不同豎向荷載作用下樁基水平載荷試驗研究

華衛(wèi)君

(浙江省工程勘察院，浙江寧波315012)

0 引言

水平荷載作用下樁的受力是一個復(fù)雜的樁土相互作用過程，當(dāng)前，對單樁水平承載力的確定方法主要有水平載荷試驗和理論計算分析2類，其中以水平載荷試驗最能反映真實情況。但目前水平靜載荷試驗都是在樁頂自由且不施加豎向荷載的條件下進行的，現(xiàn)行規(guī)范中的樁基水平靜載荷試驗方法亦是如此，這與工程樁的實際受力情況存在一定的差異。因為一般工程樁都要承受較大的豎向荷載，而且樁頂還有承臺基礎(chǔ)的嵌固鉸結(jié)作用。本文將通過一系列不同工況條件下的水平靜載荷試驗，來分析樁基水平承載力的變化情況。

1 工程概況

寧波鎮(zhèn)海一石油化工項目位于典型的沿海軟土地區(qū)，系由海涂地回填而成。由靜力觸探成果圖(見圖1)不難看出，除表部素填土性質(zhì)稍好外，在17.2 m深度范圍內(nèi)基本上由灰色流塑狀淤泥質(zhì)土組成，淺部地基土非常軟弱(見表1)，無良好的淺基礎(chǔ)持力層。下部依次為灰綠色中密狀粉砂、綠灰色稍密狀含粘性土粉砂及灰黃綠色可塑狀粉質(zhì)粘土，物理力學(xué)性質(zhì)較好。由于石油化工裝置的特點是高、重、大，對地基的承載力要求高，對沉降變形要求嚴(yán)格，顯然天然地基淺基礎(chǔ)無法滿足工程設(shè)計要求，一般需采用樁基礎(chǔ)來加以解決。而工程場地位于建筑抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，且地處東海之濱，對于高聳的構(gòu)筑物來說，承受的風(fēng)荷載也較大。因此，樁基不僅要承受很大的豎向荷載，還要承受較大的水平荷載。

圖1 地層豎向分布及靜力觸探成果圖

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件及建筑物特點和要求，該工程一般采用鋼筋混凝土預(yù)制方樁基礎(chǔ)，選擇③層中密狀粉砂作為樁端持力層，樁長為19 m左右。

2 樁基水平靜載荷試驗

2．1 試樁類型

本文介紹的試樁均為鋼筋混凝土預(yù)制方樁，分別對不同樁徑、不同樁長、樁頂施加不同軸向荷載及多樁承臺等條件下進行了水平靜載荷試驗。其中樁頂自由且不施加軸向荷載的試樁共有18根，樁頂施加軸向荷載的試樁共有9根，群樁(3樁承臺)施加軸向荷載的共有2組。

2．2 試驗裝置及試驗儀器

傳統(tǒng)的單樁水平靜載試驗，是采用電動油壓千斤頂施加水平力，水平力作用線通過試坑底面地面標(biāo)高處。在千斤頂與試樁接觸處安置一球形鉸座，以保證千斤頂作用力能水平通過樁身軸線。樁的水平位移采用大量程百分表測量，每一根試樁在力作用水平面上和在該平面以上50 cm左右各安裝1只百分表(下表測量樁身在地面處的水平位移，上表測量樁頂水平位移，根據(jù)兩表位移差與兩表距離的比值求得地面以上樁身的轉(zhuǎn)角);安裝百分表的基準(zhǔn)梁由基準(zhǔn)樁固定，基準(zhǔn)樁打設(shè)在試樁兩個側(cè)面靠位移的反方向，與試樁的凈距離不小于4倍試樁直徑，即在試樁影響范圍以外。試驗儀器及設(shè)備主要有千斤頂臺、壓力表(精度為0.4級)、磁性表座、50 mm百分表(精度為0.01 mm)、基準(zhǔn)梁、球形鉸座等(見圖2)。

圖2 傳統(tǒng)的水平靜載荷試驗設(shè)備安裝示意圖

對于樁頂施加豎向荷載的試驗裝置，除了上述儀器及設(shè)備外，則在試樁樁頂增加1只油壓千斤頂、滾動軸排、樁頂豎向加載反力架等，其中單樁水平靜載荷試驗豎向反力由2根對稱于試樁兩側(cè)布置的錨樁提供(圖3)，群樁水平靜載荷試驗豎向反力則由4根對稱于試樁且呈正方形布置的錨樁提供，YF11為五樁承臺，作為群樁水平靜載荷試驗時的反力臺(圖4)。

圖3 樁頂加載水平靜載荷試驗設(shè)備安裝示意圖

圖4 群樁豎向加載水平靜載荷試驗平面布置圖

2．3 試驗加載方法

采用單向多循環(huán)加卸載法。多循環(huán)加卸載試驗法按下列規(guī)定進行加卸載和位移觀測。

2．3．1 荷載分級

取預(yù)估水平極限承載力的1/10～1/15作為每級荷載的加載增量。

2．3．2 加載程序與位移觀測

每級荷載施加后，恒載4 min后測讀水平位移，然后卸載至零，停2 min測讀殘余水平位移，至此完成一個加卸載循環(huán)，如此循環(huán)5次便完成一級荷載的試驗觀測。加載時間應(yīng)盡量縮短，測量位移的間隔時間應(yīng)嚴(yán)格準(zhǔn)確，試驗不得中途停頓。

2．3．3 終止試驗的條件

當(dāng)樁身出現(xiàn)明顯的裂縫或折斷，或水平位移超過30～40 mm，或可以較容易確定水平極限承載力時，可終止試驗。

2．4 樁基水平承載力的確定

根據(jù)現(xiàn)場試驗成果記錄，進行分析整理，分別繪制水平力－時間－作用點位移(H－t－Y0)關(guān)系曲線和水平力－位移梯度(H－△Y0/△H)關(guān)系曲線。

2．4．1 水平臨界荷載Hcr的確定

取單向多循環(huán)加載法時的H－t－Y0關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點的前一級水平荷載值;

取H－△Y0/△H關(guān)系曲線上第一拐點對應(yīng)的水平荷載值。

2．4．2 水平極限荷載Hu的確定

取單向多循環(huán)加載法時的H－t－Y0關(guān)系曲線產(chǎn)生明顯陡降的前一級水平荷載值;

取H－△Y0/△H關(guān)系曲線上第二拐點對應(yīng)的水平荷載值。

3 試驗結(jié)果的綜合對比分析

3．1 不同樁徑單樁水平承載力的對比分析

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)提供的單樁水平承載力特征值計算公式可見，樁的水平承載力與樁的水平變形系數(shù)α、樁身混凝土抗拉強度ft和彈性模量Ec、樁身換算截面受拉邊緣的截面模量W0和換算截面慣性矩I0、樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m等參數(shù)有關(guān)，而歸根到底，這些參數(shù)都與樁的截面(樁徑)大小有關(guān)。因此，在地質(zhì)條件相同、樁長和樁身鋼筋混凝土強度相等的條件下，樁的水平承載力主要取決于樁的截面形狀和截面積。從表2試樁結(jié)果可以看出，對于相同樁長的鋼筋混凝土預(yù)制方樁，其單樁水平承載力隨樁徑的增大而增加，當(dāng)樁徑增大28.6%時，其水平臨界荷載平均提高25.0%，水平極限荷載平均提高21.7%，顯然不是同比例增加。

表2 不同樁徑單樁水平承載力對比表

3．2 不同樁長單樁水平承載力的對比分析

由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)提供的單樁水平承載力特征值計算公式可見，在公式中所用到的樁頂(身)最大彎矩系數(shù)νM和樁頂水平位移系數(shù)νX都與樁的入土長度有關(guān)。從表3試驗結(jié)果不難看出，對于相同樁徑(橫截面積)的鋼筋混凝土預(yù)制方樁，其單樁水平承載力隨樁長的增加而逐漸增加，當(dāng)樁長分別從19.5 m增長到24.0 m(增長率23.1%)和從24.0 m增長到30.0 m(增長率25.0%)時，其水平臨界荷載平均值分別提高10.0%和9.1%，水平極限荷載平均值分別提高10.7%和6.5%。由于場地內(nèi)淺部土體軟弱，對樁基水平承載力的發(fā)揮起關(guān)鍵性作用，可見樁長增加對水平承載力的提高程度十分有限，同時也反映了單樁水平承載力與樁長不是呈線性增加，而是呈冪函數(shù)增加關(guān)系。其中水平臨界荷載Hcr和樁長L的關(guān)系式為Hcr=11.42L0.42，相關(guān)性系數(shù)r=0.999;水平極限荷載 Hu和樁長 L的關(guān)系式為 Hu=18.25L0.38，相關(guān)性系數(shù)r=0.988;2個公式的相關(guān)性均較好。

表3 不同樁長單樁水平承載力對比表

3．3 單樁水平承載力與樁頂豎向荷載的關(guān)系

上述表2、表3試樁都是在樁頂無約束(自由)的情況下進行的，而實際上幾乎所有的工程樁都是有基礎(chǔ)承臺的約束且樁頂是同時承受豎向荷載的。為了更加真實的反映工程樁的受力情況，我們在樁頂施加不同的豎向荷載的條件下進行了水平靜載荷試驗。表4試驗成果表明，在樁徑相同、樁長相近的條件下，樁的水平承載力隨著樁頂豎向壓力的增加而增大，而且當(dāng)施加的豎向荷載為單樁設(shè)計承載力的50%左右時，水平承載力增長尤其明顯，然后隨著樁頂豎向壓力的繼續(xù)增加而增大，但效果逐漸減弱，也呈現(xiàn)出了冪函數(shù)增長關(guān)系。通過數(shù)理回歸統(tǒng)計，樁的水平承載力與樁頂豎向荷載具有下列關(guān)系。

表4 樁頂施加不同豎向荷載下單樁水平承載力對比表

水平臨界荷載Hcr與樁頂豎向荷載P的關(guān)系式:

Hcr=Hcr0+5.19P0.30，相關(guān)性系數(shù)r=0.998

水平極限荷載Hu和樁頂豎向荷載P的關(guān)系式:

Hu=Hu0+2.76P0.5，相關(guān)性系數(shù)r=0.974

式中:Hcr0、Hu0——分別為樁頂豎向荷載為0時的水平臨界荷載和水平極限荷載。

由相關(guān)系數(shù)可以看出，2個公式的相關(guān)性均較好。

3．4 單樁與群樁水平承載力的對比分析

工程實踐表明，軟土地區(qū)高層建筑、石油化工裝置、市政橋梁、港口碼頭等建(構(gòu))筑物一般采用群樁基礎(chǔ)形式，而且樁基礎(chǔ)在承受豎向荷載的同時，還承受水平荷載。群樁承臺基礎(chǔ)在豎向和水平荷載的聯(lián)合作用下，群樁的樁與樁和承臺之間會相互影響，其水平承載力有別于單樁，故設(shè)計時需對群樁的水平承載力進行分析和驗算。

為了取得較為準(zhǔn)確的水平承載力參數(shù)，本文在現(xiàn)場進行了對比試驗。

本次試驗群樁為三樁承臺，呈正三角形布置，樁的中心距為1.80 m，樁頂嵌入承臺長度為10 cm，為等邊三樁承臺，承臺高度1.10 m，承臺頂面標(biāo)高與單樁試驗樁頂標(biāo)高相同，樁底標(biāo)高亦相同。為了便于對比，在承臺中心點所施加的豎向荷載為3000 kN，相當(dāng)于每根試樁所分擔(dān)的平均豎向荷載為1000 kN。表5試驗結(jié)果表明，在相同的豎向荷載作用下，3根單樁水平靜載荷試驗所取得的水平承載力之和，明顯小于帶承臺的群樁水平承載力，可見承臺的作用不可忽視。樁頂在承臺的約束作用下，其臨界水平荷載平均可提高22.7%，極限水平荷載平均可提高32.8%。經(jīng)過分析，認(rèn)為主要原因有2個:一是由于群樁承臺的嵌固，使樁頂受到固接約束作用，這種約束連接既能減少樁頂水平位移，又能降低樁頂約束彎矩，從而提高樁頂約束效應(yīng)系數(shù);二是由于樁基發(fā)生水平位移時，面向位移方向的承臺側(cè)面將受到土的彈性抗力，即水平承載力;至于樁的相互影響和承臺底的摩阻效應(yīng)，根據(jù)場地工程地質(zhì)條件及以往試驗成果分析，估計很少，可忽略不計。

表5 樁頂施加豎向荷載下單樁與群樁水平試驗成果對比表

4 結(jié)論

本文通過一系列的樁基水平靜載荷試驗，研究并分析了樁徑、樁長、樁頂自由和樁頂在不同豎向荷載作用下的水平承載力，從而得到了影響樁基水平承載力的因素，除了樁體彈性模量、土體彈性模量、土體泊松比、土體粘聚力和內(nèi)摩擦角等客觀因素外，還與樁徑、樁長、樁頂豎向荷載的大小密切相關(guān)，主要結(jié)論如下:

(1)在樁頂自由條件下，單樁水平承載力隨著樁徑和樁長的增加而增大，但并非是線性增長，而是呈冪函數(shù)增長關(guān)系;

(2)單樁水平承載力隨著樁頂豎向荷載的增加而增大，而且同樣也呈現(xiàn)了冪函數(shù)增長關(guān)系;

(3)在樁頂承受大致相同的豎向荷載作用下，樁頂嵌入基礎(chǔ)承臺的群樁水平承載力大于單樁水平承載力之和。

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