预应力管桩水平承载力现场试验与计算研究

2012-10-25候胜男刘陕南孙洋波高承勇黄绍铭

土木建筑工程信息技术 2012年4期

候胜男刘陕南孙洋波高承勇黄绍铭

(1．上海现代建筑设计(集团)有限公司，上海 200041)(2．中交港湾工程设计研究院有限公司，上海 200032)

1 引言

以往的国家、行业和地方规范对于桩基水平抗震验算均没有统一进行明确规定，一般的经验认为7度设防地区的桩基础抗震设计主要通过桩基承台构造措施予以保证，一般不用进行桩基水平抗震承载力验算。2010版上海《地基基础设计规范》要求建筑桩基进行水平抗震验算，因此单桩水平承载力的问题成为了其中的关键问题之一。尤其对于目前应用较广的预应力混凝土管桩(以下简称“预应力管桩”)，由于其构件质量可靠，桩身强度高，施工便捷，造价相对较低等特点，近些年在建筑工程中得到广泛应用(1，2)。

本文结合上海地区某建筑工程，通过软土地区中的单桩水平静载荷试验，分析了预应力管桩在水平荷载作用下的受力特点，对试验确定水平承载力的取值进行分析，并将实测结果与目前规范中采用的m法计算结果进行比较，为软土地区类似工程单桩水平承载力的设计和理论研究提供参考。

2 单桩水平静载试验

2．1 试验概况

1)工程地质概况

试验场地均位于上海浦东康桥，地貌单元属滨海平原地貌类型。地基土均属第四纪沉积物，主要由粘性土、粉性土组成。根据地基土的特征、成因、年代及物理力学性质等综合分析，划分为5个土层，详见表1。

表1 土层主要物理力学参数表

2)现场试验概况

本工程预应力管桩单桩 PHC400B型，壁厚95 mm，桩长为25 m，采用静压方式沉桩，桩端开口。为准确了解桩的水平承载力，特选用该桩型单节桩进行水平载荷试验，本试验所在土层为②层粉质粘土，现场对试桩周围杂填土进行开挖，约1．0 m。

试验桩顶为自由状态，采用顶推法加荷。试验加载方法根据上海工程建设规范《建筑基桩检测技术规程》中采用单向单循环恒速水平加载法进行试验。试验加载分级，S1桩荷载分级为在40 kN前每级10 kN，加40 kN后调整为每级5 kN;S2桩荷载分级为在50 kN前每级10 kN，加50 kN后调整为每级5 kN。试验的中止条件是加载到桩的横向水平位移急剧增加、变形速率明显加快且力点位移超过60 mm后再终止加载。在试桩桩身表面对称埋设光纤光栅表面应变计量测桩身应变，进一步推算求得桩身弯矩(3)。

2．2 试验结果分析

根据各试桩的工况及试验成果曲线，取H-(Y/(H或lgH-lgY曲线第二拐点对应的水平荷载为极限承载力;取H-(Y/(H或lgH-lgY曲线第一拐点对应的水平荷载为临界荷载，各试桩水平静载荷试验结果见表3，H-Y曲线如图2所示，试验曲线形态基本为缓变形，两根试验桩试验曲线基本重合。S1试桩在各级水平荷载作用下的桩身弯矩分布图如图3所示，最大弯矩点深度位于离地面1．4 m，弯矩零点深度为5．1 m。

图3 S1试验桩桩身弯矩分布图及相应值

3 试验确定水平承载力

目前根据水平静载荷试验确定单桩水平承载力的方法主要有两种:1)按桩身是否出现裂缝控制，即取临界荷载;2)按桩顶水平位移控制，较多的是取水平位移10 mm对应的荷载，这一要求是反映对桩顶水平位移的控制要求;3)按极限荷载除以安全系数控制。

现行规范中单桩水平承载力，均是依据这两种水平承载力的确定方法，但在此基础上通过不同程度的折减得到，可以归纳为如下三种方法:方法①:试验曲线取10 mm水平位移对应的荷载乘以0．75(4)(5)。方法②:当水平承载力按桩身强度控制时，取水平临界荷载统计值;试验曲线临界荷载统计值乘以0．8(6)。方法③:当桩身不允许裂缝时，取水平临界荷载统计值乘以0．75;当桩身允许出现裂缝时，取极限荷载统计值除以2(7)。

按三种方法确定的单桩水平承载力具体数值如表4所示。

表3 水平载荷试验结果汇总表

表4 试验确定单桩水平承载力

从试验成果可以看出，在达到临界荷载时，试桩的水平位移为13．38 mm和13．35 mm，均超过了水平位移10 mm，按三种方法计算确定的水平承载力方法①最小，方法③次之，方法②最大。对于本工程，按桩顶位移10 mm控制单桩水平承载力时，未达到临界荷载，此时桩身尚未出现裂缝，是符合预应力管桩使用要求的。因此对于本工程按上海《地基基础设计规范》规定采用桩顶水平位移10 mm对应的荷载乘以0．75来确定水平承载力是合理的。

4 水平抗力比例系数

确定合理的m值一般有两种方法，最好的方法是通过试验资料直接得到;当没有现场试验资料时，可参照各规范中对m值结合各地经验和工程性质给出的经验取值。当有单桩水平承载力载荷试验资料时，地基土水平抗力系数的比例系数m值可以根据式(1)计算:

根据式(1)，计算得到S1和S2试桩桩顶水平位移10 mm对应荷载下的 m值分别是10．5 MN/m4、9．5 MN/m4。

依据上海《地基基础设计规范》给出的m值经验参数并结合场地土层情况，该场地m值按经验参数取值为1．5～3MN/m4。现场试验得到的m值比经验值大，高于经验参数取值的上限，因此按规范表格取值总体上是偏安全的。需要指出的是，试验反算的m值是单桩在水平荷载作用下浅层影响深度范围内m值的综合反映，并不能只单单反映试验土层所在的m值，因此在与经验参数进行比较的时候要综合考虑浅层影响范围内的土层情况。

控制变量：由于上市公司资产规模、利润率等不同，其税负和盈利能力会有所不同，为了避免上市公司个体异质性给“营改增”对企业影响的评估造成干扰，引入包括营业毛利润率、资产负债率、企业规模三个控制变量。

5 单桩水平承载力计算

单桩水平承载力的计算方法根据地基的不同状态，主要可分为:极限地基反力法、弹性地基反力法、p-y曲线法以及数值计算方法等。目前使用最普遍的是弹性地基反力法中的m法，现行国标《建筑桩基技术规范》和《建筑地基基础设计规范》及上海市工程建设规范《地基基础设计规范》中均采用m法计算单桩水平承载力。

5．1 规范方法简介

根据上海市工程建设规范《地基基础设计规范》中规定如下:

当桩的水平承载力由桩顶水平位移控制，且缺少单桩水平静载荷试验资料时，可按式(2)估算预制桩、钢桩、桩身配筋率不小于0．65%的灌注桩单桩水平承载力:

5．2 规范方法计算单桩水平承载力

桩顶允许水平位移取10 mm，桩顶按铰接考虑，m值按场地土层情况取经验参数值3 MN/m4，按式(2)计算，结果见表5。

表5 单桩水平承载力计算值

可以看出根据试验反算m值计算水平承载力与采用桩顶水平位移10 mm对应的荷载乘以0．75来确定水平承载力是比较接近的，说明采用m法计算单桩水平承载力是适用的。当没有水平静载荷试验资料时，采用规范方法计算确定单桩水平承载力是相对偏安全的。重要工程或者水平承载要求较高时，宜通过现场水平载荷试验确定水平承载力，这对于掌握实际场地条件下桩在水平荷载下的受力情况，合理确定单桩水平承载力更为直接和可靠。

5．3 计算弯矩与实测对比

S1试桩在桩身贴光纤传感器得到了桩身在开裂前的实测桩身弯矩。采用m法计算在水平荷载72．5 kN时对应试验点水平位移为10 mm的桩身弯矩，m值取试验反算的10 MN/m4。在此荷载水平下，实测桩身弯矩和采用m法计算的桩身弯矩比较如图3所示。从图3中可以看出，实测弯矩和计算弯矩的最大弯矩点位置基本是重合的，数值上采用m法计算的数值稍低为70 kNm，实测数值为77 kNm。根据场地土层情况，按照规范建议的经验参数值为1．5～3 MN/m4进行桩身弯矩估算，也反映在图4中，可以看出按经验参数进行计算的桩身弯矩，其最大弯矩值比实测值要大，且最大弯矩点的位置比实测最大弯矩点位置要低1．0m左右。