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【摘 要】基桩静载试验是目前进行承载力和变形特性评价的最可靠的方法。本文主要基于桩基静载试验的应用对桩基的荷载作用机理做进一步分析。
【关键词】桩基；静载试验；荷载作用
静载试验主要是在桩顶部逐级施加竖向压力、竖向上拔力或水平推力，观测桩顶部随时间产生的沉降、上拔位移或水平位移，以确定相应的单桩竖向抗压承载力、单桩竖向抗拔承载力或单桩水平承载力的试验方法。基桩静载试验是目前进行承载力和变形特性评价的最可靠的方法，也是其它方法（如基桩高应变法）与之进行比对的标准。本文主要基于桩基静载试验的应用对桩基的荷载作用机理做进一步分析。
一、单桩竖向受压荷载作用机理分析
单桩竖向抗压极限承载力主要由桩本身的材料强度和地基土强度二个因素决定。在初始受荷阶段，桩顶位移小，荷载由桩上侧表面的土阻力承担，以剪应力形式传递给桩周土体，桩身应力和应变随深度递减；随着荷载的增大，桩顶位移加大，桩侧摩阻力由上至下逐步被发挥出来。在达到极限值后，继续增加的荷载则全部由桩端土阻力承担。随着桩端持力层的压缩和塑性挤出，桩顶位移增长速度加大，在桩端阻力达到极限值后，位移迅速增大而破坏，此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。
侧阻主要受桩周岩土层性状、成桩效应、桩材和桩的几何外形、桩入土深度、时间效应等因素影响。饱和土中的成桩效应大于非饱和土的，群桩的大于单桩的。作用在桩身的水平有效应力成比例增大[1]。按照土力学理论，桩的侧摩阻力也应逐渐增大；但实验表明，在均质土中，当桩的入土超过一定深度后，桩侧摩阻力不再随深度的增加而变大，而是趋于定值，该深度被称为侧摩阻力的临界深度。对于在饱和粘性土中施工的挤土桩，在施工过程中对土的扰动会产生超孔隙水压力，它会使桩侧向有效应力降低，导致在桩形成的初期侧摩阻力偏小；随时间的增长，超孔隙水压力逐渐沿径向消散，扰动区土的强度慢慢得到恢复，桩侧摩阻力得到提高。
桩端阻力的发挥也需要一定的位移量。持力层的选择对提高承载力、减少沉降量至关重要。桩端进入持力层的深度，一般认为，桩端进入持力层越深，端阻力越大；但大量实验表明，超过一定深度后，端阻力基本恒定。关于端阻的尺寸效应问题，一般认为随桩尺寸的增大，桩端阻力的极限值变小。
实际上，侧阻和端阻的发挥和分布是相互作用、相互制约。
二、单桩竖向受拉拔荷载作用机理分析 抗拔计算的理论计算公式是先假定不同的桩基破坏模式，然后以土的抗剪强度及侧压力系数等参数来进行承载力计算。经验公式则以试桩实测资料为基础，建立起桩的抗拔侧阻力与抗压侧阻力之间的关系和抗拔破坏模式。
在上拔荷载作用下，初始阶段，上拔阻力主要由浅部土层提供，桩身的拉应力主要分布在桩的上部，随着桩身上拔位移量的增加，桩身应力逐渐向下扩展，桩的中、下部的上拔土阻力逐渐发挥[2]。当桩端位移量超过某一数值（通常为6～10mm）时，就可以认为整个桩身的土层抗拔阻力达到极限，其后抗拔阻力就会下降。此时，如果继续增加上拔荷载，就会产生破坏。
桩的抗拔承载力由桩侧阻力、桩身重力组成，桩端真空吸引力一般不予考虑。桩周阻力的大小，受桩土界面的几何特征、土层的物理力学特性等较多因素的影响；但粘性土中的抗拔桩在长期荷载作用下，随上拔量的增大，会出现应变软化的现象，即抗拔荷载达到峰值后会下降，而最终趋于定值。为提高抗拔桩的竖向抗拔力，可以考虑改变桩身截面形式。桩身材料强度也是影响桩抗拔承载力的因素之一。
影响单桩竖向抗拔承载力的主要因素包括桩周围土体性质、土的抗剪强度、侧压力系数和土的应力历史；桩自身因素包括桩侧表面的粗糙程度、桩截面形状、桩长、桩的刚度和桩材的泊松比；施工因素，如施工过程中桩周土体的扰动、打入桩中的残余应力、桩身完整性、桩的倾斜角度等；休止时间，从成桩到开始试验之间的休止时间长短对单桩竖向抗拔承载力影响是明显的；另外，桩顶的加载方式、荷载维持时间、加载卸载过程等对单桩竖向抗拔承载力也有影响。
三、单桩受水平荷载作用机理分析 1、单桩水平静载试验确定
单桩水平临界荷载和极限荷载，推定土抗力参数，或对工程桩的水平承载力进行检验和评价。当桩身埋设有应变测量传感器时，可测量相应水平荷載作用下的桩身应力，并由此计算得出桩身弯矩分布情况，可为检验桩身强度、推求不同深度弹性地基系数提供依据。
2、受荷传递
在桩受荷初期，由靠近地面的土提供土抗力，土的变形处在弹性阶段；随着荷载增大，桩变形量增加，表层土出现塑性屈服，土抗力逐渐由深部土层提供；随着变形量的进一步加大，土体塑性区自上而下逐渐开展扩大，最大弯矩断面下移，当桩本身的截面抗力无法承担外部荷载产生的弯矩或桩侧土强度遭到破坏，使土失去稳定时，桩土体系便处于破坏状态。
3、破坏机理
桩土相对刚度的不同，桩土体系的破坏机理及工作状态也不同。对于钢筋混凝土弹性长桩，因其抗拉强度低于轴心抗压强度，所以在水平荷载作用下，桩身的挠曲变形将导致桩身截面受拉侧开裂，然后渐趋破坏；当设计采用这种桩作为水平承载桩时，除考虑上部结构对位移限值的要求外，还应根据结构构件的裂缝控制等级，考虑桩身截面开裂的问题；但对抗弯性能好的钢筋混凝土预制桩和钢桩，因其可忍受较大的挠曲变形而不至于截面受拉开裂，设计时主要考虑上部结构水平位移允许值的问题。
4、影响桩水平承载力的因素
影响桩水平承载力的因素主要包括截面刚度、材料强度、桩侧土质条件、桩的入土深度、桩顶约束条件。
工程中通过静载试验直接获得水平承载力的方法因试验桩与工程桩边界条件的差别，结果很难完全反应工程桩实际工作情况；此时可通过静载试验测得桩周土的地基反力特性，即地基土水平抗力系数，为设计部门确定土抗力大小进而计算单桩水平承载力提供依据。
四、地基受竖向荷载的变形分析
地基受竖向荷载作用变形主要分为三个阶段。
（1）直线变形阶段：地基土的变形是由于土的孔隙体积的减小即压密所引起。
（2）局部剪切阶段：压板下地基土在发生压密的同时，压板两侧基础边缘处的应力首先达到极限平衡，土体产生剪切而发生塑性变形区，并随荷载的增加，塑形变形区范围逐渐扩大，下沉量显著增大。
（3）完全破坏阶段：压板连续急剧下沉，即地基土中的塑性变形区不断扩大。
在软弱地基土中，基础的竖向位移产生沿基础周边的竖向剪切，使基础不断向下刺入。在压缩性较小的密实砂土或粘性土地基中，由于塑性区的不断扩大而形成连续滑动面，土从载荷压板下挤出来，形成隆起的土堆，此时地基完全破坏，即基础压板丧失稳定。地基变形的三个阶段是难以明确划分的，只有对砂土和密实的粘性土地基比较典型。了使地基载荷试验的结果能较好地描绘出地基土的变形特征，试验前应施加预压荷载，预压荷载应等于卸去压板以上土的自重，其相应的沉降量不计。加荷等级可分为8-12级，以后每级荷载增量，对较坚硬的土不超过25-50kPa，对于松软的土，不超过10-25kPa。地基载荷试验施加的总荷载不应少于设计荷载值的2倍，或应尽量接近土的极限荷载。
参考文献：
[1]秋仁东.竖向荷载下桩身压缩和桩基沉降变形研究[J].岩石力学与工程学报，2011， 30（11）：2375-2375.
[2]赵明华，尹平保，杨明辉等.高陡斜坡上桥梁桩基受力特性及影响因素分析[J].中南大学学报（自然科学版），2012，43（7）：2733- 2739.
【关键词】桩基；静载试验；荷载作用
静载试验主要是在桩顶部逐级施加竖向压力、竖向上拔力或水平推力，观测桩顶部随时间产生的沉降、上拔位移或水平位移，以确定相应的单桩竖向抗压承载力、单桩竖向抗拔承载力或单桩水平承载力的试验方法。基桩静载试验是目前进行承载力和变形特性评价的最可靠的方法，也是其它方法（如基桩高应变法）与之进行比对的标准。本文主要基于桩基静载试验的应用对桩基的荷载作用机理做进一步分析。
一、单桩竖向受压荷载作用机理分析
单桩竖向抗压极限承载力主要由桩本身的材料强度和地基土强度二个因素决定。在初始受荷阶段，桩顶位移小，荷载由桩上侧表面的土阻力承担，以剪应力形式传递给桩周土体，桩身应力和应变随深度递减；随着荷载的增大，桩顶位移加大，桩侧摩阻力由上至下逐步被发挥出来。在达到极限值后，继续增加的荷载则全部由桩端土阻力承担。随着桩端持力层的压缩和塑性挤出，桩顶位移增长速度加大，在桩端阻力达到极限值后，位移迅速增大而破坏，此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。
侧阻主要受桩周岩土层性状、成桩效应、桩材和桩的几何外形、桩入土深度、时间效应等因素影响。饱和土中的成桩效应大于非饱和土的，群桩的大于单桩的。作用在桩身的水平有效应力成比例增大[1]。按照土力学理论，桩的侧摩阻力也应逐渐增大；但实验表明，在均质土中，当桩的入土超过一定深度后，桩侧摩阻力不再随深度的增加而变大，而是趋于定值，该深度被称为侧摩阻力的临界深度。对于在饱和粘性土中施工的挤土桩，在施工过程中对土的扰动会产生超孔隙水压力，它会使桩侧向有效应力降低，导致在桩形成的初期侧摩阻力偏小；随时间的增长，超孔隙水压力逐渐沿径向消散，扰动区土的强度慢慢得到恢复，桩侧摩阻力得到提高。
桩端阻力的发挥也需要一定的位移量。持力层的选择对提高承载力、减少沉降量至关重要。桩端进入持力层的深度，一般认为，桩端进入持力层越深，端阻力越大；但大量实验表明，超过一定深度后，端阻力基本恒定。关于端阻的尺寸效应问题，一般认为随桩尺寸的增大，桩端阻力的极限值变小。
实际上，侧阻和端阻的发挥和分布是相互作用、相互制约。
二、单桩竖向受拉拔荷载作用机理分析 抗拔计算的理论计算公式是先假定不同的桩基破坏模式，然后以土的抗剪强度及侧压力系数等参数来进行承载力计算。经验公式则以试桩实测资料为基础，建立起桩的抗拔侧阻力与抗压侧阻力之间的关系和抗拔破坏模式。
在上拔荷载作用下，初始阶段，上拔阻力主要由浅部土层提供，桩身的拉应力主要分布在桩的上部，随着桩身上拔位移量的增加，桩身应力逐渐向下扩展，桩的中、下部的上拔土阻力逐渐发挥[2]。当桩端位移量超过某一数值（通常为6～10mm）时，就可以认为整个桩身的土层抗拔阻力达到极限，其后抗拔阻力就会下降。此时，如果继续增加上拔荷载，就会产生破坏。
桩的抗拔承载力由桩侧阻力、桩身重力组成，桩端真空吸引力一般不予考虑。桩周阻力的大小，受桩土界面的几何特征、土层的物理力学特性等较多因素的影响；但粘性土中的抗拔桩在长期荷载作用下，随上拔量的增大，会出现应变软化的现象，即抗拔荷载达到峰值后会下降，而最终趋于定值。为提高抗拔桩的竖向抗拔力，可以考虑改变桩身截面形式。桩身材料强度也是影响桩抗拔承载力的因素之一。
影响单桩竖向抗拔承载力的主要因素包括桩周围土体性质、土的抗剪强度、侧压力系数和土的应力历史；桩自身因素包括桩侧表面的粗糙程度、桩截面形状、桩长、桩的刚度和桩材的泊松比；施工因素，如施工过程中桩周土体的扰动、打入桩中的残余应力、桩身完整性、桩的倾斜角度等；休止时间，从成桩到开始试验之间的休止时间长短对单桩竖向抗拔承载力影响是明显的；另外，桩顶的加载方式、荷载维持时间、加载卸载过程等对单桩竖向抗拔承载力也有影响。
三、单桩受水平荷载作用机理分析 1、单桩水平静载试验确定
单桩水平临界荷载和极限荷载，推定土抗力参数，或对工程桩的水平承载力进行检验和评价。当桩身埋设有应变测量传感器时，可测量相应水平荷載作用下的桩身应力，并由此计算得出桩身弯矩分布情况，可为检验桩身强度、推求不同深度弹性地基系数提供依据。
2、受荷传递
在桩受荷初期，由靠近地面的土提供土抗力，土的变形处在弹性阶段；随着荷载增大，桩变形量增加，表层土出现塑性屈服，土抗力逐渐由深部土层提供；随着变形量的进一步加大，土体塑性区自上而下逐渐开展扩大，最大弯矩断面下移，当桩本身的截面抗力无法承担外部荷载产生的弯矩或桩侧土强度遭到破坏，使土失去稳定时，桩土体系便处于破坏状态。
3、破坏机理
桩土相对刚度的不同，桩土体系的破坏机理及工作状态也不同。对于钢筋混凝土弹性长桩，因其抗拉强度低于轴心抗压强度，所以在水平荷载作用下，桩身的挠曲变形将导致桩身截面受拉侧开裂，然后渐趋破坏；当设计采用这种桩作为水平承载桩时，除考虑上部结构对位移限值的要求外，还应根据结构构件的裂缝控制等级，考虑桩身截面开裂的问题；但对抗弯性能好的钢筋混凝土预制桩和钢桩，因其可忍受较大的挠曲变形而不至于截面受拉开裂，设计时主要考虑上部结构水平位移允许值的问题。
4、影响桩水平承载力的因素
影响桩水平承载力的因素主要包括截面刚度、材料强度、桩侧土质条件、桩的入土深度、桩顶约束条件。
工程中通过静载试验直接获得水平承载力的方法因试验桩与工程桩边界条件的差别，结果很难完全反应工程桩实际工作情况；此时可通过静载试验测得桩周土的地基反力特性，即地基土水平抗力系数，为设计部门确定土抗力大小进而计算单桩水平承载力提供依据。
四、地基受竖向荷载的变形分析
地基受竖向荷载作用变形主要分为三个阶段。
（1）直线变形阶段：地基土的变形是由于土的孔隙体积的减小即压密所引起。
（2）局部剪切阶段：压板下地基土在发生压密的同时，压板两侧基础边缘处的应力首先达到极限平衡，土体产生剪切而发生塑性变形区，并随荷载的增加，塑形变形区范围逐渐扩大，下沉量显著增大。
（3）完全破坏阶段：压板连续急剧下沉，即地基土中的塑性变形区不断扩大。
在软弱地基土中，基础的竖向位移产生沿基础周边的竖向剪切，使基础不断向下刺入。在压缩性较小的密实砂土或粘性土地基中，由于塑性区的不断扩大而形成连续滑动面，土从载荷压板下挤出来，形成隆起的土堆，此时地基完全破坏，即基础压板丧失稳定。地基变形的三个阶段是难以明确划分的，只有对砂土和密实的粘性土地基比较典型。了使地基载荷试验的结果能较好地描绘出地基土的变形特征，试验前应施加预压荷载，预压荷载应等于卸去压板以上土的自重，其相应的沉降量不计。加荷等级可分为8-12级，以后每级荷载增量，对较坚硬的土不超过25-50kPa，对于松软的土，不超过10-25kPa。地基载荷试验施加的总荷载不应少于设计荷载值的2倍，或应尽量接近土的极限荷载。
参考文献：
[1]秋仁东.竖向荷载下桩身压缩和桩基沉降变形研究[J].岩石力学与工程学报，2011， 30（11）：2375-2375.
[2]赵明华，尹平保，杨明辉等.高陡斜坡上桥梁桩基受力特性及影响因素分析[J].中南大学学报（自然科学版），2012，43（7）：2733- 2739.