第二章 抗压桩受力性状
第一节 桩土体系的荷载传递
一、桩土体系的荷载传递机理
在桩顶竖向荷载作用下，桩身将发生轴向弹性压缩，同时桩顶荷载通过桩身传到桩底，桩底下土层也将发生压缩，这两部分之和就是桩顶的轴向位移。置于土中的桩与其侧面土体紧密接触，桩相对于土体向下位移，产生土体对桩向上作用的桩侧摩阻力（定义为正摩阻力）。桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断克服这种摩阻力，这样桩身截面轴向力就随着深度逐渐递减，传至桩底截面的轴向力就等于桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力，它与桩底支承反力（端阻力）大小相等，方向相反。通过桩侧摩阻力和桩端阻力，桩将荷载传给了地基。
因此，可以认为地基对桩的支承力是由桩侧摩阻力和桩端阻力两部分组成，桩的极限承载力Qu（或称桩的极限荷载）就等于桩侧摩阻力极限值Qsu与桩端阻力极限值Qpu之和。但两者并不同时发生，因为它们的发挥程度与桩土间的变形性状有关，各自达到极限值时所需的位移量并不相同。
当桩顶荷载较小时，桩身混凝土的压缩也在桩的上部，桩侧上部土的摩阻力得到逐步发挥，此时在桩身中下部桩土相对位移等于零处，其桩侧摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着桩顶荷载增加，桩身压缩量和桩土相对位移量逐渐增大，桩侧下部土层的摩阻力随之逐步发挥出来，桩底土层也因桩端受力被压缩而逐渐产生桩端阻力；当荷载进一步增大，桩顶传递到桩端的力也逐渐增大，桩端土层的压缩也逐渐增大。桩端土层压缩和桩身压缩量加大了桩土相对位移，从而使桩侧摩阻力得以进一步发挥。
当桩侧土层的摩阻力发挥到极限，若继续增加桩顶荷载，那么其新加的荷载增量将全部由桩端阻力来承担。当桩端持力层产生破坏时，桩顶位移急剧增大，桩顶所能承受的荷载往往下降，此时桩基已发生破坏。桩基发生破坏时作用在桩顶的荷载称为单桩的破坏承载力，而破坏之前的前一级荷载称为单桩竖向极限承载力，也称为桩顶所能稳定承受的最大试验荷载。桩顶在竖向荷载作用下的传递规律可总结如下：
（1）桩侧摩阻力是自上而下逐渐发挥的，而且不同深度的桩侧摩阻力是异步发挥的。
（2）当桩土相对位移大于各种土性的极限位移后，桩土之间要产生滑移，滑移后其抗剪强度将由峰值强度跌落为残余强度，亦即滑移部分的桩侧土产生软化。
（3）桩端阻力和桩侧阻力是异步发挥的。只有当桩身轴力传递到桩端并对桩端土产生压缩时才会产生桩端阻力，而且一般情况下（当桩端土较坚硬时），桩端阻力随着桩端位移的增大而增大。
（4）单桩竖向极限承载力是指静载试验时单桩桩顶所能稳定承受的最大试验荷载。
二、荷载传递基本微分方程
根据上述分析，轴向荷载作用下桩土体系荷载传递过程可简单地描述为：桩身位移s（z）和桩身荷载Q（z）随深度递减，桩侧摩阻力qs（z）自上而下逐步发挥。桩侧摩阻力qs（z）发挥值与桩土相对位移量有关，如图2-1-1所示。
图2-1-1 桩土体系的荷载传递
由图2-1-1（a），取深度z处的微小桩段dz作受力分析，根据力的平衡条件可得
qs(z)·U·dz+Q(z)+dQ(z)=Q(z)
由此得
由桩身材料弹性阶段的应力应变关系可得
故z截面轴向荷载
将式（2-1-2）代入式（2-1-1）可得
式（2-1-3）是进行桩土体系荷载传递分析计算的基本微分方程。
同时，任意深度z处的桩身截面轴向荷载和竖向位移可以表示为
式中 A——桩身横截面面积，m2；
Ep——桩身弹性模量，Pa；
U——桩身周长，m。
式（2-1-1）～式（2-1-3）分别表示于图2-1-1（c）、（d）和（b）中。通过在桩身埋设应力或应变测试元件（钢筋应力计、应变片等）利用式（2-1-4）和式（2-1-5）即可求得轴力和侧阻沿桩身的变化曲线。
三、影响单桩荷载传递性状的因素
影响桩土体系荷载传递的因素主要包括桩顶的应力水平、桩端土与桩周土的刚度比、桩与土的刚度比、桩长径比、桩底扩大头与桩身直径之比和桩土界面粗糙度等。
1.桩顶的应力水平
当桩顶应力水平较低时，桩侧上部土阻力得到逐渐发挥，当桩顶应力水平增高时，桩侧土摩阻力自上而下发挥，而且桩端阻力随着桩身轴力传递到桩端土而慢慢发挥。桩顶应力水平继续增高时，桩端阻力的发挥度一般随着桩端土位移的增大而增大。
2.桩端土与桩侧土的刚度比Eb/Es
如图2-1-2所示，在其他条件一定时：
当Eb/Es=0时，荷载全部由桩侧摩阻力所承担，属纯摩擦桩。在均匀土层中的纯摩擦桩，摩阻力接近于均匀分布。
当Eb/Es=1时，属均匀土层的端承摩擦桩，其荷载传递曲线和桩侧摩阻力分布与纯摩擦桩相近。
当Eb/Es=∞且为短桩时，为纯端承桩。当为中长桩时，桩身荷载上段随深度减小，下段近乎沿深度不变。即桩侧摩阻力上段可得到发挥，下段由于桩土相对位移很小（桩端无位移）而无法发挥出来。桩端由于土的刚度大，可分担60%以上荷载，属摩擦端承桩。
3.桩身混凝土与桩侧土的刚度比Ep/Es
如图2-1-3所示，在其他条件一定时：
图2-1-2 不同Eb/Es下的桩身轴力图
图2-1-3 不同Ep/Es下的桩身轴力图
Ep/Es越大，桩端阻力所分担的荷载比例越大；反之，桩端阻力分担的荷载比例降低，桩侧阻力分担的荷载比例增大。
对于Ep/Es小于10的中长桩，其桩端阻力比例很小。说明对于砂桩、碎石桩、灰土桩等低刚度桩组成的基础，应按复合地基工作原理进行设计。
4.桩长径比l/d
在其他条件一定时，l/d对荷载传递的影响较大。在均匀土层中的钢筋混凝土桩，其荷载传递性状主要受l/d的影响。当l/d大于100时，桩端土的性质对荷载传递不再有任何影响。可见，长径比很大的桩都属于摩擦桩或纯摩擦桩，在此情况下显然无需采用扩底桩。
5.桩底扩大头与桩身直径之比D/d
如图2-1-4所示，在其他条件一定时，D/d越大，桩端阻力分担的荷载比例越大。
6.桩侧表面的粗糙度
一般桩侧表面越粗糙，桩侧阻力的发挥度越高，桩侧表面越光滑，则桩侧阻力发挥度越低，所以桩基施工方式是影响单桩荷载传递的重要因素。
钻孔桩由于钻孔使桩侧土应力松弛，同时由于泥浆护壁使桩侧表面光滑而减少了界面摩擦力，所以普通钻孔灌注桩的侧阻发挥度不高，如果对钻孔桩的桩土界面实行注浆，实质上是提高了其界面粗糙度同时也相对扩大了桩径，从而提高了侧阻力。
图2-1-4 不同D/d下的端承力
预应力管桩等挤土桩由于打桩挤土对软土桩上界面的上层进行了扰动，从而在短期内降低了桩侧摩阻力，当然在长期休止后，随着软土的触变恢复，桩侧摩阻力会慢慢提高。
7.其他因素
此外，单桩荷载传递性状还与桩型、打桩顺序和打桩节奏、打桩后龄期、地下水位、表层土的欠固结程度、静载试验的加荷速率等因素有关。
综上所述，单桩竖向极限承载力与桩顶应力水平、桩侧土的单位侧阻力qsu和单位端阻力qpu、桩长径比、桩端土与桩侧土的刚度比Eb/Es、桩侧表面的粗糙度以及桩端形状等因素有关。设计中应掌握各种桩的桩土体系荷载传递规律，根据上部结构的荷载特点、场地各土层的分布与性质，合理选择桩型、桩径、桩长、桩端持力层、单桩竖向承载力特征值，合理布桩，在确保长久安全的前提下充分发挥桩土体系的力学性能，做到既经济合理又施工方便快速。