桩在竖向荷载Q作用下的侧阻与端阻的发挥程度与多种因素有关,并且侧阻与端阻也是相互影响的。
一般来说,侧阻和端阻的发挥程度与桩土之间的相对位移情况有关,并且桩侧阻力的发挥先于桩端阻力。有些试验资料表明侧阻充分发挥所需要的桩土相对位移趋于定值,认为一般黏性土在桩土相对位移约为4~6 mm,砂土约为6~10 mm时,桩侧阻充分发挥。也有的学者根据现场试验研究取得的成果,认为土层的埋藏深度对侧阻的发挥有显著的影响,埋藏深度不同,充分发挥侧阻所需要的相对位移不同。另外,侧阻的发挥与桩径、土性及成桩方法等多种因素有关,其性状还需要进一步研究。
桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力,而且其充分发挥所需的桩端位移值比桩侧摩阻力到达极限所需的桩身截面位移值大得多。桩端阻力的发挥程度与桩端土的性质、桩的类型和施工方法等因素有关,其研究成果同侧阻研究成果比起来要少得多。根据小直径桩的试验结果,砂类土的桩底极限位移约为(0.08~0.1)d,一般黏性土为0.25d,硬黏土为0.1d。同时,也有研究结果表明,发挥桩端阻所需要的位移因桩的类型不同而有较大差别。
澳大利亚学者H.G.Poulos等运用弹性理论来分析桩基,结果表明竖向受压时桩的荷载传递有以下规律和影响因素:
(1)轴向压力下桩的荷载传递与其长径比l/d及桩端土与桩侧土的相对刚度R bs 有关。R bs 定义为桩端土与桩侧土的压缩模量或变形模量之比E b /E s .其值越大,说明桩端土抵抗变形的能力越强于桩侧土,反之则越弱。当R bs =0时,荷载全部由桩侧阻力承担,属于摩擦桩。在l/d一定且为中长桩(l/d≈25)的情况下,传递到桩端的荷载即桩端阻力Q p 随R bs 的增大而上升,但当R bs 大到一定程度后,Q p 几乎不再随R bs 变化。
(2)桩端阻力Q p 和桩与桩侧土的相对刚度R ps 有关。R ps 定义为桩与桩侧土的压缩模量或变形模量之比E p /E s .当R ps 增大,桩端阻力Q p 也增大;反之,桩端阻力分担的荷载比例降低。对于R ps ≤10的中长桩,其桩端阻力接近于零。这说明对于碎石桩、灰土桩等低刚度桩组成的基础,应按复合地基原理设计。
(3)对扩底桩,增大扩底直径与桩身直径之比D/d,桩端分担的荷载可以提高。在均质土中,当l/d≈25时,桩端土分担的百分比(即Q p /Q)对等直径桩仅约5%,对D/d=3的扩底桩可增至35%左右。
(4)Q p 随长径比l/d增大而减小,桩身下部侧阻的发挥也相应降低。当桩长较大时,桩端土的性质对荷载传递的影响较小,荷载主要由桩侧的摩阻力分担。当桩很长时,则不论桩端土刚度多大,端阻均可忽略不计,荷载全部由桩侧阻力分担。因此,很长的桩实际上总是摩擦桩,此种情况下,用扩大桩端直径来提高承载力是徒劳的。
许多学者通过室内模型试验和现场原型试验发现,桩的侧阻和端阻都存在深度效应。当桩端入土深度l≤h cp 时,桩的极限端阻力随深度而增加,但当l>h cp 后,极限端阻力基本保持不变,所以h cp 称为端阻临界深度。桩侧摩阻力一般随桩的入土深度增加而线性增大,但当桩的入土深度超过一定值后,侧阻力不再随深度增加而增大,故该深度h cs 称为侧阻临界深度。根据砂土中模型试验和现场试验结果,得到侧阻临界深度与端阻临界深度的关系为h cs =(0.3~1.0)h cp .关于侧阻和端阻的深度效应尚有不少问题有待进一步研究。
上述理论分析结果表明,为了有效地发挥桩的承载性能和取得良好的经济效益,设计时应根据土层的分布性质并注意桩的荷载传递特性,合理确定桩长、桩径和桩端持力层。