單樁水平靜載試驗(yàn)各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)分析

張開偉，郅正華，李志勇

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

單樁水平靜載試驗(yàn)各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)分析

張開偉*，郅正華，李志勇

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

單樁水平靜載試驗(yàn)主要用于確定樁基的水平承載力，其次用來了解樁基在水平荷載的作用下其內(nèi)力變化和位移變形。通過實(shí)際樁基檢測(cè)項(xiàng)目采用慢速維持荷載法結(jié)合鋼筋應(yīng)力測(cè)試技術(shù)對(duì)單樁水平靜載試驗(yàn)所涉及的大部分試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)樁基水平抗力、拉-壓應(yīng)力、彎矩、撓度及土抗力-位移變化等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)地分析試驗(yàn)樁基在水平荷載的作用下的變化狀態(tài)及結(jié)果。

樁基礎(chǔ)；單樁水平靜載試驗(yàn)；變形計(jì)算；應(yīng)力計(jì)算

1 前 言

樁基靜載試驗(yàn)是一種獲取樁基承載特性的最直接方法，理論上是無可爭(zhēng)議的樁基承載力檢測(cè)技術(shù)，在確定單樁極限承載力方面，它是目前最為可靠和準(zhǔn)確的測(cè)試方法，因此，不同行業(yè)中地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)處理規(guī)范都把樁基靜載試驗(yàn)列入首要位置。作為樁基靜載試驗(yàn)重要的一種組成部分，單樁水平靜載試驗(yàn)與單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)相比，樁基的水平受力特性更為復(fù)雜。單樁水平靜載試驗(yàn)主要用于一些安全等級(jí)要求較高的重大工程項(xiàng)目中，目前，確定樁基水平承載力的理論方法主要有P-y曲線法、NL法及彈性地基反力法。彈性地基反力法主要基于Winkler地基模型，將樁周土看作彈性體，用梁的彎曲理論求解土抗力，同時(shí)假設(shè)樁側(cè)抗力僅與土的深度和樁的撓度有關(guān)。根據(jù)地基反力系數(shù)K的不同假設(shè)，彈性地基反力法又可以分為c法、K法、m法及常數(shù)法等。文章利用彈性地基反力法中的K法對(duì)國(guó)內(nèi)某城際高速鐵路混凝土灌注樁的單樁水平靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算分析，通過對(duì)樁基水平抗力、拉-壓應(yīng)力、彎矩、撓度及土抗力-位移變化等參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，詳細(xì)地了解試驗(yàn)樁基在水平荷載的作用下的變化情況及結(jié)果。

2 試驗(yàn)項(xiàng)目試樁概況

該項(xiàng)目試樁位置位于天津市北辰區(qū)，在線路里程為DK103 +187下行方向左側(cè) 15.0 m。本試驗(yàn)區(qū)為一組試樁，包括3根試樁和8根錨樁，均采用鉆孔灌注成樁工藝，樁徑均為 1 000 mm，樁長(zhǎng)均為 52.9 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。試樁樁頂以下一倍樁徑范圍內(nèi)設(shè) 3 mm～5 mm厚鋼護(hù)筒圍裹，為便于水平載荷試驗(yàn)，試樁配筋上部 0.0 m～12.0 m為30φ20，下部 12.0 m至樁底為15φ20。錨樁配筋為20φ32，全樁長(zhǎng)等截面配筋率。具體的巖土參數(shù)如表1所示。

各土層參數(shù)表 表1

3 試驗(yàn)設(shè)備安裝及過程方法

試驗(yàn)采用《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的慢速維持荷載法。施加荷載采用錨樁作為反力支墩，具體觀測(cè)安裝圖如圖1所示。采用油壓千斤頂施加水平力，水平力作用線須通過地面標(biāo)高以下 0.5 m處，且低于樁頂以下 0.5 m。荷載監(jiān)控根據(jù)油壓表和千斤頂?shù)穆识ㄇ€或荷重傳感器進(jìn)行控制。樁身產(chǎn)生水平位移時(shí)，通過安置在樁身水平力作用平面上和其上 50 cm(注：須準(zhǔn)確測(cè)量上下位移傳感器之間的距離)處的位移傳感器進(jìn)行觀測(cè)。加載應(yīng)均勻、無沖擊、分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)加載量預(yù)估為 30 kN～50 kN。水平位移未達(dá)到穩(wěn)定，不得進(jìn)行下一級(jí)加載。每級(jí)加載后的觀測(cè)時(shí)間為：每級(jí)加載完后立即觀測(cè)，然后第1小時(shí)內(nèi)每隔 15 min觀測(cè)1次；第2小時(shí)內(nèi)每隔 30 min觀測(cè)1次；第3個(gè)小時(shí)起，每1小時(shí)觀測(cè)1次。

圖1 單樁水平靜載試驗(yàn)裝置圖

樁基施工時(shí)在試樁的鋼筋籠主筋上同軸焊接安裝了由北京建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的CGJ-YB-φ20的鋼筋計(jì)。各樁鋼筋計(jì)測(cè)試斷面分布位置(自樁頂向下計(jì)算深度)如表2所示。

鋼筋應(yīng)力計(jì)檢測(cè)斷面分布位置 表2

4 試驗(yàn)資料整理分析

受到文章篇幅限制，本文只拿該項(xiàng)目的S1號(hào)樁基的單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 水平承載力取值

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制水平力-時(shí)間-位移(H-t-Y0)曲線、水平力-位移梯度(H-△Y0/△H)曲線及其他輔助解釋曲線。單樁水平臨界荷載取H-t-Y0曲線出現(xiàn)突變(相同荷載增量的條件下，出現(xiàn)比前一級(jí)明顯增大的位移增量)點(diǎn)的前一級(jí)荷載，或取H-△Y0/△H曲線第一直線段的終點(diǎn)。單樁水平極限荷載取H-t-Y0曲線出現(xiàn)明顯陡降的前一級(jí)荷載，或取H-△Y0/△H曲線第二直線段的終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載。

圖2 S1號(hào)試樁單樁水平載荷試驗(yàn)曲線圖

試樁H-Y曲線分析：從圖2H-Y曲線形態(tài)可知，當(dāng)水平荷載小于 240 kN時(shí)，試樁水平位移較小，從曲線形態(tài)看，240 kN對(duì)應(yīng)于第1直線段的臨界位置，試樁水平承載力特征值可取為Ha=240 kN，當(dāng)水平荷載為 320 kN～480 kN時(shí)，樁身水平位移開始明顯增大，每級(jí)水平位移達(dá)到 8 mm以上，說明試樁已經(jīng)從彈性變形狀態(tài)開始進(jìn)入漸進(jìn)破壞狀態(tài)，因此可取最大加載量的前一級(jí)400 kN作為該樁的水平極限承載力Hu。

試樁H-△Y/△H曲線分析：從圖2H-△Y/△H曲線可知，H-Y曲線的第1拐點(diǎn)為 240 kN，第2拐點(diǎn)為 400 kN，兩個(gè)特征點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)試樁的臨界水平承載力(或承載力特征值)Hcr=240 kN和試樁的水平極限承載力Hu=400 kN。輔助曲線分析結(jié)果和H-Y曲線分析結(jié)果一致。

4.2 地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取值

地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)參數(shù)按下列公式計(jì)算：

式中：m—地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)(MN/m4)；Hcr—單樁水平臨界荷載(kN)；xcr—單樁水平臨界荷載對(duì)應(yīng)的位移(mm)；vx—樁頂位移系數(shù)，可在檢測(cè)規(guī)范查表確定；b0—樁身計(jì)算寬度(m)，在圓形樁，當(dāng)直徑d≤1 m時(shí)，b0=0.9(1.5d+0.5)EI—樁身抗彎剛度。

通過以上公式計(jì)算可得該樁地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m如表2所示。

S1號(hào)試樁地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m成果表 表2

圖3 S1號(hào)試樁m值計(jì)算分析成果圖

地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m分析：根據(jù)圖3可知，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m隨水平荷載的變化曲線，當(dāng)Hcr=240 kN時(shí)，m=7 511 kN/m4，根據(jù)曲線變化特征回歸得到的m隨H的變化規(guī)律為m=3×107×H-1.6732(kN/m4)，曲線拐點(diǎn)位置相當(dāng)于Hcr=240 kN。

4.3 樁身受力特征分析

根據(jù)各觀測(cè)斷面實(shí)測(cè)鋼筋受力數(shù)據(jù)，計(jì)算整理如圖4所示。由于地基土抗力作用，同一荷載級(jí)別時(shí)拉應(yīng)力小于壓應(yīng)力。第5級(jí)荷載時(shí)，6 m位置拉應(yīng)力明顯增大，從圖中可以看出最大加載量時(shí)最大應(yīng)力集中在 6 m深度附近。

圖4 S1號(hào)樁基樁身實(shí)測(cè)應(yīng)力分布圖

4.4 樁身彎矩分布分析

通過試驗(yàn)測(cè)得各測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)位置的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置靠近水平力作用平面與樁橫截面邊緣的交點(diǎn)，實(shí)測(cè)應(yīng)力相當(dāng)于截面最大應(yīng)力(拉及壓應(yīng)力)。混凝土未開裂時(shí)的截面彎矩按下式計(jì)算：

式中：M—測(cè)試截面的彎矩(kN·m)；σ拉—受拉側(cè)測(cè)試的應(yīng)力值；σ壓—受壓側(cè)測(cè)試的應(yīng)力值；d—受拉和受壓傳感器之間的間距(m)；Iz—觀測(cè)截面慣性矩m4。

計(jì)算樁身彎矩時(shí)，按照混凝土允許抗拉強(qiáng)度結(jié)合實(shí)際拉應(yīng)力變化特征進(jìn)行受拉面混凝土開裂修正，修正量根據(jù)截面軸向拉力和壓力平衡條件確定，也可參照?qǐng)D5所示方法進(jìn)行近似修正，計(jì)算公式如下：

圖5 混凝土開裂校正示意圖

式中：σ′拉—根據(jù)鋼筋應(yīng)力計(jì)算的混凝土應(yīng)力。

根據(jù)實(shí)測(cè)受拉鋼筋的最大拉應(yīng)力計(jì)算截面彎矩，截面抗彎模量由全部縱向主筋對(duì)樁軸心的慣性矩和混凝土樁身對(duì)其軸心的截面慣性矩之和計(jì)算而得到，為簡(jiǎn)化計(jì)算，混凝土彈性模量取為 21 000 MPa(與抗壓試驗(yàn)觀測(cè)值相當(dāng))，鋼筋彈性模量取 210 000 MPa。計(jì)算獲得的彎矩分布曲線如圖6所示，圖6曲線形態(tài)表明，在最大加載量時(shí)，最大彎矩點(diǎn)出現(xiàn)的樁身的 6 m深度。最大彎矩點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力特征如圖7所示，第1拐點(diǎn)位于 320 kN，與前面測(cè)試曲線確定的臨界荷載高一級(jí)荷載，第2拐點(diǎn)位于 400 kN，與其他觀測(cè)資料對(duì)應(yīng)，即極限承載力Hu=400 kN。

圖6 S1號(hào)樁基樁身彎矩分布圖

圖7 S1號(hào)樁最大彎矩點(diǎn)鋼筋應(yīng)力變化曲線

4.5 樁身?yè)隙确治?/p>

根據(jù)截面彎矩和撓度的關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算得到撓度分布曲線。彎矩和撓度的關(guān)系為：

式中：y—樁的水平位移(m)；z—深度(m)；M—截面的彎矩(kN·m)。

上述計(jì)算過程中，微分方程的邊界條件如下式所示，通過邊界條件確定和校核計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)截面彎矩分布計(jì)算樁身各部位撓度，計(jì)算結(jié)果見圖8所示，計(jì)算過程中根據(jù)受拉和受壓面應(yīng)力特征確定相應(yīng)觀測(cè)截面的撓度方向。由于計(jì)算過程對(duì)混凝土開裂進(jìn)行了校正，因此計(jì)算撓度較實(shí)際觀測(cè)值小。根據(jù)樁身位移曲線特征，受最大水平荷載 480 kN時(shí)，樁身固定端位于 6 m～8 m之間，與最大彎矩點(diǎn)位置相比略深。

圖8 S1號(hào)樁經(jīng)開裂校正后計(jì)算的樁身?yè)隙葓D

4.6 樁身?yè)隙确治?/p>

樁側(cè)土抗力與樁身截面彎矩的微分關(guān)系表示為下式所示，通過對(duì)彎矩分布的數(shù)學(xué)運(yùn)算可求得樁側(cè)土抗力分布。

式中：P—樁側(cè)土的水平抗力(kPa)；b—樁計(jì)算直徑(m)。其他符號(hào)同前。

根據(jù)臨界荷載(Hcr=240 kN)計(jì)算的m=(7511 kN/m4) 值，計(jì)算樁側(cè)土反力P(h，y)=m(臨界荷載的計(jì)算值)×h(計(jì)算深度)×y(計(jì)算深度的水平位移)×d0(計(jì)算直徑)，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。顯然樁側(cè)土反力集中在 8 m以上樁身，且在 3 m左右深度存在峰值，對(duì)比地質(zhì)資料，在 3 m深度存在 1.3 m厚度的堅(jiān)硬黏土，3.1 m～7.8 m為硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土，可知計(jì)算反力分布與地層的對(duì)應(yīng)情況較好。各觀測(cè)斷面樁側(cè)土反力隨樁身位移的變化情況如圖10所示，顯然最大水平位移發(fā)生在 1.5 m，最大抗力位置在 3 m。

圖9 S1號(hào)樁樁身抗力分布圖

圖10 S1號(hào)樁樁惻土抗力隨水平位移變化曲線

5 結(jié) 論

(1)文章通過對(duì)單樁水平靜載試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)樁基水平抗力、拉-壓應(yīng)力、彎矩、撓度及土抗力-位移變化等參數(shù)進(jìn)行了整理計(jì)算，詳細(xì)全面地分析了試驗(yàn)樁基在水平荷載的作用下的變化狀態(tài)及結(jié)果。綜合計(jì)算結(jié)果確定該樁單樁水平承載力特征值(按強(qiáng)度控制)為240 kN，水平極限承載力為 400 kN，對(duì)應(yīng)臨界荷載的地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=7 511(kN/m4)。

(2)試驗(yàn)加載至最大荷載后，基樁的平均側(cè)向最大位移為 7.66 mm。樁身位移曲線特征顯示，受最大水平荷載 480 kN時(shí)，樁身固定端位于 6 m～8 m之間，與最大彎矩點(diǎn)位置相比略深，最大加載量時(shí)最大彎矩點(diǎn)深度在 6 m附近。計(jì)算過程由于對(duì)混凝土開裂進(jìn)行了校正，計(jì)算撓度較實(shí)際觀測(cè)值略小，樁身彎矩隨著荷載的增大最大彎矩截面有逐漸向樁體下部轉(zhuǎn)移趨勢(shì)。

(3)樁側(cè)土反力主要集中在 8 m以上樁身，且在 3 m左右深度存在峰值，最大水平位移發(fā)生在 1.5 m，最大抗力位置在 3 m?？芍谒胶奢d作用下，樁體發(fā)生彎曲變形部位主要集中在樁身 8 m以上部分，8 m以下的樁身發(fā)生變形程度較小。

[1] 張進(jìn)林，沈軍輝. 單樁水平靜載試驗(yàn)及成果參數(shù)取值問題初探[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005(4)：100～103.

[2] 敖成友. 單樁水平靜載試驗(yàn)在預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用[J]. 巖土工程界，2005(12)：35～37.

[3] 張璐. 鉆孔灌注樁的單樁水平靜載試驗(yàn)實(shí)例[J]. 當(dāng)代建設(shè)，2003(5)：44.

[4] 薛寶恒. 單樁水平靜載試驗(yàn)在某場(chǎng)地?cái)M建工程區(qū)的應(yīng)用[J]. 建筑設(shè)計(jì)管理，2015(2)：85～87.

[5] 陳祥，孫進(jìn)忠，蔡新濱. 基樁水平靜載試驗(yàn)及內(nèi)力和變形分析[J]. 巖土力學(xué)，2010(3)：753～759.

Analysis of Static Load Test of Single Pile Test Parameters

Zhang Kaiwei，Zhi Zhenghua，Li Zhiyong

(The Hebei Research Institute of Construction & Geotechnical Investigation Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050031，China)

Single-pile horizontal static load test is mainly used to determine horizontal bearing capacity of the pile，then to understand the piles under horizontal load under the effect of its internal force variation and displacement. Articles actual project used slow speed maintained load contains method combined steel stress test technology on specification in the by involves of most test parameter for test，on pile base level anti-force，and pulled - pressure stress，and bent moment，and deflection and the soil anti-force - displacement changes，parameter for calculation，detailed to analysis test pile base in level load contains of role Xia of changes state and the results.

pile foundation；static load test of single pile；deformation calculation；stress calculation

1672-8262(2016)06-167-05

TU473.1

A

2016—08—04

張開偉(1982—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事樁基檢測(cè)、工程物探、工程勘察、基坑監(jiān)測(cè)等方面的生產(chǎn)和科研工作。