大直径灌注桩水平承载特性及规律研究

王亚强，曹建军（.中交第一航务工程局有限公司，天津 30046；.南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏 南京00）



大直径灌注桩水平承载特性及规律研究

王亚强1，曹建军2
（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏 南京210022）

由于水平荷载作用下桩土相互作用的复杂性，准确分析桩基水平承载力特性往往较为困难。基于某港口挡潮闸工程水平承载桩静载试验，对淤泥质地基中不同直径及桩长的灌注桩进行现场水平承载力试验。

灌注桩；静载试验；极限承载力；桩身弯矩

引　言

在一般建构筑物中，桩基通常是用作承担结构物自身或者外界竖向荷载，满足沉降变形要求［1～2］，随着港口、桥梁、高耸塔型建筑、近海钻采平台、挡土墙等结构的快速发展，桩基除了承受部分竖向荷载，其水平承载力特性更为重要［3～4］。

港口工程桩基通常都要穿越较厚的软土层，使桩端嵌入较硬的土层或岩层，此时桩基础不仅受竖向的垂直荷载，最主要是受水平荷载，有时在设计中其成为控制荷载。对于桩基在水平荷载下的受力及破坏机理，国内外学者对其做了较多研究，得到了一些有价值的结论及水平承载力计算方法，但各种方法都有其特定的适用范围［5～10］。以m法为例，规范［5］规定不同的地基处理类型在不同的土层中m法的取值不同，规范给了一个大概的取值范围，但实际工程由于其现实的复杂性，参数本身也是一个状态量，合理的确定参数是很不容易的，针对某些大型的I类重要型的建筑（构筑物），规范建议要做水平承载桩静载试验为合理设计提供参数，确保工程的顺利完成、安全运行。

本文基于某港口挡潮闸枢纽工程桩基水平承载力测试项目，该挡潮闸枢纽工程地处出海口，淤土广泛分布，淤土有高含水率、高压缩性、高空隙比等特点，特殊地基处理本身就是一个难点，挡潮闸又要承受巨大的水平荷载（船舶靠岸、波浪力、水流力等），加上可供参考的同类工程较少，鉴于此对该挡潮闸桩基开展水平承载桩静载试验，分析了淤泥土地基中大直径灌注桩水平承载力特性，对类似工程有所借鉴作用。

1　现场试验条件

1.1地质条件

示例工程位于新沭河临海口，地貌分区属沂沭丘陵前缘带状平原区，地貌形态属第四纪滨海相沉积而形成的海滨滩涂。场地淤土广泛分布，淤土有高含水率、高压缩性、高空隙比等特点。为了确定场地内挡潮闸桩基水平承载力，确保挡潮闸安全稳定性，在现场进行几根试验桩水平承载力测试，土层地质参数如表1所示。

表1　土层厚度及参数

1.2测力元件的埋设

本桩基水平承载力试验包括3根不同尺寸灌注桩水平推力试验。3根试验桩尺寸大小如表2所示。

表2　试验桩基本参数

试验为量测施加水平推力时桩身内力分布，在灌注桩钢筋笼和桩侧土体中埋设了测力元件—振弦式钢筋计。钢筋计直径Φ12 mm，其按照设计位置分别焊接在钢筋笼上不同高度处，每根桩共埋设钢筋计 20个，对称分布在不同高程处，用于量测施加水平推力时桩身应力分布，从而得弯矩及其它内力分布。

2　试验结果分析

2.1临界和极限荷载影响因素分析

本次试验用桩为非工程桩，故试验加载至荷载维持不住为止，试验结束时桩顶水平位移一般达到80 mm左右，由于桩侧土体性质较差，试验结束时桩体没有发生破坏，试验完成后的低应变检测印证了这一点。

1）桩径对临界荷载和极限荷载的影响

选择直径0.8m的b2桩和1.2m的a1桩进行分析，其中上下表距0.7m，根据试验数据分别绘制各桩水平力和水平位移关系曲线、水平位移梯度曲线分别如图2～图5所示。

图2　b2桩水平力与水平位移曲线

图3　b2桩水平力与力位移梯度曲线

图4　a1桩水平力与水平位移曲线

图5　a1桩水平力与力位移梯度曲线

b2桩在水平荷载增加至120 kN时，力作用点水平位移已达到7.57 mm，此时桩土接触处出现微小斜裂缝，水平荷载加至240 kN时，水平位移达到72.64 mm，此时荷载已维持不住，试验终止；a1桩在水平荷载为300 kN时，水平位移为6.5 mm，水平荷载为600 kN时，水平位移与前几级相比变化比较连续，待加荷载至660 kN，水平位移发生突变，荷载维持不住，试验终止。

对比图3和图5，b2桩的临界荷载和极限荷载分别为160 kN和240 kN左右；a1桩临界和极限荷载分别为360 kN和480 kN，0.4m桩径增大对临界和极限荷载的提高幅度分别为125%和100%。

通过不同桩径灌注桩的临界和极限荷载的对比可见，增大桩径可以明显的提高单桩水平承载力，且提高幅度较大；从位移角度分析可见，桩径增大可以有效的限制桩顶位移，建议位移控制桩基设计中，首先考虑增大桩径来提高桩基水平承载力。

2）桩长对临界和极限荷载的影响

b3桩水平力与水平位移和水平力与力位移梯度关系曲线分别如图6和图7所示。由临界和极限荷载的确定方法得 b3桩临界和极限荷载分别为120 kN和200 kN，由于b2桩临界和极限荷载分别为120 kN和200 kN，通过临界和极限荷载的对比可见，桩长增大5m对临界和极限荷载没有影响，可知16m的桩长在该区域已经超过有效桩长，故在淤土地基设计中要考虑有效桩长的影响，做到合理设计。

图6　b3桩水平力与水平位移曲线

图7　b3桩水平力与力位移梯度曲线

2.2桩身弯矩影响因素分析

由于桩身埋设了钢筋应力计，可以测得桩身对称分布的应力，假定混凝土没有开裂，则弯矩计算公式有材料力学可得：

式中：b0为同一测试断面处拉、压应变测点间距（m）；I为桩截面惯性矩（m4）；E为桩体弹性模量（MPa）。

根据单桩水平承载静载试验实测分析不同桩径、桩长、场地条件对弯矩分布的影响。

1）桩径对桩身弯矩的影响

由实测各桩在各级荷载下弯矩分布，分析不同桩径对桩身弯矩的影响，各桩在各级荷载下弯矩沿桩身分布曲线分别如图8～图9所示。

由图可见，桩身弯矩主要发生在桩体上部，且弯矩值随水平荷载的增加而逐渐增大，在临界荷载以内，土体处于弹性阶段，弯矩变化相对比较均匀，超过临界荷载后，弯矩增幅较大，原因是上部土体逐渐屈服，由于超过临界荷载弯矩值参考价值不大，故本文没有给出。

由图8～图9可知，影响桩体水平承载力的土层主要在7m以上，其下的弯矩值很小即土体对桩的水平承性能贡献很小，可见为提高桩的水平承载能力，改善上部土体物理力学性质效果比较明显，泥面8m以下弯矩值趋于0，说明设计桩长完全满足有效桩长要求，且有较大裕度，桩身最大弯矩发生在泥面以下3m左右，且随着荷载的增加最大弯矩点的位置有向下移动的趋势，但变化幅度不大。

对比图8和图9，可见增大桩径对提高桩基抗弯能力的效果相当明显。通过上述数据可见增大桩径可以有效的提高桩基抗弯能力，且在荷载较大时这种提高幅度表现的比较明显。

图8　b2桩各级荷载下弯矩分布

图9　a1桩各级荷载下弯矩分布

2）桩长对桩身弯矩的影响

根据现场试验结果，b2桩在水平荷载为80 kN 和120 kN时桩身最大弯矩值分别为197.3 kN·m和285.4 kN·m；b3桩在水平荷载为80 kN和120 kN时时桩身最大弯矩值分别为201.9 kN·m和282.6 kN·m。水平荷载为 80 kN时 b2桩与 b3桩桩身应变之比为0.98，此时桩长增加5m对桩基抗弯能力的提高幅度为2%；水平荷载为120 kN时，b2桩与b3桩桩身应变之比为1.01，比值说明，此时b2桩桩身应变大于b3桩，即桩长的增加不能没有提高桩基抗弯能力，反而有微小的降低，造成这种结果的原因是现场采集数据时有一定误差。通过上述对比及数据分析可见，增大桩长对提高桩基抗弯能力效果甚微，原因是此时的桩长已经超过有效桩长，再次印证了上面的结论，即桩长完全满足设计要求，且有较大富余。

3　结　论

1）桩径的增加可以较大幅度的提高桩基的临界和极限荷载。桩径增大0.4m对单桩临界和极限荷载的提高幅度分别为125%和100%，可见增大桩径是提高桩基水平承载力最直接、最有效的方法。

2）当桩长超过该地区的有效桩长时，增大桩长对提高桩基水平承载力或限制桩身水平位移效果甚微，由试验增大桩长对水平承载了几乎没有影响可知试桩桩长完全满足该地区的设计要求，且有较大富余。

3）桩身的位移和弯矩都集中在桩身上部，最大弯矩点的位置在桩身中部偏上，根据水平承载桩的特性，在结构设计中应对桩身上部采用箍筋加密布置的方式来增加其抗弯能力。

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［3］俞武华，宋磊鹏.某码头工程大直径嵌岩桩的承载力试验［J］.港工技术，2012，49（6）：18-20.

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［8］谢耀峰.港口工程桩基水平承载力和负摩擦力的研究［D］.河海大学，2003.

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Research on Lateral Bearing Capability and Rules of Large-diameter Driven Cast-in-place Pile

Wang Yaqiang1，Cao Jianjun2
（1.CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China； 2.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210022，China）

It is difficult to accurately analyze the lateral bearing capability of pile foundation due to the complexity of pile-soil interaction under the lateral load.Based on the static test on the lateral bearing pile used in the tidal gate project of a port，the field test of the lateral bearing capacity has been done for the cast-in-place piles with different diameters and length driven into silt base.

driven cast-in-place pile； static test； ultimate bearing capacity； flexural moment of pile body

TU473.1+1

A

1004-9592（2016）04-0090-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160422

2015-06-25

王亚强（1982-），男，工程师，主要从事城市轨道交通工程建设。