单桩竖向承载力确定方法|基础工程学

（一）确定单桩竖向极限承载力标准值的有关规定

根据建筑规模、功能特征、对差异变形的适应性、场地地基和建筑物体形的复杂性以及由于桩基问题可能造成建筑破坏或影响正常使用的程度，《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）将建筑桩基设计分为三个设计等级，如表4-1所示。

表4-1　建筑桩基设计等级

单桩竖向极限承载力标准值应按下列规定确定：

（1）设计等级为甲级的建筑桩基，应通过单桩静载试验确定。

（2）设计等级为乙级的建筑桩基，当地质条件简单时，可参照地质条件相同的试桩资料，结合静力触探等原位测试和经验参数综合确定；其余均应通过单桩静载试验确定。

（3）设计等级为丙级的建筑桩基，可根据原位测试和经验参数确定。

确定单桩竖向极限承载力标准值除采用单桩静载试验及静力触探等原位测试方法外，对于大直径端承型桩，也可通过深层平板（平板直径应与孔径一致）载荷试验确定极限端阻力。

对于嵌岩桩，可通过直径为0.3m岩基平板载荷试验确定极限端阻力标准值，也可通过直径为0.3m的嵌岩短墩载荷试验确定极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值。

桩的极限侧阻力标准值和端阻力标准值宜通过埋设桩身轴力测试元件由静载试验确定，并通过测试结果建立极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值与土层物理指标、岩石饱和单轴抗压强度以及与静力触探等土的原位测试指标的经验关系，以经验参数法确定单桩竖向极限承载力。

（二）单桩竖向极限承载力标准值的确定方法

确定单桩承载力的方法有计算法、静载荷试验法、原位测试法及经验参数法等。计算法是以刚塑体理论为基础，按计算模型假定出不同的土破坏滑动面形态，导出不同的极限桩端阻力理论表达式，用以计算桩端阻力；而以土的抗剪强度及侧压力系数得出桩侧阻力。各种理论表达式由于假定的滑动面形态不同，致使各理论表达式中的承载力系数相差很大，工程设计中一般均未采用此类方式确定单桩承载力。以原位测试所得出的相关指标确定单桩承载力，以及根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩承载力这两种方法，在各国的工程设计中均有采用，而对桩进行静载荷试验确定单桩竖向承载力则是最为可靠的方法。

1.静载荷试验法

在桩身结构强度足够时，桩的竖向承载力取决于土对桩的支承能力。土的强度及变形性质又直接影响受荷载时桩的沉降量，桩的竖向承载力应该是在保证桩不发生过大沉降（在允许范围内）时土对桩的最大支承力。对工程现场的实体桩进行静载荷试验，以试验结果测算单桩承载力，应该说是最为可靠的方法。由于试桩所处的地质条件，所采用的施工工艺，以及桩型、几何尺寸、入土深度、荷载性质等都可以与工程桩的实际工作条件尽可能地接近，将静载荷试验成果作为设计依据是最稳妥的方法。

（1）试验装置。试验装置的布置如图4-14所示。试验前，要注意试桩的成桩工艺及质量控制标准应与工程桩一致，并应对试验桩的桩顶预先进行加强，如在桩顶部位埋设2～3层加密钢筋网，或者在桩顶部设置钢板加劲箍与混凝土浇注成一体，并用高强度砂浆抹平桩顶。在试桩周围开挖出试坑，坑底标高应与桩承台设计底标高一致，并使桩头露出坑底面60cm以上。试桩顶放置油压千斤顶作为试验加载装置，千斤顶的反力装置可采用图中的锚桩横梁反力装置，也可在试桩顶设置压重平台作为反力装置，即在平台上均匀稳固地放置不少于试桩预估破坏荷载1.2倍的压重量作为反力。当采用锚桩横梁反力装置时，千斤顶所加的竖向荷载使试桩产生向下位移，而千斤顶的反力则由以次梁、主梁连成整体的各锚桩承担，此时锚桩产生向上位移，即相当于抗拔桩。为了使试验能顺利进行，锚桩及反力装置所能提供的反力应不小于预估最大试验荷载的1.2～1.5倍。工程中，为了减少试验费用，常常以工程桩作为锚桩。为了使作为锚桩的工程桩不至于产生过大的向上位移而影响继续使用，锚桩数量不得少于4根，并应对试验过程中锚桩的上拔量进行检测。

图4-14　竖向静载试验装置示意图

千斤顶对试桩所加荷载由千斤顶油压表读数换算得出，试桩的沉降由均匀设置于桩周的百分表量测。百分表由安置于试坑内的基准梁支承固定，基准梁固定在不受试桩及锚桩影响的基准桩（可用钢钎代替）上，为了避免试桩、锚桩（或压重平台支墩）和基准桩之间产生相互影响，其中心距离应符合表4-2的规定。

（2）试验方法及要求。为了使试验成果能反映出真实的单桩承载力值，灌注桩应在桩身强度达到设计强度后才能进行试验。对预制桩，必须使从桩入土到开始试验的间隔时间得到保证，当地基土为砂类土时，间歇时间不应少于7天；对粉土和一般黏性土中的桩，不应少于15天；对于淤泥或淤泥质土中的桩，不应少于25天。

表4-2　试桩、锚桩和基准桩之间的中心距离

注：d为试桩或锚桩的设计直径，取其较大者，如试桩或锚桩为扩底桩时，试桩与锚桩的中心距不应小于2倍扩大端直径。

试验时的加载方式可采用慢速维持荷载法，即逐级加载，当每级荷载达到相对稳定后，再加下一级荷载直至桩破坏，之后分级卸载至零。也可采用多循环加、卸载法，即每级荷载达到相对稳定后即卸载到零，再加下一级荷载，如此循环直至桩破坏。还可采用快速连续加载法，即采用每小时加一级荷载的方法。试验时应使加载方式尽可能地与桩的实际工作状态相接近，并以此原则选择加载方法。

分级荷载以最大加载量或预估极限荷载的1/10为宜。慢速维持荷载法每级荷载施加后按第5min、15min、30min、45min、60min测读桩顶沉降量，以后每隔30min测读一次。

当每一小时内桩顶沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后第30min开始，按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算），则可认为桩顶沉降速率达到相对稳定，再施加下一级荷载。

当出现下列情况之一时可终止加载：

1）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍（注：当桩顶沉降能相对稳定且总沉降量小于40mm时，宜加载至桩顶总沉降量超过40mm）；

2）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且24h尚未达到相对稳定标准；

3）已达到设计要求的最大加载量；

4）当工程桩作锚桩时，锚桩上拔量已达到允许值；

5）当荷载-沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60～80mm。在特殊情况下，可根据具体要求加载到桩顶累计沉降量超过80mm。

对支承在坚硬岩土上沉降量很小的桩，最大加载量应不小于设计荷载的两倍。

对符合可终止加载情况的桩按加载分级荷载的2倍分级等量卸载，每级荷载维持1h，按第15min、30min、60min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载。卸载至零后，应测读桩顶残余沉降量，测读时间为第15min、30min，之后每隔30min测读一次，维持时间为3h。

（3）按试验成果确定单桩承载力。将试验成果整理绘制成Q-s曲线，如前所述，当Q-s曲线为突变陡降型时，如图4-15所示，则只要找出由曲线段变为直线段的起点所对应的荷载，即可确定为桩的极限承载力。当绘制的Q-s曲线呈渐变缓降型，就应绘制其他类型的相关曲线以进行辅助分析，才能确定出相应的极限荷载。

1）按沉降随荷载的变化特征确定极限承载力。所绘Q-s曲线为陡降型时，则曲线中的陡降起始点位置明显，如图4-15中第二拐点，该点以后在各级荷载下桩位移大增，使曲线变为直线形，故该点所对应的荷载即可作为桩的极限荷载。

当Q-s曲线呈缓降型不易判定突变点时，如对摩擦型灌注桩，可绘制出s-lgQ曲线，如图4-16所示，该曲线出现陡降直线段的起始点所对应的荷载值，即可作为极限承载力。

图4-15　Q-s曲线图

图4-16　s-lgQ曲线图

2）按沉降随时间的变化特征确定极限承载力。当以Q-s曲线不易判定突变点时，还可绘制s-lgt曲线。该曲线有多条，每级荷载下均有一条s-lgt曲线，如图4-17所示。在达到极限荷载之前的每级荷载下，各级曲线保持为直线型，说明各级荷载下桩的沉降速率在某种程度上可由直线的斜率反映出来，当桩达到破坏时，曲线急剧变陡，且向下出现转折，说明沉降速率大增，即桩端土已被破坏，支承力已失效。因此，当比前一级荷载曲线的斜率显著增大时，而且曲线向下转折变为双折线甚至三折线，曲线尾部斜率呈增大趋势，即可将该条曲线所对应的荷载作为极限承载力，如图4-17中，极限承载力可确定为1300kN。

采用s-lgt曲线进行判定时，应与该试桩的Q-s曲线对照并综合分析，才能使判定结果更合理。

3）按桩的沉降量确定极限承载力。对于缓变型Q-s曲线，宜取沉降量s=40mm对应的荷载；对于大直径桩（d≥800mm），可取s=（0.03～0.06）d（大桩径取低值，小桩径取高值）所对应的荷载值。当桩长大于40m时，宜考虑桩身的弹性压缩对沉降值的影响。

以现场静载荷试验确定单桩竖向承载力时，同一条件下的试桩数不宜少于总桩数的1%，且不少于3根，工程桩不超过50根时，试桩数不少于2根。对于较大工程则往往有多组试桩，为了使设计参数更具科学性，需要对多组试桩结果进行统计分析。当参加统计的试桩结果满足其极差不超过平均值的30%时，取其平均值为单桩竖向抗压极限承载力。

当极差超过平均值的30%时，应分析极差过大的原因，结合工程具体情况综合确定，必要时可增加试桩数量。

对桩数为3根或3根以下的柱下承台，或工程桩抽检量少于3根时，应取低值（对工程桩抽样监测时，加载量不应小于设计要求的单桩承载力特征值的2倍）。

2.原位测试法

利用现场勘察所提供的原位测试资料来估算桩的承载力，是工程中较常用的方法。

静力触探是采用静力匀速地将标准规格的圆锥形金属探头压入土中，同时借助探头的传感器，量测探头阻力，测定土的力学特征，其具有勘探和测试双重功能。静力触探的探头在土中贯入的机理与桩打入土中的成桩过程基本相似，可以看成是小尺寸打入桩的现场模拟试验。由于该测试方法具有设备简单、自动化程度高等优点，被认为是一种很有前途的原位测试方法。

静力触探可根据工程需要采用单桥探头或双桥探头。单桥探头所测定的主要参数为比贯入阻力ps，双桥探头测定的主要参数为锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs。

（1）《铁路桥涵设计规范》公式（双桥）。该公式是采用综合修正系数法确定单桩极限承载力Qu，表达式为：

图4-17　s-lgt曲线

式中：U——桩身周长（m）；

li——第i层土中桩的长度（m）；

Ap——桩端截面积（m2）；

βi、β——均为综合修正系数，按下述判别标准选用计算公式：

（2）《建筑桩基技术规范》公式。

1）按单桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值Quk时，如无当地经验，可按下式计算：

式中：Qsk、Qpk-分别为总极限侧阻力标准值、总极限端阻力标准值（kN）；

qsik——按静力触探比贯入阻力ps值估算的桩周第i层土的极限侧阻力标准值（kPa）；

li——桩穿越第i层土的厚度（m）；

u——桩身周长（m）；

α——桩端阻力修正系数，按表4-3取值；

psk——桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值（平均值）（kPa）；

其他符号意义同前。

表4-3　桩端阻力修正系数α值

注：桩长15m≤l≤30m时，α值按l值直线内插；l为桩长（不包括桩尖高度）。

当桩端穿越粉土、粉砂、细砂及中砂层底面而进入黏土层时，按折线D估算的qsik值尚应乘以表4-4中系数ηs值。

图4-18　qsk-psk曲线

表4-4　系数ηs值(www.xing528.com)

注：①psk为桩端穿越的中密～密实砂土、粉土的比贯入阻力平均值；psl为砂土、粉土的下卧软土层的比贯入阻力平均值；
②采用单桥探头，圆锥底面积为15cm2，底部带7cm高的滑套，锥角60°。

psk可按下式计算：

式中：psk1——桩端全截面以上8倍桩径范围内的比贯入阻力平均值（kPa）；

psk2——桩端全截面以下4倍桩径范围内的比贯入阻力平均值（kPa），若桩端持力层为密实的砂土层，其比贯入阻力平均值psk＞20MPa时，则需乘以表4-5中折减系数C，再计算psk值；

β——折减系数，按psk2/psk1值从表4-6中取值。

表4-5　系数C（可内插取值）

表4-6　折减系数β（可内插取值）

2）按双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值Quk时，对黏性土、粉土和砂类土，如无当地经验，可按下式计算：

式中：fsi——第i层土的探头平均侧阻力（kPa）；

qc——桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4d（d为桩直径或边长）范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值，然后再与桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均（kPa）；

α——桩端阻力修正系数，对黏性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2；

βi——第i层土桩侧阻力综合修正系数，粉土、黏性土：βi=10.04（fsi）-0.55，砂土：βi=5.05（fsi）-0.45。

注：双桥探头的圆锥底面积为15cm2，锥角为60°，摩擦套筒高为21.85cm，侧面积为300cm2。

3.经验参数法

由于桩侧摩阻力及桩端阻力与土层的物理状态指标具有相关关系，有关部门通过对大量工程实践及试桩资料统计分析，得出了土的物理指标与各类桩型的摩阻力及端阻力的对应关系经验值，即经验参数，并按各种桩型分别采用相应的经验公式以确定单桩竖向极限承载力标准值。

（1）常规桩的单桩极限竖向承载力标准值Quk。以土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩的Quk值时，宜按下式估算：

式中：qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值（kPa），如无当地经验时可按表4-7取值；

qpk——桩的极限端阻力标准值（kPa），无当地经验时可按表4-8取值。

目前，各地区按静载荷试验结果并结合土层物理指标，经统计分析求得的桩侧及桩端阻力经验值，已列入各地区的相关技术规范中，这既给当地的设计工作带来方便，又减少了全国采用同一表格带来的误差。

（2）大直径桩（d≥800mm）的单桩竖向极限承载力标准值Quk。根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，确定大直径桩单桩极限承载力标准值时，可按下式计算：

式中：qsik——桩侧第i层土极限侧阻力标准值（kPa），如无当地经验值时，可按表4-7取值，对于扩底桩变截面以上2d长度范围不计侧阻力；

qpk——桩径为800mm的极限端阻力标准值（kPa），对于干作业挖孔（清底干净）可采用深层载荷板试验确定，当不能进行深层载荷板试验时，可按表4-9取值；

ψsi、ψp——大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数，按表4-10取值；

u——桩身周长（m），当人工挖孔桩桩周护壁为振捣密实的混凝土时，桩身周长可按护壁外直径计算。

表4-7　桩的极限侧阻力标准值qsik　（单位：kPa）

注：①对于尚未完成自重固结的填土和以生活垃圾为主的杂填土，不计算其侧阻力；
②aw为含水比，aw=w/wL，w为土的天然含水量，wL为土的液限；
③N为标准贯入击数；N63.5为重型圆锥动力触探击数；
④全风化、强风化软质岩和全风化、强风化硬质岩系指其母岩分别为frk≤15MPa、frk＞30MPa的岩石。

表4-8　桩的极限端阻力标准值qpk　（单位：kPa）

注：①砂土和碎石类土中桩的极限端阻力取值，宜综合考虑土的密实度、桩端进入持力层的深径比hb/d，土愈密实，hb/d 愈大，取值愈大；
②预制桩的岩石极限端阻力指桩端支承于中、微风化基岩表面或进入强风化岩、软质岩一定深度条件下的极限端阻力；
③全风化、强风化软质岩和全风化、强风化硬质岩指其母岩分别为frk≤15MPa、frk＞30MPa的岩石。

表4-9　干作业挖孔桩（清底干净，D=800mm）极限端阻力标准值qpk（单位：kPa）

注：①当进入持力层深度hb为：hb≤D，D＜hb≤4D，hb＞4D时，qpk可相应取低、中、高值，D为桩端直径；
②砂土密实度可按标贯击数N判定，N≤10为松散；10＜N≤15为稍密；15＜N≤30为中密；N＞30为密实；
③当桩的长径比l/d≤8时，qpk宜取较低值；
④当对沉降要求不严时，qpk可取高值。

表4-10　大直径灌注桩侧阻力尺寸效应系数ψsi、端阻力尺寸效应系数ψp

注：表中D为桩端直径，当为等直径桩时，表中D=d。

（3）嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值Quk。桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力，由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成。当根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算：

式中：Qsk、Qrk-分别为土的总极限侧阻力标准值、嵌岩段总极限阻力标准值（kN）；

Qsik-桩周第i层土的极限侧阻力（kN），无当地经验时，可按表4-7取值；

frk-岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa），黏土岩取天然湿度单轴抗压强度标准值；

ζr-桩嵌岩段侧阻力和端阻力综合系数，与嵌岩深径比hr/d、岩石软硬程度和成桩工艺有关，可按表4-11采用；表中数值适用于泥浆护壁成桩，对于干作业成桩（清底干净）和泥浆护壁成桩后注浆，ζr应取表列数值的1.2倍。

上式中嵌岩段总极限阻力由总极限侧阻力和总极限端阻力组成：

即Qrk=Qrs+Qrp

式中：Qrs、Qrp-桩嵌岩段总极限侧阻力、总极限端阻力（kN）；

ζs、ζp-嵌岩段侧阻力系数、端阻力系数（详见《建筑桩基技术规范》）；

hr、d-嵌岩深度（m）、桩径（m）。

令桩嵌岩段侧阻力和端阻力综合系数ζr=ζs4hr/d+ζp，即可将式（4-15c）作为嵌岩段总极限阻力标准值的表达式。

表4-11　桩嵌岩段侧阻力和端阻力综合系数ζr

注：①极软岩、软岩指frk≤15MPa，较硬岩、坚硬岩指frk＞30MPa，介于二者之间可内插取值；
②hr为桩身嵌岩深度，当岩面倾斜时，以坡下方嵌岩深度为准；当hr/d为非表列值时，ζr可内插取值。

注意：并非所有的嵌岩桩均属端承型桩，只有短粗的嵌岩桩（端阻力先于侧阻力发挥）或受流水冲刷的桥梁嵌岩桩基（侧阻力所占比例不大），才可按端承型桩考虑，在保证桩基稳定性的前提下，嵌岩深度不必过大。

经试验表明，桩端嵌入坚硬基岩一定深度后，传递至桩端的应力将随着嵌岩深度的继续增大而减小，如持力层为坚硬或较坚硬基岩，嵌岩深度与桩径之比hr/d＞5时，传递至桩端的应力接近于零；而持力层为泥质软岩，hr/d=5～7时，桩端阻力则可达总荷载的5%～16%。

（4）混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值Quk。当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定敞口预应力混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算：

式中：qsik、qpk——分别按表4-7、表4-8取与混凝土预制桩相同值；

hb——桩端进入持力层深度（m）；

d、d1、b——混凝土空心桩外径（m）、内径（m）、边长（m）；

λp——桩端土塞效应系数。

（5）考虑液化效应确定单桩极限承载力标准值。饱和砂土、粉土等易液化土层受地震荷载后，其粒间有效应力丧失，使桩侧摩阻力降低甚至完全失效，土层液化产生喷水冒砂、地基承载力失效、地基土侧向扩展与流滑、上浮或水平位移等，其侧向扩展与流滑还对桩产生水平力，可见液化效应对单桩承载力的影响必须考虑。

由振动台试验和工程地震液化实际观测表明，土层的地震液化严重程度与土层的标贯击数N及液化临界标贯击数Ncr有关，当两者之比λN（λN=N/Ncr）愈小，则土层液化愈严重；另外，土层的液化并非随地震同步而是滞后出现，即地震过后若干小时乃至一两天后地基土才出现喷水冒砂现象，这说明桩的极限侧阻力并非瞬时丧失且并非全部损失，而地基土上部有无一定厚度的非液化覆盖层对液化程度也有很大影响。因此，《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）规定：对于桩身周围有液化土层的低承台桩基，当承台底面上、下分别有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土或非软弱土层时，可将液化土层的极限侧阻力乘以土层液化影响折减系数计算单桩极限承载力标准值。土层液化影响折减系数ψl可按表4-12确定。

表4-12　土层液化影响折减系数ψl

注：①N为饱和土标贯击数实测值；Ncr为液化判别标贯击数临界值；
②对于挤土桩当桩距不大于4d，且桩的排数不少于5排、总桩数不少于25根时，土层液化影响折减系数可按列表值提高一档取值；桩间土标贯击数达到Ncr时，取ψl=1。

当承台底面上、下非液化土层厚度小于以上规定时，土层液化影响折减系数ψl取0。