单桩水平静载试验各项测试参数分析

张开伟，郅正华，李志勇

(河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031)

单桩水平静载试验各项测试参数分析

张开伟*，郅正华，李志勇

(河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031)

单桩水平静载试验主要用于确定桩基的水平承载力，其次用来了解桩基在水平荷载的作用下其内力变化和位移变形。通过实际桩基检测项目采用慢速维持荷载法结合钢筋应力测试技术对单桩水平静载试验所涉及的大部分试验参数进行测试，对桩基水平抗力、拉-压应力、弯矩、挠度及土抗力-位移变化等参数进行计算，详细地分析试验桩基在水平荷载的作用下的变化状态及结果。

桩基础；单桩水平静载试验；变形计算；应力计算

1 前 言

桩基静载试验是一种获取桩基承载特性的最直接方法，理论上是无可争议的桩基承载力检测技术，在确定单桩极限承载力方面，它是目前最为可靠和准确的测试方法，因此，不同行业中地基基础设计处理规范都把桩基静载试验列入首要位置。作为桩基静载试验重要的一种组成部分，单桩水平静载试验与单桩竖向抗压静载试验相比，桩基的水平受力特性更为复杂。单桩水平静载试验主要用于一些安全等级要求较高的重大工程项目中，目前，确定桩基水平承载力的理论方法主要有P-y曲线法、NL法及弹性地基反力法。弹性地基反力法主要基于Winkler地基模型，将桩周土看作弹性体，用梁的弯曲理论求解土抗力，同时假设桩侧抗力仅与土的深度和桩的挠度有关。根据地基反力系数K的不同假设，弹性地基反力法又可以分为c法、K法、m法及常数法等。文章利用弹性地基反力法中的K法对国内某城际高速铁路混凝土灌注桩的单桩水平静载试验数据进行综合计算分析，通过对桩基水平抗力、拉-压应力、弯矩、挠度及土抗力-位移变化等参数的计算结果，详细地了解试验桩基在水平荷载的作用下的变化情况及结果。

2 试验项目试桩概况

该项目试桩位置位于天津市北辰区，在线路里程为DK103 +187下行方向左侧 15.0 m。本试验区为一组试桩，包括3根试桩和8根锚桩，均采用钻孔灌注成桩工艺，桩径均为 1 000 mm，桩长均为 52.9 m，桩身混凝土强度等级均为C30。试桩桩顶以下一倍桩径范围内设 3 mm～5 mm厚钢护筒围裹，为便于水平载荷试验，试桩配筋上部 0.0 m～12.0 m为30φ20，下部 12.0 m至桩底为15φ20。锚桩配筋为20φ32，全桩长等截面配筋率。具体的岩土参数如表1所示。

各土层参数表 表1

3 试验设备安装及过程方法

试验采用《建筑基桩检测技术规范》规定的慢速维持荷载法。施加荷载采用锚桩作为反力支墩，具体观测安装图如图1所示。采用油压千斤顶施加水平力，水平力作用线须通过地面标高以下 0.5 m处，且低于桩顶以下 0.5 m。荷载监控根据油压表和千斤顶的率定曲线或荷重传感器进行控制。桩身产生水平位移时，通过安置在桩身水平力作用平面上和其上 50 cm(注：须准确测量上下位移传感器之间的距离)处的位移传感器进行观测。加载应均匀、无冲击、分级进行，每级加载量预估为 30 kN～50 kN。水平位移未达到稳定，不得进行下一级加载。每级加载后的观测时间为：每级加载完后立即观测，然后第1小时内每隔 15 min观测1次；第2小时内每隔 30 min观测1次；第3个小时起，每1小时观测1次。

图1 单桩水平静载试验装置图

桩基施工时在试桩的钢筋笼主筋上同轴焊接安装了由北京建筑科学研究院生产的CGJ-YB-φ20的钢筋计。各桩钢筋计测试断面分布位置(自桩顶向下计算深度)如表2所示。

钢筋应力计检测断面分布位置 表2

4 试验资料整理分析

受到文章篇幅限制，本文只拿该项目的S1号桩基的单桩水平静载试验结果进行分析。

4.1 水平承载力取值

根据试验数据绘制水平力-时间-位移(H-t-Y0)曲线、水平力-位移梯度(H-△Y0/△H)曲线及其他辅助解释曲线。单桩水平临界荷载取H-t-Y0曲线出现突变(相同荷载增量的条件下，出现比前一级明显增大的位移增量)点的前一级荷载，或取H-△Y0/△H曲线第一直线段的终点。单桩水平极限荷载取H-t-Y0曲线出现明显陡降的前一级荷载，或取H-△Y0/△H曲线第二直线段的终点对应的荷载。

图2 S1号试桩单桩水平载荷试验曲线图

试桩H-Y曲线分析：从图2H-Y曲线形态可知，当水平荷载小于 240 kN时，试桩水平位移较小，从曲线形态看，240 kN对应于第1直线段的临界位置，试桩水平承载力特征值可取为Ha=240 kN，当水平荷载为 320 kN～480 kN时，桩身水平位移开始明显增大，每级水平位移达到 8 mm以上，说明试桩已经从弹性变形状态开始进入渐进破坏状态，因此可取最大加载量的前一级400 kN作为该桩的水平极限承载力Hu。

试桩H-△Y/△H曲线分析：从图2H-△Y/△H曲线可知，H-Y曲线的第1拐点为 240 kN，第2拐点为 400 kN，两个特征点分别对应试桩的临界水平承载力(或承载力特征值)Hcr=240 kN和试桩的水平极限承载力Hu=400 kN。辅助曲线分析结果和H-Y曲线分析结果一致。

4.2 地基土水平抗力系数的比例系数m取值

地基土水平抗力系数的比例系数m根据试验结果及相关参数按下列公式计算：

式中：m—地基土水平抗力系数的比例系数(MN/m4)；Hcr—单桩水平临界荷载(kN)；xcr—单桩水平临界荷载对应的位移(mm)；vx—桩顶位移系数，可在检测规范查表确定；b0—桩身计算宽度(m)，在圆形桩，当直径d≤1 m时，b0=0.9(1.5d+0.5)EI—桩身抗弯刚度。

通过以上公式计算可得该桩地基土水平抗力系数的比例系数m如表2所示。

S1号试桩地基土水平抗力系数的比例系数m成果表 表2

图3 S1号试桩m值计算分析成果图

地基土水平抗力系数的比例系数m分析：根据图3可知，地基土水平抗力系数的比例系数m随水平荷载的变化曲线，当Hcr=240 kN时，m=7 511 kN/m4，根据曲线变化特征回归得到的m随H的变化规律为m=3×107×H-1.6732(kN/m4)，曲线拐点位置相当于Hcr=240 kN。

4.3 桩身受力特征分析

根据各观测断面实测钢筋受力数据，计算整理如图4所示。由于地基土抗力作用，同一荷载级别时拉应力小于压应力。第5级荷载时，6 m位置拉应力明显增大，从图中可以看出最大加载量时最大应力集中在 6 m深度附近。

图4 S1号桩基桩身实测应力分布图

4.4 桩身弯矩分布分析

通过试验测得各测试截面测点位置的拉应力和压应力，试验测点位置靠近水平力作用平面与桩横截面边缘的交点，实测应力相当于截面最大应力(拉及压应力)。混凝土未开裂时的截面弯矩按下式计算：

式中：M—测试截面的弯矩(kN·m)；σ拉—受拉侧测试的应力值；σ压—受压侧测试的应力值；d—受拉和受压传感器之间的间距(m)；Iz—观测截面惯性矩m4。

计算桩身弯矩时，按照混凝土允许抗拉强度结合实际拉应力变化特征进行受拉面混凝土开裂修正，修正量根据截面轴向拉力和压力平衡条件确定，也可参照图5所示方法进行近似修正，计算公式如下：

图5 混凝土开裂校正示意图

式中：σ′拉—根据钢筋应力计算的混凝土应力。

根据实测受拉钢筋的最大拉应力计算截面弯矩，截面抗弯模量由全部纵向主筋对桩轴心的惯性矩和混凝土桩身对其轴心的截面惯性矩之和计算而得到，为简化计算，混凝土弹性模量取为 21 000 MPa(与抗压试验观测值相当)，钢筋弹性模量取 210 000 MPa。计算获得的弯矩分布曲线如图6所示，图6曲线形态表明，在最大加载量时，最大弯矩点出现的桩身的 6 m深度。最大弯矩点实测应力特征如图7所示，第1拐点位于 320 kN，与前面测试曲线确定的临界荷载高一级荷载，第2拐点位于 400 kN，与其他观测资料对应，即极限承载力Hu=400 kN。

图6 S1号桩基桩身弯矩分布图

图7 S1号桩最大弯矩点钢筋应力变化曲线

4.5 桩身挠度分析

根据截面弯矩和挠度的关系进行数学运算得到挠度分布曲线。弯矩和挠度的关系为：

式中：y—桩的水平位移(m)；z—深度(m)；M—截面的弯矩(kN·m)。

上述计算过程中，微分方程的边界条件如下式所示，通过边界条件确定和校核计算结果。

根据截面弯矩分布计算桩身各部位挠度，计算结果见图8所示，计算过程中根据受拉和受压面应力特征确定相应观测截面的挠度方向。由于计算过程对混凝土开裂进行了校正，因此计算挠度较实际观测值小。根据桩身位移曲线特征，受最大水平荷载 480 kN时，桩身固定端位于 6 m～8 m之间，与最大弯矩点位置相比略深。

图8 S1号桩经开裂校正后计算的桩身挠度图

4.6 桩身挠度分析

桩侧土抗力与桩身截面弯矩的微分关系表示为下式所示，通过对弯矩分布的数学运算可求得桩侧土抗力分布。

式中：P—桩侧土的水平抗力(kPa)；b—桩计算直径(m)。其他符号同前。

根据临界荷载(Hcr=240 kN)计算的m=(7511 kN/m4) 值，计算桩侧土反力P(h，y)=m(临界荷载的计算值)×h(计算深度)×y(计算深度的水平位移)×d0(计算直径)，计算结果如图9所示。显然桩侧土反力集中在 8 m以上桩身，且在 3 m左右深度存在峰值，对比地质资料，在 3 m深度存在 1.3 m厚度的坚硬黏土，3.1 m～7.8 m为硬塑状态的粉质黏土，可知计算反力分布与地层的对应情况较好。各观测断面桩侧土反力随桩身位移的变化情况如图10所示，显然最大水平位移发生在 1.5 m，最大抗力位置在 3 m。

图9 S1号桩桩身抗力分布图

图10 S1号桩桩恻土抗力随水平位移变化曲线

5 结 论

(1)文章通过对单桩水平静载试验获取的数据，对桩基水平抗力、拉-压应力、弯矩、挠度及土抗力-位移变化等参数进行了整理计算，详细全面地分析了试验桩基在水平荷载的作用下的变化状态及结果。综合计算结果确定该桩单桩水平承载力特征值(按强度控制)为240 kN，水平极限承载力为 400 kN，对应临界荷载的地基土水平抗力系数的比例系数m=7 511(kN/m4)。

(2)试验加载至最大荷载后，基桩的平均侧向最大位移为 7.66 mm。桩身位移曲线特征显示，受最大水平荷载 480 kN时，桩身固定端位于 6 m～8 m之间，与最大弯矩点位置相比略深，最大加载量时最大弯矩点深度在 6 m附近。计算过程由于对混凝土开裂进行了校正，计算挠度较实际观测值略小，桩身弯矩随着荷载的增大最大弯矩截面有逐渐向桩体下部转移趋势。

(3)桩侧土反力主要集中在 8 m以上桩身，且在 3 m左右深度存在峰值，最大水平位移发生在 1.5 m，最大抗力位置在 3 m。可知在水平荷载作用下，桩体发生弯曲变形部位主要集中在桩身 8 m以上部分，8 m以下的桩身发生变形程度较小。

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Analysis of Static Load Test of Single Pile Test Parameters

Zhang Kaiwei，Zhi Zhenghua，Li Zhiyong

(The Hebei Research Institute of Construction & Geotechnical Investigation Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050031，China)

Single-pile horizontal static load test is mainly used to determine horizontal bearing capacity of the pile，then to understand the piles under horizontal load under the effect of its internal force variation and displacement. Articles actual project used slow speed maintained load contains method combined steel stress test technology on specification in the by involves of most test parameter for test，on pile base level anti-force，and pulled - pressure stress，and bent moment，and deflection and the soil anti-force - displacement changes，parameter for calculation，detailed to analysis test pile base in level load contains of role Xia of changes state and the results.

pile foundation；static load test of single pile；deformation calculation；stress calculation

1672-8262(2016)06-167-05

TU473.1

A

2016—08—04

张开伟(1982—)，男，硕士，高级工程师，主要从事桩基检测、工程物探、工程勘察、基坑监测等方面的生产和科研工作。