灌注樁水平靜載試驗在混凝土工程的運用

郭長柱 王偉偉

【摘要】通過灌注樁的水平靜載試驗實例，分析樁的水平臨界荷載、極限荷載及地基土水平抗力系數(shù)的取值，對基樁的水平承載力性狀予以深入探究。樁基作為一種重要的基礎(chǔ)形式，在巖土工程中應(yīng)用廣泛，對于安全等級要求較高的重大工程項目，往往需要通過原位水平靜載試驗確定基樁的水平承載力，本文結(jié)合改造工程，重點介紹了采用ASTM標(biāo)準(zhǔn)對沖孔灌注樁進(jìn)行水平靜載荷試驗的過程。

【關(guān)鍵詞】基樁；水平承載力檢測；靜載試驗。

1. 樁的水平承載力的檢測

樁基靜載試驗是一項方法成立，理論上無可爭議的樁基檢測技術(shù)。在確定單樁極限承載力方面，它是目前最為準(zhǔn)確、可靠的檢驗方法，判定某種動載檢驗方法是否成熟，均以靜載試驗成果的對比誤差大小為依據(jù)。因此，每種地基基礎(chǔ)設(shè)計處理規(guī)范都把單樁靜載試驗列入首要位置?；驹碓摲椒ǖ幕驹硎且砸唤M完全的單樁豎向抗壓靜載荷試驗Q—s曲線為基礎(chǔ)，取該曲線的前幾級荷載下沉降原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而對Q—s曲線的發(fā)展趨勢作出預(yù)測。考慮到一般靜載荷試驗做到破壞時的加荷級數(shù)為10—15級。故一般取前10級建立相應(yīng)的GM（1，1）模型進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測所選用的級數(shù)少，經(jīng)濟效益越明顯：預(yù)測時所選用的級數(shù)多，預(yù)測精度會有所提高，但當(dāng)級數(shù)過多時，就失去了預(yù)測的意義?；疑A(yù)測方法對于以沉降控制來確定承載力的大直徑樁、超長樁和嵌巖樁效果明顯。樁的水平承載力取決于樁和土的力學(xué)性能、樁的自由長度、抗彎剛度、樁寬、樁頂約束等因素。其檢測方法為樁的水平靜載試驗。該方法為原位測試方法，具有測試準(zhǔn)確的優(yōu)點。以第k級荷載下的沉降量△S（k）為一個數(shù)據(jù)，可以得到一組數(shù)據(jù)序列△S，△S（△S（1），△S（2），…，△S（k））。將S進(jìn)行累加生成可得到另外一組數(shù)據(jù)，S=（S（1），S（2），…，S（k））。其中，其中S（k）為第k級荷載作用下的累加沉降量。對于等量加荷試驗，可對S（k）建立如下的GM（1，1）預(yù)測模型：式中 、u—待定系數(shù)；由最小二乘法，可有下式得到待定系數(shù)、u：式中 則這樣我們就可以得到不同荷載下響應(yīng)的沉降量，進(jìn)而就可以確定對應(yīng)沉降下單樁的豎向抗壓承載力值。

水平靜載荷試驗法的是主要作用：1）確定單樁水平臨界荷載和極限承載力，推定地基土的水平抗力系數(shù)，為設(shè)計提供依據(jù)；2）判斷水平承載力或水平位移是否滿足設(shè)計要求，為工程樁驗收提供依據(jù)；3）通過樁身應(yīng)變、位移測試測定樁身彎矩分布曲線。水平靜載試驗測得的“地基土的水平抗力系數(shù)”反映了樁側(cè)土抗力和水平位移之間的關(guān)系，作為土的固有特性，它反映了樁周土的反力特性。

2. 工程概況

2.1工程地質(zhì)條件

工程場地地貌單元為黃河沖積平原?？辈靾鰠^(qū)地基土分為13層。

2.2樁基工程信息

試樁工程采用采用泥漿護壁鉆孔灌注樁， Z1型樁共6根，樁徑600mm，樁長20m，主筋為10*φ18鋼筋，樁身配筋率小于0.65%。持力層為第⑨層細(xì)砂層，樁端進(jìn)入持力層不小于1m，樁頂標(biāo)高為場地自然地坪以下1.0m?；炷翉姸鹊燃墳镃30。

3. 樁的水平靜載試驗方法

3.1試驗設(shè)備及要求

試驗采用靜載荷測試儀、油壓千斤頂、測力傳感器、位移傳感器及球鉸等設(shè)備。靜載試驗反力由鄰近試驗樁提供。試驗要求：試驗坑開挖至設(shè)計樁頂標(biāo)高，設(shè)備安裝時確保試樁上力的作用點為設(shè)計樁頂標(biāo)高處且通過樁身軸線。在水平力作用平面的試樁兩側(cè)對稱安裝2個位移計，以測量地面處試樁的水平位移，固定位移計的基準(zhǔn)點設(shè)置在與水平力作用方向垂直的試樁兩側(cè)，與試樁的凈距大于1倍樁徑。

3.2試驗方法

試驗采用慢速維持荷載法，逐級等量加載。Z1試樁4#、5#、6#樁分級荷載分別為12.5、15、18kN。每級荷載施加后，分別按第5、15、30、45、60min測讀水平位移，以后每隔30min測讀一次位移量；當(dāng)每小時水平位移量不超過0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次（從分級荷載施加后的第30min開始，按1.5h連續(xù)三次每30min的沉降觀測值計算），即認(rèn)為位移穩(wěn)定可加下一級荷載，直至終止荷載。后分級卸載至零。

3.3終止加載條件

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，可終止加載：

1）樁身折斷；

2）水平位移超過30～40mm（軟土取40mm）；

3）水平位移達(dá)到設(shè)計要求的水平位移允許值。

4. 靜載荷試驗成果分析

4.1 檢測數(shù)據(jù)的處理

1）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分別繪制水平力-力作用點位移（H-Y0）曲線、水平力-位移梯度（H-ΔY0/ΔH）曲線、力作用點位移-時間對數(shù)（Y0-lgt）等曲線；繪制水平力、水平位移-地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)的曲線（H-m、Y0-m）。

2）計算m值：

式（1） 式（2）

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

α——樁的水平變形系數(shù)（m–1）；

νy——樁頂水平位移系數(shù)，由式（2）試算α ，當(dāng)αh≥4.0時（h為樁的入土深度），vy =2.441；

H ——作用于地面的水平力（kN）；

Y0——水平力作用點的水平位移（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；

b0——樁身計算寬度（m）；對于圓形樁：當(dāng)樁徑D≤1m時，b0=0.9（1.5D+0.5）；

當(dāng)樁徑D>1m時，b0 =0.9（D+1）；對于矩形樁，當(dāng)邊寬B≤1m時，b0 =1.5B+0.5，當(dāng)邊寬B>1m時，b0 =B+1。

4.2樁的水平承載力確定方法

1）單樁的水平臨界荷載（Hcr）的確定：

1 取H-ΔY0/ΔH曲線或lgH-lgY0曲線上第一拐點對應(yīng)的水平荷載值；

2 取H-σs曲線第一拐點對應(yīng)的水平荷載值。

2）單樁水平極限承載力（Hu）的確定：

1 取慢速維持荷載法時的H-Y0曲線發(fā)生明顯陡降的起始點對應(yīng)的水平荷載值；

2 取慢速維持荷載法時的Y0-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯彎曲的前一級水平荷載值；

3 取H-ΔY0/ΔH曲線或lgH-lgY0曲線上第二拐點對應(yīng)的水平荷載值；

4 取樁身折斷或受拉鋼筋屈服時的前一級水平荷載值。

3）為設(shè)計提供依據(jù)的Hcr和Hu，當(dāng)極差不超過平均值的30%時，取算術(shù)平均值為統(tǒng)計值。

4.3樁的水平承載力檢測結(jié)果

1）單樁水平臨界荷載（Hcr）：Hcr值根據(jù)H-Y0關(guān)系曲線中的線性段終點及水平力-位移梯度（H-ΔY0/ΔH）關(guān)系曲線的第一拐點綜合判定，取值范圍為87.5～90.0kN，對應(yīng)水平位移3.46～5.05mm之間，Hcr統(tǒng)計值為89.1kN。

2）單樁水平極限荷載（Hu）：Hu值根據(jù)H-Y0關(guān)系曲線中的明顯陡降段的起點及H-ΔY0/ΔH關(guān)系曲線的第二拐點綜合判定，取值范圍為125～135kN，對應(yīng)水平位移10.81～12.89mm之間，Hu統(tǒng)計值為128.6kN。

3）地基土水平抗力系數(shù)m值：由圖三、四，在水平臨界荷載值的m值為13.7×103～25.7×103 kN/m4。由曲線可知：H、Y0與m值均呈冪函數(shù)曲線衰減形態(tài)，對于同種樁型，由于樁身抗彎強度、樁身計算寬度和樁頂水平變形系數(shù)等參數(shù)相同，m值只與H、及Y0有關(guān)，且在相同的水平臨界荷載下， Y0越大，地基土的變形越大，水平抗力系數(shù)越小。

5.結(jié)論

5.1單樁水平臨界荷載（Hcr）是混凝土樁受水平荷載時樁周土的塑性區(qū)逐漸開展擴大、樁身受拉區(qū)混凝土明顯退出工作前的最大荷載值；

5.2單樁水平極限荷載（Hu）是樁受水平荷載，樁周土體破壞后，樁身折斷及樁身鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服時的前一級水平荷載值；

5.3地基土水平抗力系數(shù)m值反映了樁周土的水平反力特性，同場地、同樁型下，地基土的m值由Y0確定。