单桩竖向抗压静载试验数据分析与探讨

苗 琪

（中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002）

0 前言

基桩能够提供大的承载力，减少建筑物的沉降，高层建筑的基础多采用桩基础。基桩工程质量的好坏主要取决于2个因素，即承载能力与桩身质量，而承载力是二者中的主要因素。桩基是埋入地下的隐蔽工程，桩的承载力与桩型、桩材、成桩工艺、土层特性等众多复杂的因素有关，而岩土工程领域，理论能够精确计算解决的问题十分有限。桩承载力的准确测试对于各类建筑物基础设计乃至上部结构的设计都起着举足轻重的作用。长期以来，国内外确定单桩承载力的方法很多，总体可分为2大类：第1类是对现场工程桩进行静载荷试验和动力检测；第2类是通过其他试验统计，分别得出桩端阻力和桩身侧阻力计算估计。静载试验方法虽然传统、古老，但是接近桩的实际工作条件，方法直观，迄今被世界各国工程界、学术界公认是确定承载力最可靠的办法。但承载力的确定各国、各行业略有不同，规范中非定量的判据，易于影响承载力结果判定，若不引起大家注意，看着直观的静载试验，也难以得出科学的结果。

本文结合建筑基桩检测技术规范、桩端土的极限端阻力、单桩竖向抗压静载试验、高层建筑基础沉降与试桩沉降量的经验关系等方法和要求，通过静载试验数据的分析，对单桩竖向抗压极限承载力的确定进行有益探索。

1 静载试验主要方法

静载试验中，作用于桩上的荷载一般由反力装置提供，常用的有堆载反力装置和锚桩反力装置。堆载反力装置就是在桩顶使用钢梁设置一承重平台，上堆重物，依靠放在桩头上的千斤顶将平台逐步顶起，从而将力施加到桩身。锚桩反力装置就是将反力架与锚桩或地锚连接在一起提供反力。另外也有用锚桩与堆重平台联合装置提供反力，现在还有自平衡法静载试验。

2 影响单桩极限承载力的因素

影响桩的极限承载力的因素主要有是桩周土、桩身强度、桩的施工工艺、建筑物沉降和沉降差的要求等。

单桩竖向抗压极限承载力是单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载。它取决于土对桩的支承阻力和桩身材料强度，一般由土对桩的支承阻力控制，是桩侧桩端土发生剪切破坏前对应的荷载。对端承桩和桩身质量有缺陷的桩，可能由桩身材料强度控制。

桩的施工工艺也是决定桩的承载力至关重要的一个因素。例如钻孔灌注桩，桩底沉渣是影响桩承载力的重要因素之一。这就是不易采用深层平板载荷试验确定端承桩承载力值的主要原因。

载荷试验时，若桩身破坏，得到单桩极限承载力值大于按桩身强度计算的承载力时，试验得到承载力值不易作为场地承载力值使用。原因是某些桩的实际桩身强度可能远大于设计强度，对于采用实际强度确定承载力的情况可能造成桩的承载力被夸大而失去代表性，易为工程埋下隐患。

对于沉降敏感的建筑物，桩的沉降和沉降差也是判定桩的承载力能否满足要求的重要因素。

3 极限承载力的判定

单桩竖向抗压极限承载力，一般由土对桩的支承阻力控制，是单桩在竖向荷载作用下，桩侧桩端土发生剪切破坏前对应的荷载，或出现不适于继续承载的变形时所对应的荷载。

桩侧桩端土支承阻力的发挥需要一定的桩土相对位移，即平常所说的桩顶沉降量。不同的土、桩长、桩径，极限侧阻力、端阻力的发挥需要的桩土相对位移是不同的。因此，极限承载力的判定，需要了解土的特性、桩长、桩径，初步估算极限荷载时，需知桩顶沉降量可能是多少。

试验结果表明，桩侧阻力和桩端阻力不是同时达到极限状态的，桩侧阻力先于端阻力达到极限状态，且两者达到极限状态的位移是不同的。一般硬粘性土中桩侧阻力在相对位移为5～6mm 时得到充分发挥，在砂石土中所需的位移量为4～10mm，也有学者认为所需的相对位移量在10～20 mm。桩端阻力达到极限状态，粘性土中所需的相对位移量为桩径的4%～5%，砂土中至少15%。

从变形角度考虑，规范要求体形简单的高层建筑基础的平均沉降量允许值为200mm，对于中、小直径桩，试桩的沉降量，试验数据统计经验关系约为建筑基础的平均沉降量的0.2倍，约40mm。大量实践经验表明，当沉降量达到桩径的10%时（应扣除桩身的压缩量），才可能出现极限荷载。规范中要求对缓变型Q－S 曲线，按S＝0.05D 确定直径≥800mm 桩的极限承载力。这里一定要注意，极限荷载时，土对桩还具有支撑能力。极限荷载的取值，应综合考虑土的特性、桩长、桩径、Q－S曲线特征、建筑物沉降要求等因素。对长桩（桩身的压缩量应考虑）、大直径桩，当沉降量＞40 mm 时，可能还不是真实极限荷载，而中、小直径短桩、或桩端持力层差时，极限荷载对应的沉降量可能会＜40mm，甚至不到10mm。

4.1 单桩静载试验实例分析1

该工程位于郑州市上街区，场区第1层土为杂填土，第2层为粉土，第3～11层为粉质粘土。基桩为桩长14.0 m、桩径为400 mm 的管桩，桩端座于第7层硬塑的粉质粘土，极限端阻力取1 500kPa。预估单桩竖向静载试验出现极限荷载时，桩顶沉降量应＜20mm（表1）。

单桩静载试验的分级荷载为200kN，当加载至1 800kN 级时，Q－S曲线发生陡降，从Q－S、S－lgt曲线特征分析，极限侧阻力应接近1 600kN（该级及以上各级S－lgt曲线近似平行，1 600kN 中可能会含有很小的桩端阻力），对应桩顶沉降量为7.23 mm，与一般硬粘性土中桩侧阻力在相对位移为5～6mm 时得到充分发挥相一致。荷载为1 800kN 级时，作用于桩端土的荷载应达到200kN，压力达到1 500kPa，达到桩端土的极限端阻力1 500kPa，桩端刺入桩端土，桩沉降增加明显，在该级荷载作用下，桩端土会发生剪切破坏。从单桩竖向抗压静载试验荷载沉降数据（表2）可以看出，当加载量为1 800kN，该级加载时间到120min时，本级沉降量为10.03mm，Q－S曲线呈现陡降型（本级沉降大于上一级沉降量的5倍），S－lgt曲线尾部出现明显向下弯曲。此时，桩顶累计沉降量达到17.26 mm。以后，沉降量增加明显，且随时间的增加，扩散趋势增大。这与桩端阻力达到极限状态时，粘性土中所需的相对位移量为桩径的4%～5%（16～20 mm）相一致（桩顶荷载为1 800 kN，桩身压缩量约为2mm）。此时，桩端土发生剪切破坏，呈现陡降型QS曲线（图1）。从数据分析可以看出，当桩顶沉降量达到20mm 以后，土对桩已失去支撑能力。

根据沉降随荷载的变化特征判定：陡降型Q－S曲线，取曲线发生明显陡降的起始点的荷载为极限承载力，根据沉降随时间的变化特征判定：极限承载力取S－lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载为极限荷载。综合考虑该桩单桩极限承载力取1 600kN，对应沉降量为7.23 mm（由于荷载分级的原因，取值可能稍有些保守）。

表1 单桩竖向抗压静载试验汇总表

表2 单桩竖向抗压静载试验1 600kN和1 800kN两级荷载沉降表

图1 单桩竖向抗压静载试验曲线图

4.2 单桩静载试验实例分析2

该工程位于郑州市西部，场区桩长范围内以中密～密实的粉土和硬塑的粉质粘土为主。基底座于第6层粉土，桩端座于第8层密实的粉土中，工程勘察报告中提供的桩端土的极限端阻力1 000kPa。桩为长8.0m、桩径为400mm，砼强度等级为C30的CFG 桩。预估单桩竖向静载试验出现极限荷载时，桩顶沉降量应达到20mm。

本工程单桩静载试验最大荷载为720kN，分级荷载为72kN。从Q－S、S－lgt曲线（图2）特征分析，由于桩端土为密实的粉土，有一定的端阻力，极限侧阻力应接近504kN（该级及以上各级S－lgt曲线近似平行，504kN 中可能含有很小的桩端阻力），对应桩顶沉降量10.46 mm，与桩侧阻力得到充分发挥所需的位移量为4～10mm 相一致。

图2 单桩竖向抗压静载试验曲线图

当桩侧阻力发挥到极限后，在576kN 荷载作用下，作用在桩端土的压力约为570kPa，小于桩端土的极限承载力1 000kPa，本级沉降为4.87mm，累计沉降为15.33mm，Q－S曲线应呈缓变型（本级沉降小于上一级沉降量的2倍），接近承载力极限状态，与桩端阻力达到极限状态，粘性土中所需的相对位移量为桩径的4%～5%（约16～20mm）相一致（表3）。

在648kN 荷载作用下，作用在桩端土的压力约为1 140kPa，大于桩端土的极限承载力1 000 kPa，桩端刺入桩端土，桩沉降增加明显，本级沉降为9.47mm，（本级沉降接近上一级沉降量的2倍），累计沉降为24.80 mm，大于极限荷载时桩顶所需沉降量20mm，S－lgt曲线尾部出现明显向下弯曲，桩端土呈剪切破坏趋势，土对桩将失去支撑能力。

表3 单桩竖向抗压静载试验汇总表

根据沉降随荷载的变化特征判定：陡降型Q－S曲线，取曲线发生明显陡降的起始点的荷载为极限承载力；缓变型Q－S曲线，桩径大于等于800mm 时，宜取S＝40mm 对应的荷载为极限承载力；根据沉降随时间的变化特征判定，极限承载力取S－lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载为极限荷载。

综合考虑该桩单桩极限承载力取576kN，对应沉降量为15.33 mm（桩身压缩量约1.5 mm，由于荷载分级的原因，取值可能稍有些保守）。

5 结论

（1）单桩竖向抗压极限承载力是单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载。单桩竖向抗压极限承载力的确定应综合考虑桩周土、桩身强度、桩的施工工艺、建筑物沉降和沉降差的要求等因素。

（2）单桩竖向抗压极限承载力的确定应充分考虑桩侧土、桩端土达到极限承载力时，需要的桩土相对位移。

（3）极限侧阻力发挥时的桩土相对位移：一般硬粘性土中桩侧阻力在相对位移为5～6mm 时得到充分发挥，在砂石土中所需的位移量为4～10mm，也有学者认为所需的相对位移量在10～20mm。

（4）桩端阻力达到极限状态的桩顶位移：粘性土中所需的相对位移量为桩径的4%～5%，砂土中至少15%。

（5）沉降随荷载的变化为缓变型，若桩径大于等于800mm 时，宜取S＝40 mm 对应的荷载为极限承载力；桩径小于800mm 时，易考虑极限侧阻和桩端极限阻力发挥时所需位移对应的荷载为极限承载力。

（6）根据沉降随时间的变化特征判定：极限承载力取S－lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载为极限荷载。由于桩身的破坏，得到单桩极限承载力值大于按桩身强度计算的极限承载力时，试验得到单桩极限承载力值不易作为场地承载力值使用。

［1］ 赵士永，李旭光.砌体结构并联复合隔震建筑有限元分析［J］.华北地震科学，2011，29（2）：23－26.

［2］ 刘明贵，余诗刚，汪大国.桩基检测技术指南［M］.北京：科学出版社，1995.

［3］ 陈凡，徐天平，陈久照，等.基桩质量检测技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

［4］ 刘兴录.桩基工程与动测技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000.

［5］ 中国建筑科学研究院.JGJ 106－2003，建筑基桩检测技术规范［S］.北京：中国标准出版社，2003.