现浇加筋大直径薄壁管桩（PCC桩）水平承载力试验研究

张红亮

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

0 引言

现浇大直径薄壁管桩（PCC桩）是由河海大学研制的一种新型桩[1-2]，由专用环形桩靴+双钢管筒+专用中高频振动（液压锤）共同组成。该桩型属于少量挤土桩，采取振动沉模自动排土现场灌注混凝土而成管桩，具体步骤是依靠沉腔上部锤头的振动力将内外双层套管所形成的环形腔体在活瓣桩靴的保护下打入预定的设计深度，在腔体内放入钢筋笼，然后浇筑混凝土、振动拔管。

目前，对PCC桩竖向承载力的研究较多[3-5]，关于水平承载特性的研究较少[6-7]，对加筋PCC桩的水平承载力的研究更少。为了进一步研究加筋PCC桩的水平承载力特性，依托某筒仓基础项目，对加筋PCC桩进行了现场水平承载力试验。

1 试验概况

1.1 地质概况

该场地位于海滨地区，该区域土层分布较有规律，勘察深度内的主要土层自上而下依次为：各土层的特征分别描述如下。

人工填土层（Qml）：

粉质黏土：黄褐色、灰黄色，软塑～可塑状，中塑性，土质不均，夹粉土团及粉土薄层，局部呈黏土。平均标贯击数N=4.0击。

淤泥质粉质黏土：灰褐色，软塑状，中塑性，土质不均，夹粉土团及薄层，局部表现为淤泥质黏土。平均标贯击数N=2.1击。

上述浅表层土分布较稳定，厚度大多在5 m左右，层底高程一般在-0.14～-2.38 m。

①粉土：灰褐色，褐色，以中密～密实状，局部稍密状，土质不均，夹黏性土团及薄层，偶见少量碎贝壳。该层分布连续，层位稳定，全区均可见。层底高程一般在-13.05～-16.48 m。平均标贯击数N=34.0击。

②黏土：灰褐色，褐灰色，软塑～可塑状，高塑性，土质不均，夹粉土团及粉土薄层，含有机质及砂斑。该层分布连续，层位稳定，厚度一般在2～3 m，层底高程一般在-15.24～-18.75 m。平均标贯击数N=4.9击。

③1黏土：黄褐色，局部夹灰绿色斑，可塑～硬塑状，高塑性，土质不均，夹粉土团及薄层。该层分布较连续，局部表现为粉质黏土。平均标贯击数N=15.3击。

③2粉土：黄褐色、褐色、灰色，中密～密实状，局部稍密状，土质不均，夹黏性土团及薄层，偶见少量碎贝壳屑，多夹粉质黏土透镜体或粉细砂透镜体。该层分布连续，层位稳定。平均标贯击数为N=28.4击。

③3粉细砂：黄褐色、褐色、灰色，密实状，土质不均，局部夹黏性土及粉土薄层，含少量碎贝壳。本层分布连续，层位稳定。层底高程一般在-32.12～-36.15 m。平均标贯击数N=46.5击。

桩尖进入③3粉细砂层。

各土层物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physiology-mechanical parameters of soils

1.2 成桩情况

PCC现浇混凝土大直径管桩规格为φ1 250 mm×150 mm×24.5 m，其桩端持力层为勘察报告揭示的③2粉土层，PCC大直径管桩的混凝土强度等级为C30。

为了能够在非软土地区顺利沉桩，在沉桩前，在桩中心采用螺旋钻进行了引孔，引孔孔径400 mm，引孔孔深至24.0 m。PCC成桩机械采用ZD-180Y锤头，沉管规格为φ1 250 mm，壁厚150 mm，桩尖类型为内活瓣，沉管时间为30 min，沉管深度24.5 m，然后放钢筋笼，用时13 min，浇筑混凝土共20 m3，共用时25 min，充盈系数1.45。桩型尺寸及配筋见图1。

1.3 试验情况

试验在成桩25 d后进行。为防止试验时桩头局部被挤压破坏，对桩头1 m范围内进行实心浇筑。为了能够测定桩身在水平作用力下的桩身内力，在钢筋笼两侧安装钢筋计，用于计算应变和绘制桩身的弯矩图。试验加载示意见图2。

图1 PCC桩桩身配筋图Fig.1 Reinforcement map of PCC pile body

图2 水平静载试验加载示意图Fig.2 Loading diagram of lateral static load test

水平推力装置由反力桩、反力架、千斤顶组成，荷载由油泵通过千斤顶施加于桩侧，水平位移由位移计测得。

钢筋计布设位置（对称两根钢筋）为沿直径的对称位置钢筋上。沿竖向钢筋分别布置15个，位置距离桩顶深度分别为：0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m、5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m、10 m、11.5 m、13.5 m、15.5 m、18.0 m、22.0 m。

采用单向单循环加卸载法：加载按设计要求水平极限承载力的1/10分级，每级荷载施加后，恒载20 min卸载时维持10 min，每隔5 min测读1次水平位移，至此完成一级荷载的位移观测。全部卸载后应每隔10 min测读1次残余变形，测读30 min。

2 试验结果分析

2.1 桩身完整性

在水平静载试验前，采用低应变方法对桩身完整进行了检测，检测桩身完整性为I类。

2.2 荷载-位移关系

水平荷载下PCC桩在泥面处的水平力-时间-作用点位移（H-t-Y0）关系曲线和水平力-位移梯度（H-Y0-H）关系曲线如图3所示，由图可以看出，水平荷载较小时，位移随荷载呈近似直线变化，但随荷载的增大，则呈明显的曲线变化，这表明桩土作用由弹性变形阶段过渡塑性变形阶段，桩土相互作用由线性变为非线性。根据规范判定试验结果如表2所示。

图3 水平静载曲线图Fig.3 Curves of lateral static load

表2 单桩水平静载荷试验成果表Table 2 Results of lateral static load test of sigle pile

PCC桩（配筋）单桩水平极限承载力为300 kN，单桩水平临界荷载为210 kN，单桩水平承载力特征值为158 kN。

2.3 弯矩-荷载关系

配筋PCC桩在各级水平荷载作用下，对桩身弯矩进行了测试，弯矩沿桩身深度分布曲线见图4，从图中可以看出，当水平荷载超过300 kN，弯矩急剧增大，桩身最大弯矩主要位于在地面以下4.5～6.5 m处，随着荷载的增加，最大弯矩截面逐渐向深部转移，深度超过12 m以后，桩身弯矩接近于0，说明在试验荷载作用下，桩身12 m以下桩体为嵌固段。

图4 荷载-弯矩图Fig.4 Curves of load-bending moment

PCC桩的水平荷载为300 kN时，桩身最大弯矩为 309 kN·m。

3 结语

通过对加筋PCC桩进行水平静载荷试验，可以得到以下结论：

1）从试验曲线及桩身弯矩来看，加筋PCC桩具有较好的水平承载性，桩的受力反应主要集中在桩身上部，与其他桩型受力特性类似，但PCC桩为现浇薄壁管桩，所以破坏形式主要以桩身破裂为主。工程中对桩身上部加强刚度是十分必要的。

2）试验得到了加筋PCC桩的水平力-时间-作用点位移（H-t-Y0）关系曲线和水平力-位移梯度（H-Y0-H）关系曲线，试验中发现，在现有的最大试验加载条件下，桩土相互作用由线性变为非线性，桩顶施加到荷载300 kN桩顶位移达到9.31 mm，达到极限状态；桩顶施加到最大荷载450 kN时桩顶位移达到50 mm以上，且未达到稳定状态，检查发现桩身开裂。这与相同试验参数的实心桩相比破坏状态类似，说明加筋PCC桩有很好水平承载性能。

3）试验得到了各级荷载下的桩身弯距分布曲线，从试验中所获得的桩身弯距分布曲线可发现，随着桩顶水平荷载的增大，PCC桩身的弯距值随之增大，且最大弯距点的位置有下降的趋势，总的位置在全桩长的1/3～1/2处，桩最大弯距点的位置与一般弹性桩理论结论较为吻合。