混凝土灌注樁水平承載性能研究

蔡顯珍

（渤海石油航務(wù)建筑工程有限責(zé)任公司，天津 300450）

0 引言

近年來，隨著高層與大跨度建筑物的不斷增加，在地基、荷載以及變形等方面的控制要求也越來越嚴(yán)格，同時(shí)為混凝土灌注樁提供了更為廣泛的應(yīng)用空間。由于混凝土灌注樁樁基沉降量小、承載力大以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度良好等優(yōu)勢(shì)，有利于應(yīng)對(duì)各種荷載性質(zhì)與地基條件。但是，由于工程場(chǎng)地土層類型的復(fù)雜性與多樣性，會(huì)對(duì)混凝土灌注樁的水平承載性能構(gòu)成影響，進(jìn)而影響到工程項(xiàng)目整體質(zhì)量。因此，制定合理的水平承載性能測(cè)試方案，可以有效提升樁基的應(yīng)用質(zhì)量，對(duì)工程項(xiàng)目的順利完工具有重要意義。

1 混凝土灌注樁技術(shù)

在土木建筑工程中，當(dāng)?shù)鼗鶞\層土質(zhì)無法滿足建筑物對(duì)地基承載力與變形的要求時(shí)，可以采用混凝土灌注樁來配合施工，通過將灌注樁與深土層進(jìn)行結(jié)合，以此強(qiáng)化樁基的深基礎(chǔ)能力。尤其是在工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，混凝土灌注樁應(yīng)用技術(shù)得到了飛速發(fā)展，已經(jīng)在各類施工領(lǐng)域取得良好的應(yīng)用效果。例如鐵路公路大橋、超高層建筑、重型倉(cāng)儲(chǔ)以及港口碼頭等建筑，都需要結(jié)合混凝土灌注樁施工技術(shù)，以強(qiáng)化工程整體質(zhì)量[1]。

混凝土灌注樁基礎(chǔ)又被稱為樁基，通常情況下由埋在土中的樁身與承臺(tái)組成。在實(shí)際施工中，樁基礎(chǔ)可以由單根樁基構(gòu)成，同時(shí)也可以由多根樁基構(gòu)成，大部分情況下是選用后者，這樣可以強(qiáng)化樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。此外，上部荷載通過承臺(tái)傳遞給樁頂與地基中的樁身，可以有效緩解整體受力情況，利用水平荷載性能調(diào)整樁基的水平力與上拔力?；炷凉嘧锻ǔ?yīng)用于以下工程情況：

（1）當(dāng)建筑物荷載系數(shù)較大且地基性質(zhì)軟弱時(shí)，此時(shí)原始地基無法滿足建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，而且無法保證建筑環(huán)節(jié)與后期應(yīng)用環(huán)節(jié)的沉降系數(shù)，對(duì)建筑物的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅，因而采用混凝土灌注樁施工方式[2]。

（2）結(jié)合工程質(zhì)量要求、技術(shù)指標(biāo)以及施工條件進(jìn)行綜合分析時(shí)，采用混凝土樁基礎(chǔ)比天然地基的應(yīng)用效果更加良好。

（3）當(dāng)工程項(xiàng)目為超高層建筑物且對(duì)整體傾斜程度有嚴(yán)格要求時(shí)，采用混凝土灌注樁施工技術(shù)。

（4）當(dāng)大型、重要、精密機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)對(duì)地基有嚴(yán)格要求時(shí)，采用混凝土灌注樁施工技術(shù)。

（5）如果工程項(xiàng)目建成后的沉降問題會(huì)對(duì)周邊建筑物構(gòu)成影響，為控制該建筑物的沉降程度，需要采用混凝土灌注樁施工技術(shù)。

2 水平承載性受力分析

水平承載樁的工作性能主要取決于土層與樁身的相互作用。無論是部分埋置方式還是完全埋置方式，樁身周圍的土體都會(huì)與之產(chǎn)生對(duì)抗，進(jìn)而承擔(dān)水平荷載。尤其是樁身在水平荷載力矩的影響下容易造成彎曲現(xiàn)象，也就是樁身產(chǎn)生彎曲應(yīng)力與水平變位。在此過程中需要對(duì)樁身產(chǎn)生的外力進(jìn)行承擔(dān)，以此改變土層結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)樁身位置產(chǎn)生的影響[3]。

當(dāng)樁身的水平荷載系數(shù)較低時(shí)，這一抗力主要來自于靠近地面的土體，而且土的變化程度取決于相關(guān)的彈性系數(shù)。也就是樁身在下沉過程中，其周圍土體始終處于彈性壓縮階段，當(dāng)水平荷載系數(shù)逐漸增加時(shí)，樁身的下沉情況也會(huì)隨著周圍土體應(yīng)力情況而改變，進(jìn)而使水平荷載向更深度的土層傳遞，當(dāng)深度土層的整體結(jié)構(gòu)無法控制時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致樁身失去穩(wěn)定性，也就是土體與樁身之間的關(guān)系被破壞[4]。

因此，分析混凝土灌注樁的水平承載性時(shí)，不外乎解決兩個(gè)問題，即樁身變形問題與樁身極限承載力。具體可以采用彈性理論法、極限地基反力法、彈性地基反力法以及線彈性地基反力法等方式。

（1）彈性理論法。對(duì)樁身周圍土體的彈性系數(shù)進(jìn)行假定，并且根據(jù)變化規(guī)律將樁身的長(zhǎng)度與直徑分為若干微段，同時(shí)根據(jù)無限體中承受水平力的情況，計(jì)算樁身的位移數(shù)值，使用有限差分的方式進(jìn)行表達(dá)，以此得到每一微段的水平承載能力。

（2）極限地基反力法。認(rèn)定結(jié)構(gòu)破壞來源于土中，該計(jì)算方式適用于埋入深度較大的灌注樁，而且對(duì)樁身剛性也有要求，通常不適用于柔性樁。如果樁身較長(zhǎng)且柔性系數(shù)較高時(shí)，樁身本體不會(huì)產(chǎn)生剛體平移，因此樁身周圍的土體不可能同時(shí)達(dá)到屈服極限。

（3）線性彈性地基反力法。假定地基為服從胡克定律的彈性體，也就是一定類別的土質(zhì)達(dá)到對(duì)地基反力的模型。然而該假定忽略了樁身周圍土質(zhì)的相互影響與連續(xù)性，因此在分析水平承載性能時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分偏差[5]。

3 混凝土灌注樁水平承載性能試驗(yàn)

3.1 水平荷載試驗(yàn)

混凝土灌注樁水平荷載試驗(yàn)的目的是充分了解水平荷載作用下轉(zhuǎn)樁身的強(qiáng)度特征與變化值，因此主要測(cè)試內(nèi)容包括樁身在不同情況下的內(nèi)力、樁頂水平變形情況以及樁底水平變形情況。此外，在進(jìn)行單樁水平荷載性能測(cè)試時(shí)，還要滿足以下要求：

（1）針對(duì)試樁的承載能力進(jìn)行測(cè)定，檢驗(yàn)與測(cè)定試樁的水平承載能力的主要目的是對(duì)水平位移曲線進(jìn)行測(cè)定，以此分析樁身與地下土層的相互作用關(guān)系，同時(shí)還可以參考樁身的實(shí)際變化情況進(jìn)行判定。

（2）針對(duì)樁身與樁頂荷載系數(shù)進(jìn)行研究分析，進(jìn)而明確水平力與水平位移之間的相互關(guān)系。

（3）準(zhǔn)確測(cè)定樁身在各類荷載作用下的撓度與彎矩情況，以此判斷樁身的彎矩與內(nèi)力分布情況。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

針對(duì)某工程項(xiàng)目中的單樁水平荷載性能進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。具體情況：試驗(yàn)樁為混凝土灌注樁，樁底標(biāo)高30.135 m，位于砂土層上部的粉土層中，樁底標(biāo)高12.635 m，位于砂土層中，試驗(yàn)樁整體樁長(zhǎng)17.5 m，配筋模式為HRB400，試驗(yàn)樁樁徑600 mm，采用C30 型號(hào)混凝土進(jìn)行灌注，本次試驗(yàn)中的最大水平荷載數(shù)值為300 kN。該工程項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)的土層結(jié)構(gòu)依次為填土層、粉土層、砂土層、黏土層和礫土層。

試驗(yàn)過程中采用反力架設(shè)備，同時(shí)采用千斤頂施加水平力。加載方式采用分級(jí)觀測(cè)模式，將荷載分級(jí)設(shè)計(jì)預(yù)估值范圍設(shè)置成最大荷載的1/10～1/15，并且初次采用150 kN 的荷載，隨后的試驗(yàn)采用15 kN 遞增的方式，逐漸增加至300 kN。

3.3 數(shù)據(jù)處理

（1）鋼筋受力。通常情況下，安裝在混凝土灌注樁內(nèi)的鋼筋會(huì)受到整體結(jié)構(gòu)與張緊程度的影響，從而使鋼筋計(jì)的自振頻率發(fā)生變化。因此在使用鋼筋計(jì)時(shí)，要準(zhǔn)確計(jì)算其受力與輸出頻率之間的實(shí)際關(guān)系，這樣可以根據(jù)試驗(yàn)得到的鋼筋計(jì)輸出方式計(jì)算鋼筋受力，在確定鋼筋不會(huì)受到外在因素與各種應(yīng)力的影響后，便可以明確混凝土灌注樁的整體結(jié)構(gòu)[6]。再結(jié)合樁身與周圍土層的相互影響關(guān)系，為水平承載性能的計(jì)算與控制提供數(shù)據(jù)支持。

（2）樁身截面彎矩。需要根據(jù)材料力學(xué)中關(guān)于樁身的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。通過測(cè)量拉壓應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的實(shí)際間距，并結(jié)合樁身的符合模量，不僅能計(jì)算出樁截面對(duì)中性軸的慣性彎矩，還可以對(duì)樁截面上兩個(gè)鋼筋計(jì)的軸向應(yīng)變差進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算出的鋼筋彈性模量、鋼筋計(jì)受力以及鋼筋橫截面積，對(duì)土體的影響程度進(jìn)行計(jì)算。

（3）樁身?yè)锨€。樁身轉(zhuǎn)角與撓度可以直接由樁身截面中不同測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)變點(diǎn)位差值計(jì)算，而且這種分析方式具備誤差小的優(yōu)勢(shì)，可以大幅度提升撓度曲線的計(jì)算精度。

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)水平荷載性能分析方式，對(duì)混凝土灌注樁的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試，可以分別計(jì)算出臨界荷載、極限荷載以及鋼筋計(jì)的相關(guān)測(cè)量結(jié)果。

（1）臨界荷載測(cè)量結(jié)果分析?；炷翗渡淼淖畲髲澗?cái)嗝鏁?huì)受到拉開區(qū)域與保護(hù)層之間斷裂狀態(tài)的影響，為保證這種斷裂形式不會(huì)破壞樁身的整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際情況制定臨界狀態(tài)。通過力與位移曲線的觀測(cè)，當(dāng)斷裂系數(shù)所產(chǎn)生的水平荷載變化系數(shù)為120 kN 時(shí)，該荷載引起的位移量比上級(jí)有明顯增加的狀態(tài)，因此可以確定樁身的臨界荷載數(shù)值為120 kN，同時(shí)還能得到相應(yīng)的水平位移為2.47 mm。

（2）極限荷載測(cè)量結(jié)果分析。當(dāng)混凝土樁身最大彎矩?cái)嗝媸艿嚼嬗绊憰r(shí)，樁身內(nèi)部鋼筋發(fā)生屈服狀態(tài)稱為極限狀態(tài)，也就是水平荷載情況與極限荷載相同，因此在該荷載系數(shù)的影響下，樁身與周圍土體之間的相互關(guān)系會(huì)產(chǎn)生明顯變化，因此可以確定樁身的臨界荷載數(shù)值為270 kN。當(dāng)然，整個(gè)樁身的長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)極限荷載數(shù)值造成影響，并且在樁身的深度與反彎點(diǎn)都不確定時(shí)，能夠分析出樁身周圍的土體變軟，會(huì)導(dǎo)致反彎點(diǎn)下移。當(dāng)樁頂變形范圍較大時(shí)，樁身周圍的土體則會(huì)變硬，在此過程中反彎點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生變化。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，混凝土灌注樁的水平承載性能取決于樁基與土體之間的相互作用。在水平荷載作用下，灌注樁身的彎矩在一定程度內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較為突出的峰值，而且在灌注樁入土深度越來越大時(shí)，灌注樁自身的彎矩也會(huì)隨之降低。此外，本研究結(jié)合工程案例進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，灌注樁的水平承載性能主要受地下土質(zhì)情況的影響，因此施工前要對(duì)土質(zhì)情況進(jìn)行勘察，并保證勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性，明確加載方式對(duì)樁基的影響程度，這樣才能減少樁身施工中的水平位移，進(jìn)而強(qiáng)化混凝土灌注樁的水平承載性能。