗壓靜載試驗的載荷—位移（Q-S）曲線是樁體與樁周土體的受力過程、摩擦力和端承力發(fā)揮特征的綜合反映。

（2）樁側(cè)摩擦力與樁的端承力兩者相互干擾影響的作用，使樁側(cè)摩擦力先充分發(fā)揮；根據(jù)不同狀態(tài)下的端承力與摩擦力統(tǒng)計得到整樁設(shè)計安全系數(shù)為2倍，端承力的安全系數(shù)為5.2 倍，側(cè)摩擦力的安全系數(shù)為1.7倍。

（3）S-lgQ法和Q-Sb法計算得到的側(cè)摩擦力和端承力，與樁身內(nèi)力測試得到的側(cè)摩擦力和端承力存在一定的差異，但是對估算樁的承載性狀特征具備可利用的價值。