單樁水平承載力的計(jì)算與實(shí)測

施 英

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海200092)

1 引言

隨著城市的不斷發(fā)展，高層建筑如雨后春筍般在各個(gè)地方一幢幢的拔地而起。高層建筑的基礎(chǔ)一般都為樁基礎(chǔ)。在抗震設(shè)防區(qū)高層建筑的樁基要進(jìn)行樁基的抗震驗(yàn)算，樁基的抗震驗(yàn)算包括單樁的豎向抗震承載力驗(yàn)算和單樁的水平向抗震承載力驗(yàn)算。對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性的控制也逐漸被建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位重視，在滿足結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，樁數(shù)越少就越經(jīng)濟(jì)。同時(shí)在樁基工程中，樁的水平向抗震承載力變得越來越重要的一個(gè)方面，樁在水平荷載作用下的樁土共同作用性狀比在豎向荷載作用下要復(fù)雜得多，所以單樁水平承載力必須通過單樁水平靜載試驗(yàn)確定。

本文就以上海某高層住宅小區(qū)為例，對預(yù)制樁的單樁水平承載力的確定進(jìn)行進(jìn)一步討論。

2 單樁水平承載力的估算

2.1 計(jì)算公式

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](GB 50011—2010)4.4.2.2 條:“當(dāng)承臺周圍的回填土夯實(shí)至干密度不小于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](GB 50007—2011) 對填土的要求時(shí)，可由承臺正面填土與樁共同承擔(dān)水平地震作用;但不應(yīng)計(jì)入承臺底面與地基土間的摩擦力?！备邔咏ㄖ加械叵率?，所以對于高層建筑，地震水平力由地下室外墻正側(cè)面土體的被動(dòng)土壓力值的1/3與樁共同承擔(dān)?？挂?guī)條文說明中指出，樁負(fù)擔(dān)的地震力宜在0.3～0.9 之間。

根據(jù)樁基規(guī)范，當(dāng)樁的水平承載力由水平位移控制，且缺少單樁水平靜載荷試驗(yàn)資料時(shí)，可按式(1)、式(2)估算預(yù)制樁、鋼樁、樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁單樁水平承載力特征值:

式中 xoa——樁頂允許水平位移，一般可取10 mm，對于水平位移敏感的建筑物可取6 mm;

υX——樁頂水平位移系數(shù);

m——樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)。

應(yīng)用式(2)時(shí)，根據(jù)樁基規(guī)范附錄C第C.0.2條，當(dāng)基樁側(cè)面為幾種土層組成時(shí)，應(yīng)求得主要影響深度hm=2(d+1)范圍內(nèi)的m值作為計(jì)算值。

當(dāng)hm深度內(nèi)存在二層不同土?xí)r:

當(dāng)hm深度內(nèi)存在三層不同土?xí)r:

2.2 影響理論估算結(jié)果的參數(shù)

根據(jù)式(1)和式(2)可知，樁基水平承載力的計(jì)算中樁的水平變形系數(shù)α是一個(gè)重要的參數(shù)，其值與以下參數(shù)有關(guān):樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m、樁的截面形式、樁頂約束條件、混凝土強(qiáng)度等級、樁的入土深度等因素。

2.3 關(guān)鍵參數(shù)的合理取值

通過計(jì)算公式，可以看出在樁型確定的條件下，影響計(jì)算結(jié)果的變數(shù)在于兩點(diǎn):①m值;②υX系數(shù)，樁頂約束條件的假定。這兩點(diǎn)對Rhd計(jì)算結(jié)果影響很大，因此取值時(shí)尤需慎重。

通過理論方法的研究與工程實(shí)例中水平載荷試驗(yàn)[5](在不考慮樁頂豎向荷載作用下)結(jié)果的比較分析，已得到以下兩點(diǎn)結(jié)論:①樁頂鉸接(或自由)情況下，按式(1)計(jì)算的單樁水平承載力特征值相對適中，m值計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮hm范圍內(nèi)土層性狀及其厚度，其值宜按中值取用;②若樁頂固接情況下，該計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果相對偏大不夠合理，m值宜按偏下限或下限合理取值。

故理論計(jì)算時(shí)樁頂約束情況取鉸接(或自由)為合理，且m值的取值亦取中值。

2.4 實(shí)例-預(yù)制方樁的水平承載力理論估算

上海某高層住宅小區(qū)為多個(gè)帶地下室的11層及18層的單體組成，剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室層高3 m，基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)，樁采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁。該基地的土層分布情況為:第①層為素填土，松軟，土質(zhì)差。第②層為褐黃-灰黃色粉質(zhì)黏土層，該土層為可軟塑，中高壓縮性，IL=0.64，e0=0.89，平均厚度2.33 m。③層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，為天然的地基軟弱下臥層，土層平均厚度12 m。該工程地下室底板底面落于第②層。工程樁采PHS-AB300(160)-C80-28和PHSAB350(190)-C80-28兩種樁型。

樁頂水平位移系數(shù)υX按樁頂鉸接取2.441;xoa取10 mm;通過計(jì)算hm得樁側(cè)土層為②層，根據(jù)土層的液性指數(shù)和孔隙比，m值分別為:按上?！兜鼗A(chǔ)規(guī)范》[3](DGJ 08—11—2010)，取值為4.5 MN/m4;按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4](JGJ 94—2008)，取值為6 MN/m4。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 單樁水平承載力計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculation results of bearing capacity of single pile horizontal

3 考慮樁頂豎向荷載作用的單樁水平載荷試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)要點(diǎn)

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4](JGJ 94—2008)中第5.7.2.2條:對于鋼筋混凝土預(yù)制樁、鋼樁、樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁，可根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果取地面處水平位移為10 mm(對于水平位移敏感的建筑物取水平位移6 mm)所對應(yīng)的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。

同時(shí)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](GB 50007—2011)中第8.5.8條:單樁水平承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場水平載荷試驗(yàn)確定。必要時(shí)可進(jìn)行帶承臺樁的載荷試驗(yàn)。

同上所列的樁基工程所采用的混凝土空心方樁PHS-AB300(160)-C80和PHS-AB350(190)-C80兩種樁型進(jìn)行了單樁水平載荷試驗(yàn)。兩種樁型各選3根，共6根試樁。現(xiàn)場加載情況如圖1－圖3所示。

圖1 樁頂堆載圖Fig.1 Loading on the pile top

圖2 水平荷載作用圖Fig.2 Horizontal loading

圖3 樁頂鉸接圖Fig.3 Hinged pile top

樁頂約束情況:

(1)樁頂鉸接(或自由);

(2)考慮樁頂豎向荷載的作用:在高出承臺底面約2 m的樁頂處設(shè)置了堆載平臺，維持單樁所承受的上部結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為300 kN條件下進(jìn)行的水平向靜載荷試驗(yàn)。

水平靜載作用點(diǎn)標(biāo)高為承臺(筏板)底面標(biāo)高。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)H-t-Y0及H-△Y0/△H曲線:

(1)PHS-AB350(190)-C80的其中一根樁的試驗(yàn)曲線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 樁PHS-AB350(190)-C80的H-t-Y0曲線圖Fig.4 Pile PHS-AB350(190)-C80 H-t-Y0curve

圖5 PHS-AB350(190)-C80的H-△Y0/△H曲線圖Fig.5 Pile PHS-AB350(190)-C80 H-△Y0/△H curve

(2)PHS-AB300(160)-C80其中一根樁的試驗(yàn)曲線圖如圖6、圖7所示。

6根試樁的水平載荷試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

4 分析

比較表1與表2的數(shù)值，可以看出實(shí)測值比理論估算值大。

相對于不考慮樁頂豎向荷載作用下最理想的假定狀態(tài)(鉸接且按上海規(guī)范取m值)計(jì)算結(jié)果而言，水平載荷試驗(yàn)得出的單樁水平承載力實(shí)測值為其1.6 ～1.8倍關(guān)系。

圖6 樁PHS-AB300(160)-C80的H-t-Y0曲線圖Fig.6 Pile PHS-AB300(160)-C80 H-t-Y0curve

圖7 樁PHS-AB300(160)-C80的H-△Y0/△H曲線圖Fig.7 Pile PHS-AB300(160)-C80 H-△Y0/△H curve

表2 單樁水平承載力試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of single pile horizontal bearing

相對于不考慮樁頂豎向荷載作用下理論估算同樣的狀態(tài)(鉸接且按全國樁基規(guī)范取m值)計(jì)算結(jié)果而言，水平載荷試驗(yàn)得出的單樁水平承載力實(shí)測值為其1.4～1.5倍關(guān)系。

造成實(shí)測值比理論估算值大的原因是什么呢?

影響單樁水平承載力的因素有很多，其中以下兩點(diǎn)是主要的原因:

(1)樁基實(shí)際受力狀態(tài)中都有一個(gè)豎向力存在，它對樁頂起到一定的約束作用。這在理論公式中沒能體現(xiàn)出來，同時(shí)水平靜載試驗(yàn)通常也不一定考慮豎向荷載的作用。

數(shù)據(jù)表明，樁頂施加豎向荷載值與樁頂不施加豎向荷載值，兩者得出的單樁水平承載力還是有一定的差距。

(2)樁在水平荷載作用下其受力性狀是一個(gè)復(fù)雜的樁土相互作用過程，理論計(jì)算公式中對樁土作用、地質(zhì)條件、樁頂約束條件做了多方面的簡化。

實(shí)際樁頂約束狀態(tài)為介于鉸接與固接之間，理論計(jì)算中把樁頂約束條件分為兩類:鉸接(自由)和固接，實(shí)際上樁頂在水平力作用下的其水平位移在樁頂與承臺的連接設(shè)定為鉸接還是自由端是有較大差異，而且樁頂水平位移系數(shù)υX也是以這兩種約束條件給出的。我們就以規(guī)范的樁頂水平位移系數(shù)υX表中數(shù)值來看，樁頂約束頂為鉸接、自由時(shí)為固接的2.6～3.2倍。這也造成了一定的誤差。

5 結(jié)論

通過對樁頂施加一定的上部結(jié)構(gòu)作用在單樁上的豎向荷載而進(jìn)行的水平載荷試驗(yàn)，在這種工況下樁的受力情況是符合實(shí)際亦是有效的，這樣得到的結(jié)果也是可取的。通過實(shí)例可以看出，只要根據(jù)地勘報(bào)告中所提供的樁基承臺(樁頂約束處)的持力層在hm土層深度內(nèi)的m值和υX系數(shù)采用得當(dāng)，則通過公式估算的單樁水平承載力的計(jì)算值與試驗(yàn)值仍存在著一定的差異。試驗(yàn)結(jié)果比設(shè)計(jì)估值提高了1.4倍以上。由此，在一般情況下，上海地區(qū)抗壓樁當(dāng)缺少單樁水平靜載荷試驗(yàn)資料時(shí)，按規(guī)范(樁頂約束條件按鉸接、自由考慮)估算出來的單樁水平承載力的特征值雖然偏小，但是偏于安全的也是可取的。若樁基承臺是筏板或箱筏時(shí)，在未做單樁水平靜載荷試驗(yàn)前，筆者認(rèn)為，由于豎向荷載作用實(shí)際存在，單樁水平承載力特征值可按理論估算值的1.4倍采用，但最終單樁水平承載力的特征值應(yīng)按有豎向荷載作用下的單樁水平靜載試驗(yàn)來確定。

致謝 上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司提供的試驗(yàn)照片與數(shù)據(jù)。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings[S].Beijing:China Architecture and Building Press，2010.(in Chinese)

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50007—2011 Code for design of buildings foundation[S].Beijing:China Architecture and Building Press，2012.(in Chinese)

[3] 上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會.DGJ08—11—2012地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].上海:上海市建筑建材業(yè)市場管理總站，2010，Shanghai Urban Construction and Communication Commission.DGJ08—11—2012 Code for design of foundation[S].Shanghai:Shanghai Building Material Market Management Station，2010.(in Chinese)

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundations[S].Beijing:China Architecture and Building Press，2008.(in Chinese)

[5] 方云飛，孫宏偉，閆瑩.單樁水平承載力計(jì)算方法研究與工程實(shí)例分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，43(1):95-99.Fang Yunfei，Sun Hongwei，Yan Ying.Research on the calculation method of the horizontal bearing capacity for a single pile and analysis on engineering examples[J].Journal of Building Structures，2013，43(1):95-99.(in Chinese)