桩和桩机的若干机理与理论问题重点解读.doc

桩和桩基础若干机理与理论问题 刘金砺 （中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京100013） 摘要：桩和桩基础的某些承载变形机理有待再认识，现代建设工程涌现出一些新问题值得探讨。本文从试验研究和工程实践中提出以下有别于传统认知、引人思改的问题，并阐明其发生机理、工程应用、研究思路的建议。主要是：桩端阻力对侧阻力的影响源于桩身变形的泊松效应；长桩和超长桩群桩基础的沉降计算应考虑其荷载传递、沉降变形机理特征；承台效应是复合桩基设计计算的关键，应考虑土的类别，合理确定承台效应系数；共同作用分析中桩土刚度凝聚，应对桩土相互影响系数区别土性对弹性理论值进行修正；抗拔桩采用扩底、侧注浆、后张预应力承载力和变形机理的异同；采用线弹性地基m法计算建筑桩基的合理性；软土和非软土地区基坑开挖回弹和回弹再压缩的不利和有利影响。 关键词：泊松效应；长桩；承台效应；桩土相互影响系数；抗拔桩；无黏结预应力；m法；基坑回弹 1、引言 人类应用桩基础虽然已历经数千年，但由于桩和桩基础的承载性状受地基土性、桩土相互作用、成桩效应等诸多因素影响而趋于复杂，即使是某些工程中常见的承载变形机理和理论计算模式仍然值得人们进一步探讨，现代桩基工程提出的新问题更是有待破解。前人通过试验研究揭示机理，以揭示的机理为基础，运用力学原理制定相应的计算模式，通过工程实践和再试验研究检验、改进、丰富既有理论，由此，推动桩基工程技术不断进步。 关于单桩侧阻力和端阻力的发挥机理及受桩径、土性、上覆土层、成桩工艺诸因素的影响；端阻力大小对侧阻力发挥值的影响；关于等截面桩、扩底桩、侧注浆桩、后张预应力灌注桩抗拔承载力的变化与机理；关于桩与承台共同分担荷载的复合桩基的承台效应；关于共同作用计算中桩土刚度凝聚和变刚度调平设计；关于长桩的荷载传递与变形特性及其群桩基础的沉降计算；关于水平承载单群桩的工作机理与计算；关于基坑开挖回弹和回弹再压缩的影响等诸多问题，有的属于常规传统问题，有的属于现代建设工程桩基应用中提出的新问题。本文首先把这些问题提出来，并就其中的某些机理进行探讨，或提出进一步研究的思路。 2、桩侧阻力和桩端阻力 2.1单桩侧阻力 传统的认知是：单桩的侧阻力是桩顶受载后发生于桩土界面的摩擦阻力，简称摩阻力；桩侧阻力发挥至极限值所需的相对位移值Wu，对于黏性土为5～10mm，对于砂土为10～20mm，与桩径大小无关。 通过近20多年来的试验研究和工程实践获得的新认知是：发挥侧阻所需的相对位移并非定值，而是与桩径大小、成桩工艺、土层性质及各土层竖向分布位置（处于桩侧的上、中、下方）有关；桩土剪切滑移面除坚硬粘土层出现于桩土界面外，一般出现于紧靠桩表面的土体中，极限侧阻力等于桶形面上土的剪切强度，qsu=σr tg+c；对于灌注桩，由于混凝土浇注过程有水泥浆渗入孔壁土中形成紧固于桩表面的薄层水泥土，滑移面发生于其外侧的土体中；当采用泥浆护壁且泥浆较稠时，桩表面附着低强度泥皮，滑移面发生于泥皮中；当实施后注浆时，滑移面发生于注浆硬壳层外侧。由此看出，称桩侧阻力为摩阻力不符合其作用机理。 表1所列为日本某地灌注桩试验所测得的不同荷载下的桩土相对位移和对应桩侧阻力，桩侧为冲填砂、淤积砂砾、黏土、砂与黏土交互层，桩端进入密实砂层，桩径d＝2m,桩长L＝40m。由表1可知，该静力试桩桩顶加载达40MN，桩顶沉降达202mm（≈10%d）；浅层土（0～8.5m）的侧阻力极限值对应的相对位移W为45～122mm（w/d＝2.3～6.1%）；随着土层埋置深度增加，发挥侧阻所需位移增大，24m以下的砂砾层和砂黏土交互层，当相对位移接近桩径的10%时，其侧阻力尚未达极限值。 表1　　侧阻力qs（KPa）与桩土相对位移W（mm） 深度（m） 　 荷载（MN） 分项 5 10 15 20 25 30 35 40 0～2 冲填砂 W 1.59 4.79 12.85 29.1 45.30 71.25 123.30 202.36 w/d 0.080 0.240 0.643 1.455 2.265 3.568 6.165 10.118 qs 0 15.9 15.9 31.8 63.7 63.7 63.7 63.7 2～8.5 冲填砂 淤积砂 W 1.40 4.40 12.40 28.35 44.40 70.20 122.00 201.20 w/d 0.070 0.220 0.62 1.418 2.220 3.510 6.100 10.060 qs 0 9.8 14.7 26.9 59.0 64.7 99.0 99.0 8.5～15 淤积砂 粘　土 W 1.13 3.85 11.75 27.30 43.05 68.65 120.10 198.85 w/d 0.057 0.193 0.588 1.3