預(yù)應(yīng)力管樁水平承載力現(xiàn)場試驗(yàn)與計(jì)算研究

候勝男 劉陜南 孫洋波 高承勇 黃紹銘

(1．上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)(2．中交港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032)

1 引言

以往的國家、行業(yè)和地方規(guī)范對(duì)于樁基水平抗震驗(yàn)算均沒有統(tǒng)一進(jìn)行明確規(guī)定，一般的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為7度設(shè)防地區(qū)的樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)主要通過樁基承臺(tái)構(gòu)造措施予以保證，一般不用進(jìn)行樁基水平抗震承載力驗(yàn)算。2010版上?！兜鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求建筑樁基進(jìn)行水平抗震驗(yàn)算，因此單樁水平承載力的問題成為了其中的關(guān)鍵問題之一。尤其對(duì)于目前應(yīng)用較廣的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(以下簡稱“預(yù)應(yīng)力管樁”)，由于其構(gòu)件質(zhì)量可靠，樁身強(qiáng)度高，施工便捷，造價(jià)相對(duì)較低等特點(diǎn)，近些年在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用(1，2)。

本文結(jié)合上海地區(qū)某建筑工程，通過軟土地區(qū)中的單樁水平靜載荷試驗(yàn)，分析了預(yù)應(yīng)力管樁在水平荷載作用下的受力特點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)確定水平承載力的取值進(jìn)行分析，并將實(shí)測結(jié)果與目前規(guī)范中采用的m法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，為軟土地區(qū)類似工程單樁水平承載力的設(shè)計(jì)和理論研究提供參考。

2 單樁水平靜載試驗(yàn)

2．1 試驗(yàn)概況

1)工程地質(zhì)概況

試驗(yàn)場地均位于上海浦東康橋，地貌單元屬濱海平原地貌類型。地基土均屬第四紀(jì)沉積物，主要由粘性土、粉性土組成。根據(jù)地基土的特征、成因、年代及物理力學(xué)性質(zhì)等綜合分析，劃分為5個(gè)土層，詳見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)表

2)現(xiàn)場試驗(yàn)概況

本工程預(yù)應(yīng)力管樁單樁 PHC400B型，壁厚95 mm，樁長為25 m，采用靜壓方式沉樁，樁端開口。為準(zhǔn)確了解樁的水平承載力，特選用該樁型單節(jié)樁進(jìn)行水平載荷試驗(yàn)，本試驗(yàn)所在土層為②層粉質(zhì)粘土，現(xiàn)場對(duì)試樁周圍雜填土進(jìn)行開挖，約1．0 m。

試驗(yàn)樁頂為自由狀態(tài)，采用頂推法加荷。試驗(yàn)加載方法根據(jù)上海工程建設(shè)規(guī)范《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)程》中采用單向單循環(huán)恒速水平加載法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)加載分級(jí)，S1樁荷載分級(jí)為在40 kN前每級(jí)10 kN，加40 kN后調(diào)整為每級(jí)5 kN;S2樁荷載分級(jí)為在50 kN前每級(jí)10 kN，加50 kN后調(diào)整為每級(jí)5 kN。試驗(yàn)的中止條件是加載到樁的橫向水平位移急劇增加、變形速率明顯加快且力點(diǎn)位移超過60 mm后再終止加載。在試樁樁身表面對(duì)稱埋設(shè)光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)量測樁身應(yīng)變，進(jìn)一步推算求得樁身彎矩(3)。

2．2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)各試樁的工況及試驗(yàn)成果曲線，取H-(Y/(H或lgH-lgY曲線第二拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平荷載為極限承載力;取H-(Y/(H或lgH-lgY曲線第一拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平荷載為臨界荷載，各試樁水平靜載荷試驗(yàn)結(jié)果見表3，H-Y曲線如圖2所示，試驗(yàn)曲線形態(tài)基本為緩變形，兩根試驗(yàn)樁試驗(yàn)曲線基本重合。S1試樁在各級(jí)水平荷載作用下的樁身彎矩分布圖如圖3所示，最大彎矩點(diǎn)深度位于離地面1．4 m，彎矩零點(diǎn)深度為5．1 m。

圖3 S1試驗(yàn)樁樁身彎矩分布圖及相應(yīng)值

3 試驗(yàn)確定水平承載力

目前根據(jù)水平靜載荷試驗(yàn)確定單樁水平承載力的方法主要有兩種:1)按樁身是否出現(xiàn)裂縫控制，即取臨界荷載;2)按樁頂水平位移控制，較多的是取水平位移10 mm對(duì)應(yīng)的荷載，這一要求是反映對(duì)樁頂水平位移的控制要求;3)按極限荷載除以安全系數(shù)控制。

現(xiàn)行規(guī)范中單樁水平承載力，均是依據(jù)這兩種水平承載力的確定方法，但在此基礎(chǔ)上通過不同程度的折減得到，可以歸納為如下三種方法:方法①:試驗(yàn)曲線取10 mm水平位移對(duì)應(yīng)的荷載乘以0．75(4)(5)。方法②:當(dāng)水平承載力按樁身強(qiáng)度控制時(shí)，取水平臨界荷載統(tǒng)計(jì)值;試驗(yàn)曲線臨界荷載統(tǒng)計(jì)值乘以0．8(6)。方法③:當(dāng)樁身不允許裂縫時(shí)，取水平臨界荷載統(tǒng)計(jì)值乘以0．75;當(dāng)樁身允許出現(xiàn)裂縫時(shí)，取極限荷載統(tǒng)計(jì)值除以2(7)。

按三種方法確定的單樁水平承載力具體數(shù)值如表4所示。

表3 水平載荷試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表4 試驗(yàn)確定單樁水平承載力

從試驗(yàn)成果可以看出，在達(dá)到臨界荷載時(shí)，試樁的水平位移為13．38 mm和13．35 mm，均超過了水平位移10 mm，按三種方法計(jì)算確定的水平承載力方法①最小，方法③次之，方法②最大。對(duì)于本工程，按樁頂位移10 mm控制單樁水平承載力時(shí)，未達(dá)到臨界荷載，此時(shí)樁身尚未出現(xiàn)裂縫，是符合預(yù)應(yīng)力管樁使用要求的。因此對(duì)于本工程按上?！兜鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定采用樁頂水平位移10 mm對(duì)應(yīng)的荷載乘以0．75來確定水平承載力是合理的。

4 水平抗力比例系數(shù)

確定合理的m值一般有兩種方法，最好的方法是通過試驗(yàn)資料直接得到;當(dāng)沒有現(xiàn)場試驗(yàn)資料時(shí)，可參照各規(guī)范中對(duì)m值結(jié)合各地經(jīng)驗(yàn)和工程性質(zhì)給出的經(jīng)驗(yàn)取值。當(dāng)有單樁水平承載力載荷試驗(yàn)資料時(shí)，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值可以根據(jù)式(1)計(jì)算:

根據(jù)式(1)，計(jì)算得到S1和S2試樁樁頂水平位移10 mm對(duì)應(yīng)荷載下的 m值分別是10．5 MN/m4、9．5 MN/m4。

依據(jù)上?！兜鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的m值經(jīng)驗(yàn)參數(shù)并結(jié)合場地土層情況，該場地m值按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值為1．5～3MN/m4。現(xiàn)場試驗(yàn)得到的m值比經(jīng)驗(yàn)值大，高于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值的上限，因此按規(guī)范表格取值總體上是偏安全的。需要指出的是，試驗(yàn)反算的m值是單樁在水平荷載作用下淺層影響深度范圍內(nèi)m值的綜合反映，并不能只單單反映試驗(yàn)土層所在的m值，因此在與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行比較的時(shí)候要綜合考慮淺層影響范圍內(nèi)的土層情況。

控制變量：由于上市公司資產(chǎn)規(guī)模、利潤率等不同，其稅負(fù)和盈利能力會(huì)有所不同，為了避免上市公司個(gè)體異質(zhì)性給“營改增”對(duì)企業(yè)影響的評(píng)估造成干擾，引入包括營業(yè)毛利潤率、資產(chǎn)負(fù)債率、企業(yè)規(guī)模三個(gè)控制變量。

5 單樁水平承載力計(jì)算

單樁水平承載力的計(jì)算方法根據(jù)地基的不同狀態(tài)，主要可分為:極限地基反力法、彈性地基反力法、p-y曲線法以及數(shù)值計(jì)算方法等。目前使用最普遍的是彈性地基反力法中的m法，現(xiàn)行國標(biāo)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中均采用m法計(jì)算單樁水平承載力。

5．1 規(guī)范方法簡介

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定如下:

當(dāng)樁的水平承載力由樁頂水平位移控制，且缺少單樁水平靜載荷試驗(yàn)資料時(shí)，可按式(2)估算預(yù)制樁、鋼樁、樁身配筋率不小于0．65%的灌注樁單樁水平承載力:

5．2 規(guī)范方法計(jì)算單樁水平承載力

樁頂允許水平位移取10 mm，樁頂按鉸接考慮，m值按場地土層情況取經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值3 MN/m4，按式(2)計(jì)算，結(jié)果見表5。

表5 單樁水平承載力計(jì)算值

可以看出根據(jù)試驗(yàn)反算m值計(jì)算水平承載力與采用樁頂水平位移10 mm對(duì)應(yīng)的荷載乘以0．75來確定水平承載力是比較接近的，說明采用m法計(jì)算單樁水平承載力是適用的。當(dāng)沒有水平靜載荷試驗(yàn)資料時(shí)，采用規(guī)范方法計(jì)算確定單樁水平承載力是相對(duì)偏安全的。重要工程或者水平承載要求較高時(shí)，宜通過現(xiàn)場水平載荷試驗(yàn)確定水平承載力，這對(duì)于掌握實(shí)際場地條件下樁在水平荷載下的受力情況，合理確定單樁水平承載力更為直接和可靠。

5．3 計(jì)算彎矩與實(shí)測對(duì)比

S1試樁在樁身貼光纖傳感器得到了樁身在開裂前的實(shí)測樁身彎矩。采用m法計(jì)算在水平荷載72．5 kN時(shí)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)點(diǎn)水平位移為10 mm的樁身彎矩，m值取試驗(yàn)反算的10 MN/m4。在此荷載水平下，實(shí)測樁身彎矩和采用m法計(jì)算的樁身彎矩比較如圖3所示。從圖3中可以看出，實(shí)測彎矩和計(jì)算彎矩的最大彎矩點(diǎn)位置基本是重合的，數(shù)值上采用m法計(jì)算的數(shù)值稍低為70 kNm，實(shí)測數(shù)值為77 kNm。根據(jù)場地土層情況，按照規(guī)范建議的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值為1．5～3 MN/m4進(jìn)行樁身彎矩估算，也反映在圖4中，可以看出按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的樁身彎矩，其最大彎矩值比實(shí)測值要大，且最大彎矩點(diǎn)的位置比實(shí)測最大彎矩點(diǎn)位置要低1．0m左右。

圖4 樁身彎矩實(shí)測值與計(jì)算值比較

因此，m值根據(jù)試驗(yàn)成果確定是最為合理的，在此基礎(chǔ)上采用m法能較為準(zhǔn)確的估算樁身彎矩，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

6 結(jié)論

本工程為承載性能較好的B型預(yù)應(yīng)力樁，按樁頂位移10 mm控制單樁水平承載力時(shí)，未達(dá)到臨界荷載，此時(shí)樁身尚未出現(xiàn)裂縫，是符合預(yù)應(yīng)力管樁使用要求的。因此按上?！兜鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定采用樁頂水平位移10 mm對(duì)應(yīng)的荷載乘以0．75來確定水平承載力是合理的。

通過水平載荷試驗(yàn)，能夠更為準(zhǔn)確的得到樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值，在此基礎(chǔ)上采用m法能較為準(zhǔn)確的估算樁身彎矩，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)?，F(xiàn)場試驗(yàn)得到的m值比經(jīng)驗(yàn)值大，高于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值的上限，按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值總體上是偏安全的。

沒有水平靜載荷試驗(yàn)資料時(shí)，采用規(guī)范方法計(jì)算確定單樁水平承載力是相對(duì)偏安全的。重要工程或者水平承載要求較高時(shí)，宜通過現(xiàn)場水平載荷試驗(yàn)確定水平承載力，這對(duì)于掌握實(shí)際場地條件下樁在水平荷載下的受力情況，合理確定單樁水平承載力更為直接和可靠。

［1］徐楓．基于原型試驗(yàn)的單樁水平承載力分析．巖土工程學(xué)報(bào)．2011，Vol．33(S2):291-294

［2］劉杰，路海俊，劉建飛，姜曉峰．軟土地基中預(yù)應(yīng)力管樁水平承載力的試驗(yàn)研究．巖土工程界．2006，Vol．10(7):32-34

［3］唐堅(jiān)．傳感光纖技術(shù)在鉆孔灌注樁應(yīng)力測試中的應(yīng)用［J］．建筑施工，2010，vol．32 No．9

［4］JGJ94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2008

［5］DGJ08-11-2010，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．上海，2010

［6］JGJ106-2003，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范［S］．中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2003

［7］GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011