轴向桩阻力及其计算方法

轴向桩阻力由两部分组成：

1）累积的表面阻力；

2）端阻力。

对于一个位于由N土层组成的分层土壤中的桩，桩阻力R可以表述为

式中 f_Si——第i层沿桩轴单位面积上的平均摩擦力；

A_Si——第i层上桩的轴面积；

q_T——单位端阻力；

A_T——桩的总端头面积。

1.黏土

对于主要是黏土中的桩，平均的单位表面摩擦力f_s可以按照下述方法计算：

1）总应力法，也就是α法，即

f_Si=αc_u

式中

c_u——土壤未排水的剪切强度；

p₀′——所指讨论点处的有效过载压力。

2）有效应力法，也就是β法，即

f_Si=βp₀′

对于桩长超过15m的情况，建议β值范围为0.1～0.25。

3）半经验λ法，其土壤当作单一层处理，平均表面摩擦力计算式为

f_s=λ（p_0m′+2c_um）

式中 p_0m′——桩顶部和下端之间的平均有效过载压力；

c_um——沿桩轴的平均未排水剪切强度；

λ——无量纲系数，如图8-5所示，取决于桩的长度。

因此，通过此方法，总的轴阻力为R_S=f_SA_S，其中A_S是桩轴面积。

对于长的柔性桩，桩和土壤之间的失效可能发生在靠近海床的地方，甚至在桩端的土壤阻力被完全聚集之前。这是桩的柔性和沿桩纵向的桩—土壤相对位移差异造成的结果。这是一种长度效应，对于软应变土壤，桩的静态承载能力小于刚性桩。

对于轴向加载柔性桩的变形和应力分析，可以将桩模化成一个由许多连续的体积元素组成，元素之间在节点处由非线性弹簧支撑。非线性弹簧用t-z曲线表示，代表桩和土壤之间轴向的载荷—位移关系。应力t是桩表面单位面积轴向表面摩擦力的合成，z是合成表面摩擦力所必需的相对轴向桩—土壤位移。

2.砂

对于主要在黏性土壤（砂）中的桩，平均单位表面摩擦力可以按照下述方法计算：

式中 p′₀——有效过载压力；

δ——表8-1给出的桩墙的土壤摩擦角；

f₁——极限单位表面摩擦力，以表8-1作为指导。

图8-5 系数λ与桩长度(www.xing528.com)

3.端头阻力

非黏土中灌桩单位端头阻力的计算式为

q_p=N_qp′₀≤q₁

式中 N_q——取自表8-1；

q₁——极限端头阻力，见表8-1。

黏土中桩的单位端头阻力计算公式如下：

q_p=N_cc_u

式中 N_c——N_c=9；

c_u——桩端头处土壤未排水情况下的剪切强度。

表8-1 非黏性土中的驱入桩轴向阻力的设计参数

注：表中所列的参数仅供参考。有关的详细信息，如对高质量土壤样品的现场锥度渗透试验、强度试验，模型试验、桩驱动性能信息是可以得到的，如果取其他的值，必须进行验证。

①砂质粉土包括含有大量砂和粉土的土壤，其摩擦很大。强度值随着砂土摩擦力的增加而增加，随着粉土摩擦力的增加而降低。

4.t-z曲线

按照Kraft（1981）方法得到t-z曲线。通过这种方法，得到了起始点和达到最大表面阻力t_max点之间存在的非线性关系为

式中 R——桩的半径；

G₀——土壤的初始剪切模量；

Z_IF——无量纲影响区域，等于桩周围影响区域的半径除以R；

r_f——曲线拟合因子。

对于达到t_max之前的位移z，表面阻力t随着z的减小而线性减小，直到达到残余表面阻力t_res。对于这点以前的位移，表面阻力t是常数。图8-6给出了按照这种方法产生的t-z曲线的例子。可以根据上面给出的预测单位表面摩擦力的方法计算最大的表面阻力。

对于黏土，用于生成t-z曲线的土壤初始剪切模量可以取为

G₀=2600c_u

然而，Eide和Andersen（1984）建议对于较小值采用下式计算：

式中 c_u——黏土未排水剪切强度；

OCR——过固结比率。

图8-6 模型产生的t-z曲线示例

对于砂，用于生成t-z曲线的土壤初始剪切模量取为

式中 σ_a——σ_a=100kPa，大气压力；

σ_v——垂直有效应力；

ν——土壤的泊松比；

ϕ——土壤的摩擦角。