第三节 桩侧阻力
一、桩侧极限摩阻力
桩基在竖向荷载作用下，桩身混凝土产生压缩，桩侧土抵抗桩身向下位移而在桩上界面产生向上的摩擦阻力称为桩侧摩阻力，亦称为正摩阻力。
桩侧极限摩阻力是指桩土界面全部桩侧土体发挥到极限所对应的摩阻力，实质上是全部桩侧土所能稳定承受的最大摩阻力（峰值阻力）。由于桩侧土摩阻力是自上而下逐渐发挥的，因此桩侧极限摩阻力很大程度上取决于中下部土层的摩阻力发挥。桩侧极限摩阻力的发挥与桩长、桩径、桩侧土的性状、桩端土的性状、桩上界面性状、桩身模量等有关。由于不同的桩长、不同桩身模量的桩达到桩侧极限荷载时对应的桩顶沉降不一样，所以桩侧极限摩阻力与桩顶相对位移并没有定值关系。
实质上桩侧极限摩阻力的值与桩端相对位移有关系。因此可以定义桩侧极限摩阻力为桩端刚产生明显位移（1～3mm，视不同的桩端土而定）时所对应的桩顶试验荷载值，亦即dsd/dQ明显增大时所对应的桩顶试验荷载。
这样定义具有以下优点：
（1）可以消除不同桩长和桩身压缩量大小不一对桩顶位移的影响。
（2）可以消除不同桩身混凝土强度对极限侧阻力的影响。
（3）可以消除不同施工工艺（沉渣、泥皮）对侧阻力确定值的影响。
（4）反映了不同桩顶荷载水平下侧阻、端阻的发挥特性和承载机理。
（5）使得本来就是统一整体的桩侧土阻力与嵌岩段侧阻重新统一起来，也方便设计和监理把关。
下面举例说明采用实测桩端位移来确定任一级荷载作用下的桩侧摩阻力和桩端阻力的方法。
某大直径钻孔灌注桩的桩顶荷载-桩顶沉降、桩顶荷载-桩端沉降和桩顶荷载-桩身压缩曲线如图2-3-1所示。
图2-3-1 荷载-桩顶沉降、桩端沉降、桩身压缩曲线
桩在荷载作用下，桩顶沉降St为桩身压缩Ss和桩端沉降Sb之和。因此在某级荷载作用下，桩身压缩Ss即为桩顶沉降St与桩端沉降Sb之差，可以通过荷载—桩身压缩曲线反映出来。从图中可以看出，此曲线前部随着荷载的增加呈现向下弯曲的形状，表明桩身压缩与荷载之间并不是线性关系。从桩身压缩回弹曲线可知，桩身在大荷载下出现了塑性变形。
由图2-3-1，单桩的桩端沉降随着荷载水平的变化而变化。当荷载较小时，桩顶荷载全部由桩身混凝土压缩引发的桩侧摩阻力承担，此时桩端沉降的Sb为0，桩端阻力Pb也为0；随着桩顶荷载增加，桩土相对位移增大，桩侧阻力得到充分发挥，sb和Pb开始出现，对应于荷载桩端沉降曲线上的A点。OA段的特征为荷载-桩顶沉降曲线与荷载-桩身压缩曲线完全重合，桩端沉降为0，桩侧阻力即为桩顶荷载，桩端阻力为0。
随着荷载的继续增大，桩端沉降也越来越大，使得荷载-桩顶沉降曲线和荷载-桩身压缩曲线分离开来，表明桩端阻力逐渐得到发挥。
从图中可以看出，当桩顶施加荷载小于6000kN的前一级荷载时，桩顶沉降量主要是由桩身压缩所引起的；当桩顶施加第五级荷载6000kN时，桩端刚开始出现沉降量1.15mm；继续加载到第六级荷载7000kN时，桩顶本级荷载沉降量为20.82mm，而桩端本级荷载称将量为19.87mm，说明桩顶沉降主要由桩端沉降引起，亦即桩侧摩阻力已达到逐渐破坏状态，所以该桩的桩侧极限摩阻力可取6000kN，也就是说桩侧极限摩阻力为桩端产生明显沉降（即Δsd/ΔQ突然增大）的前一级荷载所对应的桩顶荷载值，即桩端沉降（1～3mm）所对应的桩顶荷载值。
二、桩侧阻力的影响因素
影响单桩桩侧阻力发挥的因素主要包括以下几个方面：桩侧土的力学性质、发挥桩侧阻力所需位移、桩径d、桩端土性质、桩长L、桩侧土厚度及各层中的qsik值、桩土相对位移量、加载速率、时间效应、桩顶荷载水平等。
1.桩侧土的力学性质
桩侧土的性质是影响桩侧阻力最直接的决定因素。一般说来，桩周土的强度越高，相应的桩侧阻力就越大。许多试验资料指出，在一般的黏性土中，桩侧阻力等于桩周土的不排水抗剪强度；在砂性土中的桩侧阻力系数平均值接近于主动土压力系数。
由于桩侧阻力属于摩擦性质，是通过桩周土的剪切变形来传递的，因而它与土的剪切模量密切相关。超压密黏性土的应变软化剂砂土的剪胀，使得侧阻力随位移增大而减小；在正常固结以及轻微超压密黏性土中，由于土的固结硬化，侧阻力会由于桩顶反复加载而增大；松砂中由于剪缩也会产生同样的结果。
图2-3-2 土性对桩侧阻力发挥性状的影响
1—加工软化性；2—非软化、硬化型；3—加工硬化型
2.发挥桩侧阻力所需位移
按照传统经验，发挥极限侧阻所需位移Wu与桩径大小无关，略受土类、土性影响对于黏性土Wu约为6～12mm，对于砂类土Wu约为8～15mm。对于加工软化型土（如密实砂、粉土、高结构性黄土等）所需Wu值较小，且qs达最大值后又随W的增加而有所减小。对于加工硬化型土（如非密实砂、粉土、粉质黏土等）所需Wu更大，且极限特征点不明显（图2-3-2）。这一特性宏观地反映于单桩静载试验Q-S曲线。
发挥桩侧阻力所需相对位移趋于定值的结论，是Whitake（1966）、Reese（1969）等根据少量桩的实验结果得出的。随着近年来大直径灌注桩应用的不断增多，对大直径桩承载性状的认识逐步深化。就桩侧阻力的发挥性状而言，大量测试结果表明，发挥侧阻所需相对位移并非定值，与桩径大小、施工工艺、土层性质与分布位置等有关。
表2-3-1所列为日本某地灌注桩的实测桩土相对位移与桩侧阻力（Masam&Fukuoka1988），桩侧为砂土夹薄层黏土层，桩端进入密砂层，桩径d=2m，桩长L=40m。
表2-3-1 侧阻力qs（kPa）与桩土相对位移W 单位：mm
由表2-3-1可知，该静力试桩桩顶荷载达40MN，沉降达202mm（约相当于桩径的10%），浅层土的侧阻力最大值对应的桩土相对位移为43～45mm（W/d≈2.2%）；随着土层埋置深度增加，发挥侧阻所需位移增大，24m以下处，当位移接近桩径的10%时，其侧阻力尚未达最大值。
上述测试结果足以说明侧阻力的性状是随桩径、土性、土层相对位置等变化的。不过，大量常规直径桩的测试结果表明发挥侧阻力所需相对位移一般不超过20mm，即先于端阻力发挥出来；对于大直径桩，虽然所需相对位移较大，但从一般控制沉降量s=（3%～6%）d确定单桩极限承载力而言，其侧阻力也已绝大部分发挥出来。
3.桩径的影响
侧摩阻力与桩的侧表面积（πDL）有关。按照规范大直径桩的桩侧阻力按式（2-3-1）计算
式中 ψsi——大直径桩桩侧阻力尺寸效应折减系数；
对于黏性土和粉土有
；
对于砂土和碎石土有
；
D——桩直径，m。
Masakiro Koike等通过试验研究发现，非黏性土中的桩侧阻力存在明显的尺寸效应，这种尺寸效应源于钻、挖孔时侧壁土的应力松弛。桩径越大、桩周土层的黏聚力越小，侧阻降低得越明显。
另外，沿桩长方向桩径的变化有利于提高侧阻，如挤扩支盘桩、竹节桩等正是利用桩径变化提高摩阻力的一种例子。
桩径变化宜在性质好的土层处扩径，这样可以提高侧阻力。
4.桩端土性质
大量试验资料发现桩端条件下不仅对桩端阻力，同时对桩侧阻力的发挥有着直接的影响。在同样的桩侧土条件下，桩端持力层强度高的桩，其桩侧阻力要比桩端持力层强度低的桩高，即桩端持力层强度越高，桩端阻力越大，桩端沉降越小，桩侧摩阻力就越高；反之亦然。
另外，钻孔桩由于施工工艺，经常在桩端存在部分沉渣，或者在持力层较差时，桩端土的弱化将会导致极限侧阻力的降低。因此一般要求浇前孔底沉渣厚度小于50mm。
5.桩长L、桩侧土厚度及各层中的qsik值
桩侧摩阻力Qsu计算式为
式中 qsik——单位侧摩阻是桩土相对位移的函数，即qsikli=τ（z）；
τ（z）——荷载传递函数，常有弹塑性型、对折线型和双曲线型多种，如图2-3-3～图2-3-6所示。不同的荷载传递函数分别可以反映加工硬化、加工软化和弹塑性的变化情况。
图2-3-3 理想线弹塑性传递函数
图2-3-4 双曲线型传递函数
图2-3-5 桩侧土软化三折线传递函数
图2-3-6 桩端土硬化传递模型
由于桩侧摩阻力是从上层土到下层土逐步发挥的，所以对同样的土性，其埋藏深度不同，其侧阻的发挥值也不同，实质上式（2-3-2）中侧阻力分层累计叠加计算是与实际受力情况不同的，因为自上而下的桩侧土并不是同时达到极限值。
6.桩土相对位移量
竖向荷载作用桩顶后，桩身自上而下压缩，从而激发向上的桩侧阻力和向下的桩土相对位移量s。桩土相对位移量实质上是桩身某点与该处土相互错开的位移的量值。
由于桩侧作用，桩的压缩应变自上而下由大变小，相对位移量也相应地由大变小。当荷载水平较小时，桩身某点深度处桩土相对位移s为0。随着荷载增大，零点下移。当桩侧土由于欠固结等原因沉降时，此时桩顶桩侧土的沉降有可能大于桩的沉降，我们定义：
某点桩与土相对位移量s（zi）=桩顶沉降量st-桩顶至该点桩身混凝土压缩量s桩i-桩周土的沉降量s±i，即
若s（zi）为正，则产生向上摩阻力为正摩阻力；
若由外部因素或自身欠固结引起的土沉降量s（zi）为负，则产生负摩阻力。
7.加载速率及时间效应
对于打入桩，在淤泥质土和黏土中通常快速压桩瞬时阻力较小，其后随着土体固结桩侧阻力会增大较多；在砂土中，快速压桩由于应力集中瞬时摩擦加大，侧阻也大，其后砂土容易松弛。
时间效应包含土的固结及泥皮固结问题。软土中长桩其承载力是随着龄期增加逐渐增大的。
8.桩顶荷载水平
每层土桩侧摩阻力的发挥与桩顶荷载水平直接有关，在桩荷载水平较低时，通常桩顶上层土的摩阻力得到发挥；到桩顶荷载水平较高时，桩顶下层乃至桩端处桩周土摩阻力得到发挥，上部土层有可能产生桩土滑移（要视桩土相对位移而定）；随着荷载进一步提高，只有桩端附近土摩阻力得到发挥及桩端阻力得到发挥。
所以桩顶荷载水平是决定侧阻与端阻相对比例关系的主要因素之一。
三、松弛效应对侧阻的影响
非挤土桩（钻孔、挖孔灌注桩）在成孔过程中由于孔壁侧向应力解除，出现侧向松弛变形。孔壁土的松弛效应导致土体强度削弱，桩侧阻力随之降低。
桩侧阻力的降低幅度与土性、有无护壁、孔径大小等诸多因素有关。对于干作业钻、挖孔桩无护壁条件下，孔壁土处于自由状态，土产生向心径向位移，浇筑混凝土后，径向位移虽有所恢复，但侧阻力仍有所降低。
对于无黏聚性的砂土、碎石类土中的大直径钻、挖孔桩，其成桩松弛效应对侧阻力的削弱影响看来是不容忽略的。
在泥浆护壁条件下，孔壁处于泥浆侧压平衡状态，侧向变形受到制约，松弛效应较小，但桩身质量和侧阻力受泥浆稠度、混凝土浇灌等因素的影响而变化较大。
四、桩侧阻力的软化效应
对于桩长较长的泥浆护壁钻孔灌注桩，当桩侧摩阻力达到峰值后，其值随着上部荷载的增加（桩土相对位移的增大）而逐渐降低，最后达到并维持一个残余强度。我们将这种桩侧摩阻力超过峰值进入残余值的现象定义为桩侧摩阻力的软化。
图2-3-7中Q-S曲线为杭州余杭某大厦静载荷试验结果，试桩桩径φ1000mm，桩长52.5m，根据地质报告计算的桩侧极限摩阻力为6000kN，静载荷试验时，加载到4000kN桩顶即发生较大的沉降，达100mm，随后在卸载过程中，桩顶沉降仍持续增加，即桩顶承载力随沉降增加出现跌落。
图2-3-7 典型桩侧土摩阻力软化Q-S曲线
（a）刺入破坏；（b）沉渣过厚
桩侧摩阻力在达到极限值后，随着加载产生的沉降的增大，其值出现下降的现象，即桩侧土层的侧阻发挥存在临界值问题。对超长桩，因为承受更大的荷载，桩顶的沉降量较大，这种现象更为普遍。当桩长达到60m或者更长时，这个临界值对桩承载力的影响更为敏感。众多的超长桩静载荷试验实测结果表明，这种现象比较普遍。
由于各个土层的临界位移值不同，各层土侧摩阻力出现软化时的桩顶位移量（即桩土相对位移）也不同，也即各层土侧摩阻力的软化并不是同步的，因此桩顶位移的大小直接影响侧摩阻力的发挥程度，也影响着承载力，尤其对超长桩，由于其桩身压缩量占桩顶沉降的比例较大，在下部沉降还较小的情况下，桩顶沉降已经比较大。对超长桩，桩身压缩在极限荷载作用下可达到桩顶沉降的80%以上。由于桩身压缩量占桩顶沉降量比例较大，使得在桩下部位移较小的情况下，桩上部已经发生较大的沉降，表现为较大的桩土相对位移，引起侧阻的软化。
因此，在桩基设计时，特别是摩擦型桩基设计时，承载力的确定应考虑桩侧摩阻力软化带来的影响，大直径超长桩的侧阻软化也会降低单桩的承载力，因此要采取措施加以解决，通常可以采用桩端（侧）后注浆的方法，有着较好的效果。
五、桩侧阻力的挤土效应
不同的成桩工艺会使桩周土体中应力、应变场发生不同变化，从而导致桩侧阻力的相应变化。这种变化又与土的类别、性质，特别是土的灵敏度、密实度、饱和度密切相关。图2-3-8（a）、（b）、（c）分别表示成桩前、挤土桩和非挤土桩桩周土的侧向应力状态，以及侧向与竖向变形状态。
图2-3-8 桩周土的应力及变形
（a）静止土压力状态（K0，Ka，Kp为静止，主动，被动土压力系数）；（b）挤土桩，K>K0（c）非挤土桩，K<K0（δr，δz为图的侧向竖向位移）
挤土桩（打入、振入、压入式预制桩、沉管灌注桩）成桩过程中产生的挤土作用，使桩周土扰动重塑、侧向压应力增加。对于非饱和土，由于受挤而增密。土愈松散，黏性愈低，其增密幅度愈大。对于饱和黏性土，由于瞬时排水固结效应不显著，体积压缩变形小，引起超孔隙水压力，土体产生横向位移和竖向隆起或沉陷。
1.砂土中侧阻力的挤土效应
松散砂土中的挤土桩沉桩过程使桩周土因侧向挤压而趋于密实，导致桩侧阻力增高。对于桩群，桩周土的挤密效应更为显著。另外孔压膨胀，使侧阻力降低。
2.饱和黏性土中的成桩挤土效应
饱和黏性土中的挤土桩，成桩过程使桩侧土受到挤压、扰动和重塑，产生超孔隙水压力，随后出现孔压消散、再固结和触变恢复，导致侧阻力产生显著的时间效应。