PHC管桩水平载荷试验桩身内应力分析研究

2016-09-03朱贤哲安徽省水利水电勘测设计院工程质量检测所

科学中国人 2016年23期

朱贤哲安徽省水利水电勘测设计院工程质量检测所

朱贤哲
安徽省水利水电勘测设计院工程质量检测所

预应力高强混凝土管桩简称PHC桩，由于具有单桩承载力高、应用范围广、沉桩质量可靠、工程造价便宜等优点，在工程建设领域发展较为迅速。通常情况下，桩基既承受竖向荷载又承受水平荷载，受桩基发展历史的影响，人们对桩基水平承载力的研究起步较晚，可借鉴的研究成果甚少。故文章摘录了本人主持的《裕溪节制闸PHC桩基研究课题》中关于“PHC桩水平载荷试验桩身内应力研究分析”的内容，重点介绍“单桩水平临界荷载、极限水平承载力和桩身最大弯矩位置”这三方面的研究成果，供大家参考。

PHC桩；桩身内应力；水平临界荷载；极限水平承载力；最大弯矩位置

1　基本情况

1.1工程概括

裕溪闸枢纽工程位于安徽省无为县、和县交界处巢湖流域裕溪河入长江口4km处，是无为大堤上的大型水利工程，由裕溪节制闸和裕溪船闸组成。其中裕溪节制闸建于1959年，共24孔，其中西部浅孔16孔，东部深孔8孔。依据安全鉴定情况，决定将节制闸闸室结构拆除重建，根据岩土工程勘察资料，设计单位确定对闸室基础采用桩基础，拟采用外径800mm、内径580mm的PHC800B管桩。为对PHC桩的工程力学特性有全面、客观和准确的了解，并为工程设计、科研和实践提供可靠有效的依据，设计单位除对工程进行理论计算、模型实验外，还着重进行了一系列课题研究。

本项目是集工程实践应用、探索与研究为一体的综合型科研课题，共有（科研设计、检测、施工、监理及制桩企业等）10家单位参与，历时1年9个月，成功突破了PHC桩内应力监测领域的10余项难题，项目涉及“单桩竖向静载试验、水平载荷试验、锤击沉桩贯入度、大应变法推定桩基承载力”等多个课题的研究。鉴于贯穿整个课题的核心内容为桩身内应力分析研究，本文将主要介绍《裕溪节制闸PHC桩基研究课题》中关于“PHC桩水平载荷试验桩身内应力分析研究”的研究成果，供大家参考。

1.2试验桩设计布局

本试验地点位于裕溪节制闸闸室下游左岸。共3根试验桩，编号为C5、C6、C7；反力桩共4根，编号为C1～C4。C1～C7桩均为PHC800B型桩，C5、C6桩长为27m，C1～C4、C7桩长为24m。桩位布置见下图。

1.3工程地质情况

在试验桩位置布置一个深度为30.0m的钻孔，工程地质情况如下：

（1）地下第1层：厚度3.2m，人工填土，褐黄色夹灰色淤泥质粉质粘土，表层较湿，0.5M以下湿,可塑状,岩芯刀切面光滑,部分土块有铁锈色斑,岩芯柱状。

（2）地下第2层：厚度12.6m，淤泥质粉质粘土夹粉砂，灰色、粉砂青灰色，饱水，可塑～软塑状，粘附性强，具千层饼结构，水平层理清晰，含腐植质，略有腐臭味。岩芯柱状。

（3）地下第3层：厚度6.4m，粉砂夹淤泥质粉质粘土，粉砂青灰色，淤泥质粉质粘土灰色，饱水，软塑状，粘附性强，水平层理清晰，岩芯柱状。

（4）地面第4层：厚度7.8m，粉砂，青灰色，偶夹腐植质薄层，腐植质层厚2～5 mm，有腐臭味，粉砂层较密实。

2　试验测试原件安装

根据相应工程特点，经研究分析后，桩身内应力、应变测试原件采用的是“振弦式钢筋测力计”。

在水平试验桩C5、C6、C7桩身内安装钢筋计。考虑到沉桩时锤击桩过程中，桩顶附近应变较大，离桩顶太近，应变可能会超过应变计量程，造成钢筋计损坏，因此首个钢筋计埋设在距桩顶2m位置，布设间距为750mm，故钢筋计埋设位置在桩顶以下2.0m～11.75m范围，沿受力（拉、压）方向对称布置，每侧各安装14个钢筋计。

3　试验方法及过程

依据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）、《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)，采用“单向多循环加载法”进行单桩水平静载试验，确定单桩水平临界荷载、水平极限承载力，并确定水平承载力桩身的最大弯矩位置。

3.1现场试验方法

现场试验，采用反力桩作用工字钢梁，通过工字钢梁向试验桩提供水平反力。

3.2试验加卸载及终止条件

本试验中试验桩需要测量桩身应力和应变，根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）第6.3.1条，加载方法选用“单向多循环加载法”。

（1）根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）第6.3.2条，单向多循环加载法的分级荷载应小于预估水平极限承载力或最大试验荷载的1/10。每级荷载施加后，恒载4min后可测读水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环。如此循环5次，完成一级荷载的位移观测。本次试验首级加载10KN，以后各级加载10KN。

（2）根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）第6.3.3条，出现下列情况之一时即可终止加载：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。本试验中，C5桩最大加载200kN，C6桩最大加载130kN，C7桩最大加载220kN。

4　单桩水平静载试验分析

本次试验，C5桩最大加载200kN，C7桩最大加载220kN，均超过单桩水平临界荷载值；C6桩最大加载130kN，未达到水平临界荷载值。故本文选用C5试验桩作为代表桩，阐述其试验分析研究成果。

4.1桩各级水平力作用下的桩身弯矩分布分析

基桩在水平力作用下仍可假设满足平截面假定，根据材料力学知识及相关文献，单桩水平荷载作用下桩身弯矩可以由量测得到的桩身应变来推算求得，则任一截面的弯矩计算公式为：

式中：M——任一截面的弯矩；

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；

ε1——受压区钢筋的压应变；

ε2——受拉区钢筋的拉应变；

d——受拉区和受压区钢筋的中心距离。

根据实测应变传感器的读数可以得到钢筋应变，从而可以得到桩在各级荷载下钢筋和PHC桩身混凝土的最大拉应变和压应变。

根据上式可以进一步得到C5试验桩在各级荷载下桩身各截面的弯矩图，如图4.1。

图4.1　C5桩在各级荷载下桩身各截面的弯矩图

从单桩水平静载试验桩身弯矩图可以看出，水平桩桩身弯矩值随着加载值的增大而增大，在桩顶地面以下11m处弯矩基本为0。各水平桩最大弯矩值位置随着荷载值的增大有所下移，各桩在最终水平荷载作用下其最大弯矩位置相对稳定在桩顶以下5.5± 1m范围内。

同时根据弯矩图判断出，C5桩在外部水平荷载达到200kN时，最大弯矩位置附近处钢筋计读数不稳定，桩身应力波动较大，无法准确确定桩身内部弯矩，此时外部水平力荷载已接近其极限水平力承载力值。故据此判断C5桩的极限水平承载力值约为200kN。

4.2水平力-最大弯矩截面钢筋拉应力（H-σs）分析

根据得出的弯矩值作对比，找出各级水平力作用下最大弯矩值所对应的截面，并作出相应的H-σs(水平力-最大弯矩截面钢筋拉应力)曲线，如下图4.2。

图4.2　C5桩H-σs曲线

从水平力-最大弯矩截面钢筋拉应力（H-σs）曲线以可以看出，钢筋拉应力随着水平力的增加而增加。从C5桩的H-σs曲线中可以发现，在水平力为150kN处明显有第一个拐点，根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)规范第6.4.3条可以确定，试验桩的水平临界荷载值为150kN。虽然此时钢筋应力出现拐点，然而此时钢筋并没有发生屈服现象，因为当外部荷载超过其水平临界荷载后，桩身钢筋应力仍然按照直线趋势发展，且其斜率更大，并没有发生陡降等钢筋屈服特征。出现这种现象的原因可能是当外部荷载达到水平临界荷载值后，桩身最大弯矩处截面出现了裂隙，桩身混凝土退出了工作，桩身钢筋单独承担外部荷载（拉力），钢筋应力显著增大。

另外从前述桩身弯矩图也可以看出，当C5桩水平荷载值超过150kN后，桩身最大弯矩值增长较快。虽然此时桩身没有达到其水平承载力极限值，然而由于桩身裂隙的出现，容易发生桩身钢筋的锈蚀，不利用桩基的耐久性使用，因此为了基桩的长期稳定性使用，不建议工作荷载值超过150kN。

4.3水平力-桩身截面钢筋拉应力（H-σs）分析

根据分析所需要求，另外作出各个试验桩中每个钢筋计的H-σs曲线，选取一些具有代表性的钢筋计进行绘制曲线，图中“-2m、-5m等”代表该处的钢筋计离桩顶距离，同时作直线找出曲线拐点所对应的水平力，曲线如下图4.3所示。

图4.3　C5桩H-σs曲线

从上述图中可以看出各个位置处钢筋应力随着水平力的提高而不断增大，而对于桩顶以下11m处的钢筋，其水平荷载无法传递至该深度，在该处的钢筋应力基接近于0。从上述图中也可以看出，桩顶以下5.5±1m深度范围内钢筋应力最大，这进一步说明了该深度范围内桩身弯矩最大。对于C5水平桩，在5.5±1m深度范围内钢筋应力发生突变，进一步说明了该桩深范围内桩身会出现裂隙，基桩出现裂隙后，钢筋单独承担水平荷载，钢筋应力显著增大。