連續(xù)結(jié)構(gòu)大直徑基樁水平承載力特征值確定方法研究

張興志，樸 瀧，楊 宇

(1 浙江杭紹甬高速公路有限公司， 杭州 310014；2 中路高科交通檢測檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司， 北京 100088)

0 概述

基樁水平受荷特性研究可分為樁土相互作用機(jī)理和水平承載力界限值判定方法兩方面。樁土相互作用機(jī)理的研究重點(diǎn)是樁與樁周土體相互協(xié)調(diào)、相互作用的關(guān)系[1]，進(jìn)而形成基樁水平承載力計(jì)算方法，并已形成了彈性分析法和彈塑性分析法兩大類方法。彈性分析法主要有地基梁法、有限元法和邊界元法，其分析方法較為簡便[2]?；鶚端绞芎商匦韵嚓P(guān)研究成果已相當(dāng)豐富，但研究仍在深入開展。文獻(xiàn)[2]通過模型試驗(yàn)分析了粉砂土地基中高樁水平變形、內(nèi)力及樁周土反力之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[3-5]通過水平承載力試驗(yàn)資料，分析了相關(guān)規(guī)范中提出的“m”法中m值(m為非巖石地基抗力系數(shù)的比例系數(shù))的取值要求；文獻(xiàn)[6-8]均結(jié)合水平承載試驗(yàn)討論了基樁水平承載力計(jì)算和取值方法的適用性，提出了改進(jìn)建議。

上述基樁水平承載力計(jì)算方法研究與基樁水平承載力特征值、極限值等界限值密切相關(guān)。文獻(xiàn)[9]的條文說明指出，“m”法中m值的取值應(yīng)與實(shí)際荷載、容許位移相適應(yīng)，而容許位移是水平承載力特征值確定的重要依據(jù)，因此，建筑、水運(yùn)、公路等行業(yè)的基樁檢測規(guī)范等均明確了單樁水平承載力極限值、單樁水平承載力特征值的判定方法[10-12]。但不同規(guī)范和相關(guān)研究中，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對單樁水平承載力特征值的判定標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。文獻(xiàn)[9]指出，可根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果，取地面處水平位移為規(guī)定值時對應(yīng)的荷載值為單樁水平承載力特征值；文獻(xiàn)[12]則指出，當(dāng)按設(shè)計(jì)要求的水平位移容許限值確定水平承載力時，取與之對應(yīng)的水平荷載統(tǒng)計(jì)值為單樁水平承載力容許限值；文獻(xiàn)[13]結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁和灌注樁的單樁水平靜載荷試驗(yàn)，提出了根據(jù)基樁構(gòu)造特點(diǎn)采用不同的單樁水平承載力特征值的判定標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為采用臨界荷載控制單樁水平承載力特征值的判定過程中，當(dāng)臨界荷載對應(yīng)的樁頂水平位移超過容許變形時，應(yīng)判定容許變形限值對應(yīng)的荷載為單樁水平承載力特征值。可見，大直徑樁基水平承載力仍是各領(lǐng)域樁基承載性能研究的重要領(lǐng)域。

連續(xù)結(jié)構(gòu)(如橋梁)更為關(guān)注的是墩頂水平位移容許限值對樁基水平承載性能的影響，因此需要進(jìn)一步分析討論如何在連續(xù)結(jié)構(gòu)(如橋梁)水平承載力試驗(yàn)中，結(jié)合墩頂水平位移容許限值確定單樁水平承載力特征值。

此外，在實(shí)際工程中，不同墩位處的基樁水平變形要求不完全一致，而試樁數(shù)量有限。因此，需加強(qiáng)根據(jù)試樁結(jié)果總體評價或研判連續(xù)結(jié)構(gòu)(如橋梁)單樁水平承載力特征值的相關(guān)研究。

本文針對連續(xù)結(jié)構(gòu)的大直徑樁基水平承載性能的研究需求，結(jié)合工程實(shí)體試樁工作，探討了連續(xù)結(jié)構(gòu)在水平承載力試驗(yàn)下，確定單樁水平承載力特征值的方法。

1 基于試驗(yàn)結(jié)果的單樁水平承載力特征值確定方法

文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]提出了根據(jù)地面處水平位移確定單樁水平承載力特征值的方法。公路、鐵路等行業(yè)沒有提出明確要求，但公路等行業(yè)提出了墩頂水平位移容許限值[14]。本文結(jié)合建筑、公路等行業(yè)的相關(guān)要求，對連續(xù)結(jié)構(gòu)(如橋梁)單樁水平承載力特征值取值方法進(jìn)行討論。

1.1 墩頂水平位移容許限值

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，墩頂水平位移容許限值[Δ]為：

[Δ] = 0.5L1/2

(1)

式中L為相鄰墩臺間最小跨徑，m，小于25m時按25m計(jì)。

圖1 墩頂水平位移容許限值[Δ]-跨徑L曲線

[Δ]-L曲線見圖1。橋梁等連續(xù)結(jié)構(gòu)中，跨徑大于100m時，[Δ]通常還需另行規(guī)定，故圖1中僅列出跨徑小于100m時的[Δ]。由圖1可知，不同跨徑對應(yīng)的[Δ]均大于10mm，即文獻(xiàn)[9]中單樁水平承載力特征值對應(yīng)的地面處樁身水平位移值。

1.2 墩柱變形特征

(1)柔性墩

柔性墩主要為樁柱式基礎(chǔ)，樁柱式基礎(chǔ)的構(gòu)造簡圖見圖2。對樁柱式基礎(chǔ)進(jìn)行受力分析時，可以將樁柱式基礎(chǔ)視為桿件。由受力分析可知，樁柱式基礎(chǔ)的變形曲線及其桿端轉(zhuǎn)角、位移等是桿件長度、桿件所受的彎矩、集中力及均布荷載等的函數(shù)。因此，要精確確定樁柱式基礎(chǔ)的變形限值，必須逐墩進(jìn)行受力分析。這樣的方法顯然不便對樁柱式基礎(chǔ)進(jìn)行大范圍、普遍性的承載力分析，所以需要對基礎(chǔ)變形模式進(jìn)行簡化。

注：l為樁基長度；m為墩柱長度；Δ為墩柱頂部水平位移；x為直線型墩柱變形模式對應(yīng)的樁基頂部水平位移；x1為曲線型墩柱變形模式對應(yīng)的樁基頂部水平位移；θ為基礎(chǔ)變形前后軸線的夾角。圖2 樁柱式基礎(chǔ)簡圖

通過對樁柱式基礎(chǔ)的分析可知，樁基、墩柱頂部發(fā)生水平位移時，樁基礎(chǔ)和墩柱的軸線形狀為曲線，如圖2所示。圖2中還繪制了墩柱變形為直線型(沿墩柱曲線變形時墩柱頂部的切線)的墩柱變形圖。由圖2可知，在墩柱頂部水平位移相同的情況下，直線型墩柱變形模式對應(yīng)的樁基頂部位移小于曲線型墩柱變形模式對應(yīng)的樁基頂部位移，則以直線型墩柱變形模式得到的樁基頂部位移作為限制性位移分析的基礎(chǔ)條件，在水平承載力分析時偏于安全。因此，墩柱變形限值分析可按直線型墩柱變形模式進(jìn)行。

(2)剛性墩

由于剛性墩墩身剛度大，不論承臺底面坐落于海床(地面)、埋置于海床(地面)下方或高于海床(地面)，墩頂至海床(地面)范圍的墩身、承臺及樁身在發(fā)生水平位移時，可視為直線型變形。

1.3 判斷水平承載力特征值試樁位移量取值

對于直線型的變形模式，有兩個指標(biāo)最為重要：一個是墩柱頂部水平位移Δ，另一個是基樁頂部水平位移x。

由圖2可知，在直線型變形模式下，墩柱頂部水平位移Δ和樁基頂部水平位移x的關(guān)系如下：

Δ=mtanθ+x

(2)

考慮到變形微小，可以取tanθ=θ，則有:

[x]=[Δ]-mθ

(3)

式中[x]為基樁頂部水平位移x的容許限值。

文獻(xiàn)[9]指出，過大的樁頂位移將導(dǎo)致樁側(cè)土體塑性隆起，此時樁的水平承載力達(dá)到極限狀態(tài)，故確定樁頂水平承載力特征值時，需對樁頂位移加以限制。因此，對于樁柱式基礎(chǔ)，[x]除了應(yīng)滿足文獻(xiàn)[14]的規(guī)定外，還需滿足式(3)的要求。

由式(3)可知，樁頂容許水平位移與墩頂容許水平位移、墩高、基礎(chǔ)變形前后軸線的夾角θ關(guān)系密切?？紤]到墩頂變形會引起支座變形，針對支座變形全部由墩柱變形引起的情形，可偏于簡化地認(rèn)為在墩頂支座變形未超過容許限值時，θ與墩頂支座變形角度相當(dāng)。在進(jìn)行支座試驗(yàn)時，對于板式橡膠支座，支座變形規(guī)定為不大于1/100[15]；對于盆式/球型橡膠支座，支座變形規(guī)定為不大于0.02rad[16-17]。

墩頂至海床(地面)距離為m，跨徑為L。墩頂采用板式橡膠支座時，θ取1/100，不同m，L組合條件下的[x]變化曲線見圖3(a)；墩頂采用盆式或球型橡膠支座時，θ取0.02rad，不同m，L組合條件下的[x]變化曲線見圖3(b)。

圖3 不同m，L組合條件下[x]變化曲線圖

由圖3可知，在考慮[Δ]的條件下，[x]的計(jì)算值均大于文獻(xiàn)[9]規(guī)定的10mm。綜合上述分析和相關(guān)文獻(xiàn)的規(guī)定，建議連續(xù)結(jié)構(gòu)(如橋梁)單樁水平承載力特征值的確定可采用雙控的方法，具體方法如下：

(1)某級荷載加載結(jié)束時，試樁樁頂位移接近對應(yīng)跨徑的墩頂水平位移容許限值，且海床面(地面)處樁身水平位移小于20mm，可取本級荷載為單樁水平承載力特征值。

(2)不滿足(1)的條件時，可取海床面處(地面)樁身水平位移接近20mm的荷載級別為單樁水平承載力特征值。

(3)按(1)或(2)初判的單樁水平承載力特征值對應(yīng)的荷載等級及低于該荷載等級的加載過程中，若出現(xiàn)試樁樁身開裂的情況，可取試樁樁身開裂之前的荷載等級為單樁水平承載力特征值。

文獻(xiàn)[12]指出，當(dāng)按設(shè)計(jì)要求的水平位移容許限值確定水平承載力時，取設(shè)計(jì)要求的水平位移容許限值對應(yīng)的水平荷載統(tǒng)計(jì)值為單樁水平承載力容許限值。在實(shí)際工程中，不同墩位處基樁水平變形要求不完全一致。因此，對比文獻(xiàn)[12]，上述判定連續(xù)結(jié)構(gòu)(如橋梁)單樁水平承載力特征值的方法可作為文獻(xiàn)[12]的補(bǔ)充，以便于根據(jù)有限的試樁結(jié)果總體評價或研判連續(xù)結(jié)構(gòu)(如橋梁)單樁水平承載力特征值。

2 工程實(shí)例

某工程為連續(xù)梁式跨海結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目海域70m跨結(jié)構(gòu)均采用超長大直徑鋼管樁基礎(chǔ)，共2 700根鋼管樁，最大樁長108m，樁徑有1.6，1.8，2.0m共3種。工程所在區(qū)域水深流急，軟弱覆蓋層深厚，鋼管樁的水平承載能力是樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，為保證設(shè)計(jì)效果，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了試樁工作。

2.1 工程與地質(zhì)概況

鋼管樁試樁共1根，試樁位于南段軸線以北100m處，總體布置見圖4。試樁場地巖土層分布情況與試樁鋼管樁參數(shù)分別見表1，2。試樁鋼管樁樁身直徑1.8m，壁厚分為22mm和20mm兩段，樁頂標(biāo)高+3.50m，樁底標(biāo)高-99.00m，試樁樁長102.5m。試樁、錨樁、基準(zhǔn)樁及水平反力樁采用垂直插打的開口鋼管樁，使用IHC600液壓打樁錘沉樁。

圖4 試樁總體布置圖/cm

試樁場地巖土層分布情況 表1

試樁鋼管樁參數(shù) 表2

2.2 試樁方案與加載過程

鋼管樁水平承載力測試采用對頂法，用臥式千斤頂施加荷載，試樁和水平反力樁相互提供反力，研究鋼管樁在水平荷載下的承載性能。

位移量測采用以下裝置：電子位移傳感器量程50mm(可調(diào))，每根樁布設(shè)8個電子位移傳感器，通過磁性表座固定在基準(zhǔn)鋼梁上，傳感器1,2量測單樁作用力水平面水平位移；傳感器3,4量測單樁作用力水平面以上100cm處水平位移；傳感器5,6用于量測單樁作用力背側(cè)水平面水平位移；傳感器7,8用于量測單樁作用力背側(cè)水平面以上100cm處水平位移。電子位移傳感器布置見圖5。樁身不同深度斷面在各級水平荷載作用下的水平位移由測斜儀測試，測斜管在鋼管樁制作時預(yù)先焊接在樁身上。樁身彎矩根據(jù)光纖光柵測得的數(shù)據(jù)求出，在試樁樁身布置光纖光柵，然后求得應(yīng)變值，并據(jù)此進(jìn)一步積分計(jì)算得到樁身彎矩。

本次試驗(yàn)進(jìn)行時，文獻(xiàn)[12]尚未發(fā)布，故參照《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測技術(shù)規(guī)程》(JTS 237—2017)，采用單向單循環(huán)水平維持荷載法進(jìn)行試驗(yàn)，即逐級加載，加載時每級荷載維持20min，測讀時間間隔5min；卸載時每級荷載維持10min，測讀時間間隔5min；卸載至0kN后每隔10min測讀樁頂?shù)臍堄辔灰屏?，測讀30min。

測試過程天氣以晴天為主，氣溫18～26℃，海風(fēng)3～4級。所測樁周圍50m范圍內(nèi)無振動，現(xiàn)場測試環(huán)境符合測試要求。

圖5 電子位移傳感器布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水平荷載與荷載作用點(diǎn)位移關(guān)系

水平荷載與荷載作用點(diǎn)位移關(guān)系曲線、水平荷載與樁頂轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線如圖6～9所示。試樁在不同水平荷載H下，深度h-樁身水平位移y的曲線見圖10。樁身上部(標(biāo)高+3.0～-14.0m)范圍不同深度截面水平位移s-水平荷載H關(guān)系曲線見圖11。為便于分析，單獨(dú)繪制樁頂及泥面處截面水平位移p-水平荷載H關(guān)系曲線見圖12。

圖6 試樁水平荷載H-水平荷載作用點(diǎn)樁身位移Y曲線

圖7 試樁水平荷載H-樁頂轉(zhuǎn)角φ曲線

圖8 試樁lgH-lgY曲線

圖9 試樁水平荷載H-位移梯度ΔY/ΔH曲線

圖10 深度h-樁身水平位移y曲線

圖11 樁身上部水平位移s-水平荷載H曲線

圖12 樁頂及泥面處水平位移p-水平荷載H曲線

準(zhǔn)備工作完成后，利用千斤頂對試樁和反力樁進(jìn)行對頂，施加水平荷載。當(dāng)加載至560kN時，試樁受力點(diǎn)實(shí)測水平位移為250.36mm，此時水平位移急劇增加、位移速率明顯增大，故停止加載。測斜儀測出泥面處位移為62.59mm。卸載至0kN時，殘余實(shí)測位移為27.93mm。

3.2 試樁水平極限承載力的確定

試樁的實(shí)測H-Y、lgH-lgY等曲線均未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，可取最大荷載560kN作為試樁的水平極限承載力。

3.3 試樁水平承載力特征值的確定

本次試樁對應(yīng)的結(jié)構(gòu)跨徑為70m，墩柱采用薄壁空心墩，按剛性墩設(shè)計(jì)，墩頂設(shè)盆式橡膠支座，承臺底面高程低于試樁樁頂高程。由圖1可知，70m跨徑墩頂水平位移容許限值為41.3mm。

由圖12可知，當(dāng)試驗(yàn)荷載為160kN時，泥面處(標(biāo)高-11.0m)樁體水平位移為13.2mm，試樁樁頂處水平位移為48.46mm。在本級試驗(yàn)荷載下，樁頂位移接近對應(yīng)跨徑的墩頂水平位移容許限值，且海床面處樁身水平位移小于20mm。當(dāng)試驗(yàn)荷載為240kN時，泥面處(標(biāo)高-11.0m)樁身水平位移為21.55mm，試樁樁頂處水平位移為80.46mm。在本級試驗(yàn)荷載下，樁頂位移大于對應(yīng)跨徑的墩頂水平位移容許限值，且海床面處樁身水平位移大于20mm。

根據(jù)前述“若某級荷載加載結(jié)束時，試樁樁頂位移接近對應(yīng)跨徑的墩頂水平位移容許限值，且海床面(地面)處樁身水平位移小于20mm，可取本級荷載為單樁水平承載力特征值”的判定方法，建議取160kN為試樁單樁水平承載力特征值。

本次試樁工作開展時，文獻(xiàn)[12]尚未發(fā)布。經(jīng)評審，在后續(xù)施工圖設(shè)計(jì)中，取用160kN為工程樁單樁水平承載力特征值。

文獻(xiàn)[12]中指出，可采用“單樁水平極限承載力統(tǒng)計(jì)值的一半”作為單樁水平承載力容許限值。本文依托的試樁工程確定的單樁水平極限承載力Ru為560kN，單樁水平承載力特征值Rh為160kN，Rh/Ru約為0.28。

4 結(jié)論

本文對連續(xù)結(jié)構(gòu)單樁水平承載力特征值的確定方法進(jìn)行了分析，結(jié)合試樁工程進(jìn)行了實(shí)例分析，主要得到如下結(jié)論：

(1)對于連續(xù)結(jié)構(gòu)(如橋梁)，可根據(jù)墩柱等構(gòu)件的變形限值要求分析評價地面處基樁的水平位移限值，進(jìn)而根據(jù)地基土水平承載性能確定單樁水平承載力特征值需要的樁基水平位移。

(2)本文提出采用墩頂水平位移容許限值和海床(地面)處樁身水平位移容許限值兩項(xiàng)指標(biāo)綜合判定單樁水平承載力特征值的方法，根據(jù)該方法判定的試樁單樁水平承載力特征值小于根據(jù)相關(guān)規(guī)范中“單樁水平極限承載力統(tǒng)計(jì)值的一半”判定的單樁水平承載力特征值，說明本文方法偏于安全。另一方面也說明，通過試驗(yàn)分析單樁水平承載性能仍很重要。

(3)單樁水平承載力特征值不僅與基樁的抗變形能力有關(guān)，也與基樁及墩柱的容許變形限值相關(guān)。如需提高單樁水平承載力特征值，需綜合考慮基樁構(gòu)造(如鋼管樁填芯，按斜樁打設(shè)等)以及結(jié)構(gòu)總體布置(跨徑、墩柱高度等)等因素的影響。