灌注桩水平静载试验在混凝土工程的运用

郭长柱 王伟伟

【摘要】通过灌注桩的水平静载试验实例，分析桩的水平临界荷载、极限荷载及地基土水平抗力系数的取值，对基桩的水平承载力性状予以深入探究。桩基作为一种重要的基础形式，在岩土工程中应用广泛，对于安全等级要求较高的重大工程项目，往往需要通过原位水平静载试验确定基桩的水平承载力，本文结合改造工程，重点介绍了采用ASTM标准对冲孔灌注桩进行水平静载荷试验的过程。

【关键词】基桩；水平承载力检测；静载试验。

1. 桩的水平承载力的检测

桩基静载试验是一项方法成立，理论上无可争议的桩基检测技术。在确定单桩极限承载力方面，它是目前最为准确、可靠的检验方法，判定某种动载检验方法是否成熟，均以静载试验成果的对比误差大小为依据。因此，每种地基基础设计处理规范都把单桩静载试验列入首要位置。基本原理该方法的基本原理是以一组完全的单桩竖向抗压静载荷试验Q—s曲线为基础，取该曲线的前几级荷载下沉降原始数据进行分析，进而对Q—s曲线的发展趋势作出预测。考虑到一般静载荷试验做到破坏时的加荷级数为10—15级。故一般取前10级建立相应的GM（1，1）模型进行预测。预测所选用的级数少，经济效益越明显：预测时所选用的级数多，预测精度会有所提高，但当级数过多时，就失去了预测的意义。灰色预测方法对于以沉降控制来确定承载力的大直径桩、超长桩和嵌岩桩效果明显。桩的水平承载力取决于桩和土的力学性能、桩的自由长度、抗弯刚度、桩宽、桩顶约束等因素。其检测方法为桩的水平静载试验。该方法为原位测试方法，具有测试准确的优点。以第k级荷载下的沉降量△S（k）为一个数据，可以得到一组数据序列△S，△S（△S（1），△S（2），…，△S（k））。将S进行累加生成可得到另外一组数据，S=（S（1），S（2），…，S（k））。其中，其中S（k）为第k级荷载作用下的累加沉降量。对于等量加荷试验，可对S（k）建立如下的GM（1，1）预测模型：式中 、u—待定系数；由最小二乘法，可有下式得到待定系数、u：式中 则这样我们就可以得到不同荷载下响应的沉降量，进而就可以确定对应沉降下单桩的竖向抗压承载力值。

水平静载荷试验法的是主要作用：1）确定单桩水平临界荷载和极限承载力，推定地基土的水平抗力系数，为设计提供依据；2）判断水平承载力或水平位移是否满足设计要求，为工程桩验收提供依据；3）通过桩身应变、位移测试测定桩身弯矩分布曲线。水平静载试验测得的“地基土的水平抗力系數”反映了桩侧土抗力和水平位移之间的关系，作为土的固有特性，它反映了桩周土的反力特性。

2. 工程概况

2.1工程地质条件

工程场地地貌单元为黄河冲积平原。勘察场区地基土分为13层。

2.2桩基工程信息

试桩工程采用采用泥浆护壁钻孔灌注桩， Z1型桩共6根，桩径600mm，桩长20m，主筋为10*φ18钢筋，桩身配筋率小于0.65%。持力层为第⑨层细砂层，桩端进入持力层不小于1m，桩顶标高为场地自然地坪以下1.0m。混凝土强度等级为C30。

3. 桩的水平静载试验方法

3.1试验设备及要求

试验采用静载荷测试仪、油压千斤顶、测力传感器、位移传感器及球铰等设备。静载试验反力由邻近试验桩提供。试验要求：试验坑开挖至设计桩顶标高，设备安装时确保试桩上力的作用点为设计桩顶标高处且通过桩身轴线。在水平力作用平面的试桩两侧对称安装2个位移计，以测量地面处试桩的水平位移，固定位移计的基准点设置在与水平力作用方向垂直的试桩两侧，与试桩的净距大于1倍桩径。

3.2试验方法

试验采用慢速维持荷载法，逐级等量加载。Z1试桩4#、5#、6#桩分级荷载分别为12.5、15、18kN。每级荷载施加后，分别按第5、15、30、45、60min测读水平位移，以后每隔30min测读一次位移量；当每小时水平位移量不超过0.1mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后的第30min开始，按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算），即认为位移稳定可加下一级荷载，直至终止荷载。后分级卸载至零。

3.3终止加载条件

当出现下列情况之一时，可终止加载：

1）桩身折断；

2）水平位移超过30～40mm（软土取40mm）；

3）水平位移达到设计要求的水平位移允许值。

4. 静载荷试验成果分析

4.1 检测数据的处理

1）根据试验数据，分别绘制水平力-力作用点位移（H-Y0）曲线、水平力-位移梯度（H-ΔY0/ΔH）曲线、力作用点位移-时间对数（Y0-lgt）等曲线；绘制水平力、水平位移-地基土水平抗力系数的比例系数的曲线（H-m、Y0-m）。

2）计算m值：

式（1） 式（2）

式中：m——地基土水平抗力系数的比例系数（kN/m4）；

α——桩的水平变形系数（m–1）；

νy——桩顶水平位移系数，由式（2）试算α ，当αh≥4.0时（h为桩的入土深度），vy =2.441；

H ——作用于地面的水平力（kN）；

Y0——水平力作用点的水平位移（m）；

EI——桩身抗弯刚度（kN·m2）；其中E为桩身材料弹性模量，I为桩身换算截面惯性矩；

b0——桩身计算宽度（m）；对于圆形桩：当桩径D≤1m时，b0=0.9（1.5D+0.5）；

当桩径D>1m时，b0 =0.9（D+1）；对于矩形桩，当边宽B≤1m时，b0 =1.5B+0.5，当边宽B>1m时，b0 =B+1。

4.2桩的水平承载力确定方法

1）单桩的水平临界荷载（Hcr）的确定：

1 取H-ΔY0/ΔH曲线或lgH-lgY0曲线上第一拐点对应的水平荷载值；

2 取H-σs曲线第一拐点对应的水平荷载值。

2）单桩水平极限承载力（Hu）的确定：

1 取慢速维持荷载法时的H-Y0曲线发生明显陡降的起始点对应的水平荷载值；

2 取慢速维持荷载法时的Y0-lgt曲线尾部出现明显弯曲的前一级水平荷载值；

3 取H-ΔY0/ΔH曲线或lgH-lgY0曲线上第二拐点对应的水平荷载值；

4 取桩身折断或受拉钢筋屈服时的前一级水平荷载值。

3）为设计提供依据的Hcr和Hu，当极差不超过平均值的30%时，取算术平均值为统计值。

4.3桩的水平承载力检测结果

1）单桩水平临界荷载（Hcr）：Hcr值根据H-Y0关系曲线中的线性段终点及水平力-位移梯度（H-ΔY0/ΔH）关系曲线的第一拐点综合判定，取值范围为87.5～90.0kN，对应水平位移3.46～5.05mm之间，Hcr统计值为89.1kN。

2）单桩水平极限荷载（Hu）：Hu值根据H-Y0关系曲线中的明显陡降段的起点及H-ΔY0/ΔH关系曲线的第二拐点综合判定，取值范围为125～135kN，对应水平位移10.81～12.89mm之间，Hu统计值为128.6kN。

3）地基土水平抗力系数m值：由图三、四，在水平临界荷载值的m值为13.7×103～25.7×103 kN/m4。由曲线可知：H、Y0与m值均呈幂函数曲线衰减形态，对于同种桩型，由于桩身抗弯强度、桩身计算宽度和桩顶水平变形系数等参数相同，m值只与H、及Y0有关，且在相同的水平临界荷载下， Y0越大，地基土的变形越大，水平抗力系数越小。

5.结论

5.1单桩水平临界荷载（Hcr）是混凝土桩受水平荷载时桩周土的塑性区逐渐开展扩大、桩身受拉区混凝土明显退出工作前的最大荷载值；

5.2单桩水平极限荷载（Hu）是桩受水平荷载，桩周土体破坏后，桩身折断及桩身钢筋应力达到屈服时的前一级水平荷载值；

5.3地基土水平抗力系数m值反映了桩周土的水平反力特性，同场地、同桩型下，地基土的m值由Y0确定。