PHC 管樁單樁水平靜載荷試驗(yàn)研究與分析

王 毅

（1.吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院；2.吉林省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心，長春130011）

0 概述

隨著高層建筑與構(gòu)筑物日益增多，水平荷載成為建筑物設(shè)計(jì)中的控制因素，建筑樁基的水平承載力和位移計(jì)算成為建筑物設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一[1]。近年來高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（以下簡稱PHC管樁）在吉林省被大量推廣應(yīng)用，其承載力高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到眾多認(rèn)可，但由于PHC管樁的應(yīng)用時(shí)間不長，其理論研究水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工程實(shí)踐的發(fā)展，而且人們對(duì)PHC管樁在水平荷載作用下的研究性狀甚少，使得PHC管樁的承載能力特別是水平承載力未能得到充分利用，造成資源的浪費(fèi)。

水平承載樁的工作性能是樁與土的相互作用的問題，即利用樁周土的抗力來承擔(dān)水平荷載，樁在水平荷載作用下發(fā)生變形，促使樁周土發(fā)生相應(yīng)變形而產(chǎn)生抗力，這一抗力阻止了樁變形的進(jìn)一步發(fā)展[2]。當(dāng)前，對(duì)單樁水平承載力的確定方法主要有水平載荷試驗(yàn)和計(jì)算分析2類，其中以水平載荷試驗(yàn)最能反映真實(shí)情況，故文獻(xiàn)[3]推薦以水平載荷試驗(yàn)作為確定水平承載力的基本方法，本文通過工程實(shí)例，分析了水平荷載作用下PHC管樁的工作性狀，可以為今后同類地區(qū)水平受荷樁的設(shè)計(jì)與理論研究提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程概況

榮懷·鏡湖半島（水月云天）工程，位于松原市鏡湖路。擬建的榮懷·鏡湖半島（水月云天）項(xiàng)目包括1棟32層和1棟30層的超高層住宅建筑、3棟多層建筑及地下車庫等，地上建筑均為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑地理位置及建筑具體尺寸詳見建筑物及勘探點(diǎn)平面位置圖，總建筑面積約149 193m2，榮懷·鏡湖半島（水月云天）建筑均擬采用PHC管樁樁基礎(chǔ)。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地上部為黏性土，下部為砂土，根據(jù)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)分為如下10層。

第①層素填土：主要由灰黑色、黑色黏性土、砂土組成，見有少量建筑垃圾，一般較松散。層厚變化較大，層厚1.20～3.10m，一般層厚2.00m。

第①1層粉質(zhì)黏土：黑色、灰黑色，呈軟塑狀態(tài)，屬湖底沉積土，局部有人為改造痕跡，高壓縮性，層厚1.50～3.50m，一般層厚2.60m，層頂標(biāo)高129.36～131.51m。

第②層細(xì)砂：灰白色、灰黑色，飽和，呈中密狀態(tài)，主要由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，層厚1.30～10.70m，一般層厚 4.90m，層頂標(biāo)高126.56～129.58m。

第③層細(xì)砂：灰褐色、灰白色，飽和，呈稍密狀態(tài)，主要由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，層厚0.60～5.30m，一般層厚2.30m，層頂標(biāo)高119.05～127.48m。

第④層中砂：灰黑色、灰白色，飽和，呈中實(shí)至密實(shí)狀態(tài)，主要由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，層厚1.70～7.30m，一般層厚4.40m，層頂標(biāo)高114.75～126.38m。

第⑤層細(xì)砂：灰黑色、灰白色，飽和，呈稍密狀態(tài)，主要由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，層厚1.00～5.30m，一般層厚2.70m，層頂標(biāo)高113.96～122.98m。

第⑥層粗砂：灰褐色、灰白色，飽和，呈中密狀態(tài)，主要由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，層厚0.60～7.30m，一般層厚 3.20m，層頂標(biāo) 高109.69～120.98m。

第⑦層細(xì)砂：灰黑色、灰白色，飽和，呈稍密狀態(tài)，主要由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，層厚0.60～5.10m，一般層厚2.80m，層頂標(biāo)高108.19～110.80m。

第⑧層中砂：灰褐色、灰白色，飽和，呈中實(shí)至密實(shí)狀態(tài)，主要由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，層厚0.80～9.70m，一般層厚5.10m，層頂標(biāo)高105.01～108.70m。

第⑨層中砂：灰黑色、灰白色，飽和，呈中實(shí)狀態(tài)，主要由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，勘察揭露的最大厚度為6.60m，土層未揭穿。

場區(qū)地下水屬于潛水類型，主要埋藏于第①1～⑨土層中，初見和穩(wěn)定水位3.50～4.50m，水位標(biāo)高為127.56～129.30m，平均水位高程為128.52m。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用1臺(tái)1 000kN千斤頂加載，用BZ型超高壓油泵供油。荷載大小由安裝在油泵油路上的壓力傳感器通過“RS－JYC”型樁基靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)自動(dòng)控制。水平位移觀測(cè)采用2支量程為50mm，精度為0.01mm的位移傳感器，通過“RSJYC”系統(tǒng)對(duì)施加水平力的加荷點(diǎn)平面處的水平位移自動(dòng)測(cè)量。

2.2 荷載施加

試樁為PHC500AB型樁，樁徑500mm，樁長9m?？紤]到樁的實(shí)際工作狀態(tài)，在樁頂施加600kN的豎向荷載（SP－1、SP－2號(hào)樁施加，SP－3號(hào)樁未施加），在樁頂與施加豎向荷載的千斤頂之間設(shè)置一滾軸裝置，使樁在水平荷載作用下樁頂可以自由水平移動(dòng)。施加水平力時(shí)，用3根樁提供反力（詳見圖1），水平力加荷點(diǎn)位于第②層細(xì)砂粉質(zhì)黏土層中，距開挖后的地面1.92m。

試驗(yàn)采用單向多循環(huán)加載法進(jìn)行試驗(yàn)，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

單向多循環(huán)加載法的分級(jí)荷載應(yīng)小于預(yù)估水平極限承載力或最大試驗(yàn)荷載的1／10。每級(jí)荷載施加后，恒載4min后可測(cè)讀水平位移，然后卸載至零，停2min測(cè)讀殘余水平位移，至此完成一個(gè)加卸載循環(huán)。如此循環(huán)5次，完成一級(jí)荷載的位移觀測(cè)。試驗(yàn)不得中間停頓。

圖1 水平載荷試驗(yàn)平面示意圖

試驗(yàn)按預(yù)估極限承載力分10級(jí)加載。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可終止加載：

（1）樁身折斷；

（2）水平位移超過30～40mm；

（3）水平位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平位移允許值。

3 試驗(yàn)成果與分析

水平載荷試驗(yàn)主要依據(jù)水平力—時(shí)間—位移（H－t－Y0）及水平力—位移梯度（H－ΔY0／ΔH）曲線來綜合確定水平臨界荷載Hcr、水平極限荷載Hu及地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m 值，從而達(dá)到對(duì)樁水平受力的工作性狀分析與研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程樁的水平承載力的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

3.1 水平承載力的分析與確定

試樁SP－1、SP－2、SP－3的H－t－Y0、HΔY0／ΔH曲線如圖2～圖7所示。

圖2 SP－1水平載荷試驗(yàn)H－t－Y0曲線

圖3 SP－1水平載荷試驗(yàn)H－ΔY0／ΔH曲線

圖4 SP－2水平載荷試驗(yàn)H－t－Y0曲線

圖5 SP－2水平載荷試驗(yàn)H－ΔY0／ΔH曲線

圖6 SP－3水平載荷試驗(yàn)H－t－Y0曲線

圖7 SP－3水平載荷試驗(yàn)H－ΔY0／ΔH曲線

從圖2～圖7中可以看出：

（1）SP－1號(hào)樁加載至240kN時(shí)，水平位移10.62mm；H－ΔY0／ΔH 曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，即Hcr＝240kN，當(dāng)加載至450kN時(shí)，測(cè)得最大水平位移58.97mm，當(dāng)加載至550kN時(shí)，因樁被推斷而停止試驗(yàn)，則Hu＝450kN。

（2）SP－2號(hào)樁未施加豎向荷載，當(dāng)加載至160 kN時(shí)，水平位移6.01mm；H－ΔY0／ΔH 曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，即Hcr＝160kN，當(dāng)加載至360kN時(shí)，測(cè)得最大水平位移52.38mm，當(dāng)加荷至400kN時(shí)，因樁被推斷而停止試驗(yàn)，則Hu＝400kN。

（3）SP－3號(hào)樁加載至250kN時(shí)，水平位移8.75mm；H－ΔY0／ΔH 曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，即Hcr＝250kN，當(dāng)加載至450kN時(shí)，測(cè)得最大水平位移48.21mm，當(dāng)加荷至500kN時(shí)，因樁被推斷而停止試驗(yàn)，則Hu＝450kN。

依據(jù)規(guī)范[3]，結(jié)合圖2～圖7，可以得出單樁的水平承載力特征值Rh，如表1所示。

3.2 m值的計(jì)算

當(dāng)樁頂自由且水平力作用位置位于地面處時(shí)，值可按下列公式確定：

表1 單樁的水平承載力特征值Rh

式中：m—— 地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（MN／m4）；

vy—— 樁頂水平位移系數(shù)，由式（2）試算α，當(dāng)αh ≥4.0時(shí) （h 為 樁 的 入 土 深 度），vy＝2.441；計(jì)算時(shí)，先假設(shè)試樁為彈性長樁，則vy＝2.441，最后驗(yàn)算αh ≥4.0的假設(shè)是否成立[4]；

H——作用于地面的水平力（kN）；

Y0——水平力作用點(diǎn)的水平位移（m）；

EI—— 樁身抗彎剛度（kN·m2）；其中E為樁身材料彈性模量，I為樁身換算截面慣性矩，對(duì)于鋼筋混凝土樁，EI＝0.85EcI0；其中I0為樁身換算截面慣性矩，圓形截面為I0＝W0d0／2；

b0——樁身計(jì)算寬度（m），對(duì)于圓形樁：當(dāng)樁徑d≤1m時(shí)，b0＝0.9（1.5d＋0.5）＝1.125m。

W0——樁身換算截面受拉邊緣的截面模量，圓形截面為[5]；

式中：d—— 樁直徑，500mm；

d0——為扣除保護(hù)層厚度的樁直徑，420mm（混凝土保護(hù)層厚度40mm）；

αE——為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；

ρg—— 樁身配筋率。

對(duì)照材料力學(xué)關(guān)于圓形和方形的截面模量W0計(jì)算公式可知，式（3）是對(duì)應(yīng)于實(shí)心圓形樁，并且把樁身鋼筋等效地計(jì)入W0。由于規(guī)范條文沒有特別說明，也沒有另外提供空心樁的計(jì)算公式，有設(shè)計(jì)人員直接套用式（3）計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的W0，造成偏差[6]。因此，計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土管樁時(shí)，要減去空心部分，即預(yù)應(yīng)力混凝土管樁為：

式中：dl—— 為空心樁內(nèi)徑，250mm。

查 規(guī) 范[5，7—8]，試 樁 PHC500AB 型 樁 壁 厚 為125mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，配筋為結(jié)構(gòu)鋼筋12φ10.7，預(yù)應(yīng)力鋼筋最小配筋面積1 080mm2，混凝土彈性模量Ec＝3.80×104N／mm2，預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量Es＝2.0×105N／mm2，可得αE＝Es／Ec＝5.26，ρg＝ 0.734%， 從 而 可 計(jì) 算 W0＝0.011 9m3，I0＝2.5×10－3m4，EI＝0.85EcI0＝8.075×104kN·m2。

通過上述公式可得到各級(jí)荷載下m值隨荷載H 和變形Y0的變化曲線（通過驗(yàn)算，αh≥4.0，νy0＝2.441的假設(shè)成立），如圖8、圖9所示。

從圖中可以看出，Y0－m曲線和H－m曲線都近似成雙曲線變化規(guī)律。在最初的小變形階段，m值對(duì)上部土質(zhì)的變化十分敏感，m隨變形的增大迅速降低；之后隨著土體進(jìn)入彈塑性階段，m值則隨變形的增大降幅趨緩。m值由單樁臨界荷載及相應(yīng)水平位移來計(jì)算[4]，由臨界荷載及對(duì)應(yīng)的位移可以求出SP－2樁的m值為49.98MN／m4。

圖8 SP－2水平載荷試驗(yàn)H－m曲線

圖9 SP－2水平載荷試驗(yàn)Y0－m曲線

4 結(jié)語

（1）500mm直徑PHC500AB型樁，樁頂施加600kN豎向荷載的水平承載力特征值Rh可取240 kN；自由端的水平承載力特征值可取160kN。地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值對(duì)上部土質(zhì)的變化十分敏感，m隨變形的增大迅速降低，由臨界荷載及對(duì)應(yīng)的位移可以求出SP－2樁的m值為49.98MN／m4。

（2）研究了水平荷載作用下PHC管樁單樁的工作性狀，為松原地區(qū)水平受荷樁的設(shè)計(jì)與理論研究提供參考依據(jù)，但沒有考慮PHC管樁群樁、不同樁徑時(shí)，在水平荷載作用下的工作性狀，對(duì)于這一方面有待進(jìn)一步的研究。

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