福建沿海地區(qū)PHC管樁單樁水平荷載試驗(yàn)研究

吳偉忠

(福建省宏實(shí)建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司,福建 泉州 362122)

0 引言

我國在沿海地區(qū)以及板塊交界處分布著廣泛的地震帶,一般地震設(shè)防等級7度以上,在這些地方進(jìn)行公共民用建設(shè)均需進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。這幾年隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市化進(jìn)程不斷推進(jìn),沿海省份靠海地區(qū)出現(xiàn)了大量的石化煉油廠、大型倉儲物流園、海邊居民建筑,PHC管樁在這些建筑中得到了廣泛應(yīng)用。在此背景下,如何有效地保障沿海地震區(qū)高層建筑的地基穩(wěn)定是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(簡稱PHC管樁),具有承載能力高、施工速度快、施工工藝方便、工程造價低等優(yōu)點(diǎn),近些年在我國得到廣泛應(yīng)用,成為我國土木領(lǐng)域最常用的樁基礎(chǔ)之一。但由于其樁身為空心截面,截面抗彎慣性矩較小,抗彎剛度也較小,因此抗彎性能相對較差。相對于其豎向承載性能,PHC管樁的水平承載性能較弱。而在實(shí)際工程中,樁基礎(chǔ)除了承受豎直荷載以外,同時還受到其他水平荷載(如溫度荷載、土壓力、風(fēng)荷載、波浪荷載、地震荷載等)的作用,從而使得樁基的受力情況更為復(fù)雜。而國內(nèi)對于PHC管樁的研究,特別是水平荷載等周期荷載的作用研究相對較少,因此開展PHC管樁的水平推力試驗(yàn)研究對PHC管樁樁基的設(shè)計(jì)、施工和未來發(fā)展都有十分重要的意義[1]。

目前,PHC管樁水平推力試驗(yàn)的研究方法主要有以下4種[2]:1)地基反力系數(shù)法;2)彈性理論法;3)有限元法;4)極限平衡法。目前對于PHC管樁單樁水平承載能力的研究主要以試驗(yàn)為主,而國內(nèi)外學(xué)者對于該方面的研究還存在很多不足之處,如破壞機(jī)理、試驗(yàn)方法、承載特性等方面的研究仍需深入。因此,通過試驗(yàn)對PHC管樁單樁水平承載能力的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

基樁的水平推力試驗(yàn)一般分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場原位試驗(yàn),室內(nèi)試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)、易于控制,但模型與實(shí)際出入較大;現(xiàn)場試驗(yàn)更真實(shí)、準(zhǔn)確度更高,為了保證試驗(yàn)的精度和可行性,工程實(shí)際中更多地通過現(xiàn)場試驗(yàn)來進(jìn)行基樁的水平推力試驗(yàn)。

本文通過對泉州某庫房項(xiàng)目的2根PHC管樁進(jìn)行水平靜載試驗(yàn),得到PHC管樁的單樁水平臨界荷載和水平極限荷載,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對PHC管樁的水平受力特性進(jìn)行分析。

1 工程背景

位于福建泉州市近海地區(qū)的某庫房土建工程項(xiàng)目,建筑物結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。樁基基礎(chǔ)均采用PHC管樁,樁身混凝土強(qiáng)度為C80,設(shè)計(jì)樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,樁徑均為500 mm,樁長為11.2 m～16.5 m。現(xiàn)場共有384根樁基,選用1號樁和2號樁作為試驗(yàn)樁進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)樁樁頂露出地面1.5 m,水平荷載作用點(diǎn)設(shè)置在樁頂?shù)仄禾帯?/p>

2 地質(zhì)概況

該場地地基復(fù)雜程度等級為二級,結(jié)構(gòu)安全性等級為二級,地震烈度為7度,建筑抗震設(shè)防等級為丙類。該場地土層分布較多,地質(zhì)分布復(fù)雜,具體自上而下為耕植土0.3 m～0.7 m,素填土0.3 m～8.8 m,淤泥0.3 m～2.8 m,粉質(zhì)黏土0.5 m～6.3 m,細(xì)砂0.8 m～3.7 m,中砂0.3 m～3.8 m,殘積砂質(zhì)黏性土0.4 m～19.9 m,全風(fēng)化花崗巖0.6 m～15.6 m,砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖2.1 m～13.95 m,碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖1.8 m～6.5 m,中風(fēng)化花崗巖最大揭露厚度8.6 m。

各土層的物理力學(xué)指標(biāo)和設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 各土層的物理力學(xué)指標(biāo)

3 試驗(yàn)方案

由于工程現(xiàn)場條件限制,本次試驗(yàn)采用油壓千斤頂進(jìn)行加載,承臺底面標(biāo)高處采用位移傳感器測量水平位移,在距樁頂500 mm處安裝第2個位移傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)角的測量,水平靜載試驗(yàn)裝置如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,本次試驗(yàn)選擇2根樁作為反力樁,反力樁連線中心與試驗(yàn)樁位于同一直線上。為了便于安裝儀器,需對現(xiàn)場場地進(jìn)行處理;由于現(xiàn)場場地整平處理較為困難,為了保證加載時千斤頂不會發(fā)生偏移,需要在千斤頂下面放置木板保持水平;由于2根反力樁和試驗(yàn)樁距離比較大,為了保證水平荷載的正常施加,需要在反力樁前鋪設(shè)一定體積的混凝土預(yù)制塊,同時為了防止偏心受力,需要在預(yù)制塊和千斤頂之間布置墊塊。

為了盡可能地模擬單樁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力形式,根據(jù)JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[3],本次試驗(yàn)采用單向多循環(huán)加載法進(jìn)行加載,每級荷載取預(yù)估極限承載力的1/10左右,設(shè)計(jì)單位驗(yàn)算試驗(yàn)樁單樁水平極限承載力為200 kN,因此每級荷載增量為20 kN;每級荷載加載4 min后,卸載到0,停2 min后,重復(fù)之前的加卸載步驟,循環(huán)5次后,進(jìn)行下一級荷載的加載,同時每一次加卸載時要實(shí)時記錄對應(yīng)荷載的水平位移。當(dāng)水平位移超過40 mm時,停止加載并將荷載卸載到0,等待2 min后終止試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 單樁水平承載力取值

通過對水平靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以得到相應(yīng)的試驗(yàn)樁水平荷載關(guān)系曲線,如圖2所示。

當(dāng)樁身開始出現(xiàn)裂縫時,此時測得的水平荷載為單樁水平臨界荷載。根據(jù)圖2可以看出,當(dāng)水平荷載超過臨界荷載時,水平荷載所對應(yīng)的位移明顯大于臨界荷載前所對應(yīng)的位移,樁的位移振幅也隨著循環(huán)次數(shù)的增加而明顯增大,此時PHC管樁樁身開始出現(xiàn)裂縫。根據(jù)H-t-Y0,H-ΔY0/ΔH關(guān)系曲線可以看出:1號樁、2號樁單樁水平臨界荷載均為140 kN,對應(yīng)的樁頂臨界位移分別為4.57 mm和4.73 mm。

當(dāng)樁身應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限、樁體完全破壞時,此時測得的水平荷載為單樁水平極限荷載。根據(jù)圖2可以看出,當(dāng)水平荷載超過極限荷載時,每單位荷載所對應(yīng)的位移急劇增大,樁的水平位移急劇增大,此時PHC管樁樁體達(dá)到極限,樁身出現(xiàn)裂縫,樁體完全破壞。根據(jù)關(guān)系曲線圖可以得到,1號樁、2號樁單樁水平極限荷載均為220 kN,對應(yīng)的樁頂極限位移分別為22.33 mm和23.18 mm。

在實(shí)際工程中,單樁荷載的設(shè)計(jì)往往需要考慮安全系數(shù)[4],根據(jù)JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范,對于預(yù)制樁,取樁頂位移為10 mm時所對應(yīng)的水平荷載的75%為單樁水平承載力特征值。由圖2可知:1號樁、2號樁泥面處水平為10 mm對應(yīng)的荷載分別為218 kN和215 kN,單樁水平荷載特征值分別為163.83 kN和161.35 kN。

單樁水平荷載試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 單樁水平荷載試驗(yàn)結(jié)果

4.2 水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值

由于土層狀況復(fù)雜,當(dāng)樁受到水平荷載作用時,地基土水平抗力難以被精確測量,選擇合適的計(jì)算模型顯得尤為重要,通常采用文克爾假設(shè),即將土體看作彈簧,利用水平抗力系數(shù)進(jìn)行分析。水平抗力系數(shù)方法一般有“C”法、“C值”法、“K”法、“m”法,根據(jù)規(guī)范要求[5],采用最常用的“m”法進(jìn)行計(jì)算,m值可按式(1)確定:

(1)

其中,m為地基上水平抗力系數(shù)的比例系數(shù),kN/m4;vy為樁頂水平位移系數(shù);H為作用于地面的水平荷載,kN;Y0為水平力作用點(diǎn)的水平位移,m;EI為樁身抗彎剛度,kN·m2;b0為樁身計(jì)算寬度,m。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1),繪制出水平荷載H、水平位移Y0與m值的關(guān)系曲線,具體如圖3所示。通過圖3中1號樁和2號樁的關(guān)系曲線可以看出,水平荷載H與m值表現(xiàn)為雙曲線關(guān)系,當(dāng)H<60 kN時,m與H表現(xiàn)為線性關(guān)系;當(dāng)60 kN100 kN時,隨荷載H的增大,m值變化緩慢趨于常數(shù)。水平位移Y0與m值也呈現(xiàn)為雙曲線關(guān)系,當(dāng)Y0<5 mm時,m與Y0表現(xiàn)為線性關(guān)系;當(dāng)Y0>5 mm時,隨位移Y0的增大,m值變化緩慢趨于常數(shù)。

4.3 單樁水平荷載影響因素分析

當(dāng)樁受到水平荷載作用時,樁頂露土部分約1 m～1.5 m,大部分樁身位于土層中,水平荷載會對樁產(chǎn)生彎矩,所以水平推力試驗(yàn)中最重要的是研究水平樁的抗彎性能。最能體現(xiàn)抗彎性能的參數(shù)是PHC管樁的抗彎剛度,抗彎剛度與材料的彈性模量以及截面慣性矩有關(guān),由于PHC管樁采用高等級的混凝土,根據(jù)相關(guān)力學(xué)知識[6],抗彎剛度=EI,而PHC樁彈性模量較大,抗彎剛度較高,因此抗彎性能較強(qiáng)。

對于PHC管樁的受力性能研究,工程上使用的PHC管樁為空心截面,根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識,與相同尺寸的實(shí)心截面結(jié)構(gòu)相比,空心截面結(jié)構(gòu)的截面慣性矩更高,而彎曲應(yīng)力=M/I,相同荷載下空心截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力更小,所以PHC樁截面慣性矩較小,強(qiáng)度較高。

對于PHC管樁的水平承載力研究,根據(jù)JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[7],PHC樁彈性模量E越大,截面幾何尺寸越大,抗彎剛度EI越大,樁頂水平位移越小,所以對應(yīng)的承載力就越大。

一般來說,混凝土的強(qiáng)度越大,PHC管樁抗彎性能越好、強(qiáng)度越高、承載力越大,但混凝土強(qiáng)度越高,延性越差,不利于抗裂,另外,混凝土標(biāo)號越高成本也較高,所以綜合考慮一般優(yōu)先選擇C60—C80混凝土。

在一定水平荷載范圍內(nèi),H-t-Y0關(guān)系曲線變化幅度較小,H-ΔY0/ΔH關(guān)系曲線斜率較低,而m值關(guān)系曲線中m值偏大,由此可以分析出,當(dāng)荷載和位移較小時,地基土水平抗力非常大,而在土體抗力的約束下,樁土處于彈性狀態(tài),荷載與位移基本呈線性關(guān)系,卸載后基本可以恢復(fù)。從樁頂?shù)钠茐奈恢每梢钥吹?1號樁的斷裂位置為樁頂以下2.3 m,2號樁的斷裂位置為樁頂以下2.5 m,樁頂以下2 m～3 m屬于薄弱位置,有必要對淺部土層進(jìn)行加固,回填密實(shí)性較好的碎石土,增加土體彈性模量和約束力,可以有效地提高單樁水平承載力。

5 結(jié)論

1)通過福建省泉州市某庫房土建項(xiàng)目的2根PHC管樁單樁水平推力試驗(yàn),對試驗(yàn)樁均采用單向多循環(huán)加載法進(jìn)行試驗(yàn),最后得到相應(yīng)的時間、荷載、位移數(shù)據(jù),同時需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對試驗(yàn)現(xiàn)場場地進(jìn)行調(diào)整。

2)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù),按照現(xiàn)行規(guī)范繪制1號試驗(yàn)樁和2號試驗(yàn)樁的水平荷載關(guān)系曲線,得到該試驗(yàn)樁的臨界荷載、極限荷載、承載力特征值分別為140 kN,220 kN,163.83 kN和140 kN,220 kN,161.35 kN。

3)采用 “m” 法進(jìn)行水平抗力系數(shù)的分析,通過規(guī)范公式,繪制出水平荷載、水平位移與水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值的關(guān)系曲線。可知:荷載、位移與m值均呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系,當(dāng)荷載、位移較小時接近直線關(guān)系,當(dāng)荷載、位移較大時變化緩慢趨于常數(shù),因此通過改良淺部土層提高密實(shí)度,增加對樁的水平約束力,進(jìn)而有效減小PHC管樁水平承載力。

4)PHC管樁在水平荷載作用下,其抗彎性能、強(qiáng)度與其材料的彈性模量、截面慣性 矩有關(guān),材料通常優(yōu)先選擇C60—C80混凝土。PHC管樁由于其抗彎剛度和強(qiáng)度較高,受力性能較好,承載力較高,可以很好地應(yīng)用到工程實(shí)際中。