混凝土灌注桩水平承载性能研究

蔡显珍

（渤海石油航务建筑工程有限责任公司，天津 300450）

0 引言

近年来，随着高层与大跨度建筑物的不断增加，在地基、荷载以及变形等方面的控制要求也越来越严格，同时为混凝土灌注桩提供了更为广泛的应用空间。由于混凝土灌注桩桩基沉降量小、承载力大以及结构稳定程度良好等优势，有利于应对各种荷载性质与地基条件。但是，由于工程场地土层类型的复杂性与多样性，会对混凝土灌注桩的水平承载性能构成影响，进而影响到工程项目整体质量。因此，制定合理的水平承载性能测试方案，可以有效提升桩基的应用质量，对工程项目的顺利完工具有重要意义。

1 混凝土灌注桩技术

在土木建筑工程中，当地基浅层土质无法满足建筑物对地基承载力与变形的要求时，可以采用混凝土灌注桩来配合施工，通过将灌注桩与深土层进行结合，以此强化桩基的深基础能力。尤其是在工业技术飞速发展的今天，混凝土灌注桩应用技术得到了飞速发展，已经在各类施工领域取得良好的应用效果。例如铁路公路大桥、超高层建筑、重型仓储以及港口码头等建筑，都需要结合混凝土灌注桩施工技术，以强化工程整体质量[1]。

混凝土灌注桩基础又被称为桩基，通常情况下由埋在土中的桩身与承台组成。在实际施工中，桩基础可以由单根桩基构成，同时也可以由多根桩基构成，大部分情况下是选用后者，这样可以强化桩基础的稳定结构。此外，上部荷载通过承台传递给桩顶与地基中的桩身，可以有效缓解整体受力情况，利用水平荷载性能调整桩基的水平力与上拔力。混凝土灌注桩通常应用于以下工程情况：

（1）当建筑物荷载系数较大且地基性质软弱时，此时原始地基无法满足建筑结构的稳定性要求，而且无法保证建筑环节与后期应用环节的沉降系数，对建筑物的稳定性构成威胁，因而采用混凝土灌注桩施工方式[2]。

（2）结合工程质量要求、技术指标以及施工条件进行综合分析时，采用混凝土桩基础比天然地基的应用效果更加良好。

（3）当工程项目为超高层建筑物且对整体倾斜程度有严格要求时，采用混凝土灌注桩施工技术。

（4）当大型、重要、精密机械设备的基础对地基有严格要求时，采用混凝土灌注桩施工技术。

（5）如果工程项目建成后的沉降问题会对周边建筑物构成影响，为控制该建筑物的沉降程度，需要采用混凝土灌注桩施工技术。

2 水平承载性受力分析

水平承载桩的工作性能主要取决于土层与桩身的相互作用。无论是部分埋置方式还是完全埋置方式，桩身周围的土体都会与之产生对抗，进而承担水平荷载。尤其是桩身在水平荷载力矩的影响下容易造成弯曲现象，也就是桩身产生弯曲应力与水平变位。在此过程中需要对桩身产生的外力进行承担，以此改变土层结构应力对桩身位置产生的影响[3]。

当桩身的水平荷载系数较低时，这一抗力主要来自于靠近地面的土体，而且土的变化程度取决于相关的弹性系数。也就是桩身在下沉过程中，其周围土体始终处于弹性压缩阶段，当水平荷载系数逐渐增加时，桩身的下沉情况也会随着周围土体应力情况而改变，进而使水平荷载向更深度的土层传递，当深度土层的整体结构无法控制时，便会导致桩身失去稳定性，也就是土体与桩身之间的关系被破坏[4]。

因此，分析混凝土灌注桩的水平承载性时，不外乎解决两个问题，即桩身变形问题与桩身极限承载力。具体可以采用弹性理论法、极限地基反力法、弹性地基反力法以及线弹性地基反力法等方式。

（1）弹性理论法。对桩身周围土体的弹性系数进行假定，并且根据变化规律将桩身的长度与直径分为若干微段，同时根据无限体中承受水平力的情况，计算桩身的位移数值，使用有限差分的方式进行表达，以此得到每一微段的水平承载能力。

（2）极限地基反力法。认定结构破坏来源于土中，该计算方式适用于埋入深度较大的灌注桩，而且对桩身刚性也有要求，通常不适用于柔性桩。如果桩身较长且柔性系数较高时，桩身本体不会产生刚体平移，因此桩身周围的土体不可能同时达到屈服极限。

（3）线性弹性地基反力法。假定地基为服从胡克定律的弹性体，也就是一定类别的土质达到对地基反力的模型。然而该假定忽略了桩身周围土质的相互影响与连续性，因此在分析水平承载性能时会产生部分偏差[5]。

3 混凝土灌注桩水平承载性能试验

3.1 水平荷载试验

混凝土灌注桩水平荷载试验的目的是充分了解水平荷载作用下转桩身的强度特征与变化值，因此主要测试内容包括桩身在不同情况下的内力、桩顶水平变形情况以及桩底水平变形情况。此外，在进行单桩水平荷载性能测试时，还要满足以下要求：

（1）针对试桩的承载能力进行测定，检验与测定试桩的水平承载能力的主要目的是对水平位移曲线进行测定，以此分析桩身与地下土层的相互作用关系，同时还可以参考桩身的实际变化情况进行判定。

（2）针对桩身与桩顶荷载系数进行研究分析，进而明确水平力与水平位移之间的相互关系。

（3）准确测定桩身在各类荷载作用下的挠度与弯矩情况，以此判断桩身的弯矩与内力分布情况。

3.2 现场试验

针对某工程项目中的单桩水平荷载性能进行实地试验。具体情况：试验桩为混凝土灌注桩，桩底标高30.135 m，位于砂土层上部的粉土层中，桩底标高12.635 m，位于砂土层中，试验桩整体桩长17.5 m，配筋模式为HRB400，试验桩桩径600 mm，采用C30 型号混凝土进行灌注，本次试验中的最大水平荷载数值为300 kN。该工程项目施工现场的土层结构依次为填土层、粉土层、砂土层、黏土层和砾土层。

试验过程中采用反力架设备，同时采用千斤顶施加水平力。加载方式采用分级观测模式，将荷载分级设计预估值范围设置成最大荷载的1/10～1/15，并且初次采用150 kN 的荷载，随后的试验采用15 kN 递增的方式，逐渐增加至300 kN。

3.3 数据处理

（1）钢筋受力。通常情况下，安装在混凝土灌注桩内的钢筋会受到整体结构与张紧程度的影响，从而使钢筋计的自振频率发生变化。因此在使用钢筋计时，要准确计算其受力与输出频率之间的实际关系，这样可以根据试验得到的钢筋计输出方式计算钢筋受力，在确定钢筋不会受到外在因素与各种应力的影响后，便可以明确混凝土灌注桩的整体结构[6]。再结合桩身与周围土层的相互影响关系，为水平承载性能的计算与控制提供数据支持。

（2）桩身截面弯矩。需要根据材料力学中关于桩身的相关系数进行验证。通过测量拉压应变测点的实际间距，并结合桩身的符合模量，不仅能计算出桩截面对中性轴的惯性弯矩，还可以对桩截面上两个钢筋计的轴向应变差进行计算，根据计算出的钢筋弹性模量、钢筋计受力以及钢筋横截面积，对土体的影响程度进行计算。

（3）桩身挠曲线。桩身转角与挠度可以直接由桩身截面中不同测点的轴向应变点位差值计算，而且这种分析方式具备误差小的优势，可以大幅度提升挠度曲线的计算精度。

3.4 结果分析

根据水平荷载性能分析方式，对混凝土灌注桩的实际情况进行测试，可以分别计算出临界荷载、极限荷载以及钢筋计的相关测量结果。

（1）临界荷载测量结果分析。混凝土桩身的最大弯矩断面会受到拉开区域与保护层之间断裂状态的影响，为保证这种断裂形式不会破坏桩身的整体结构，根据实际情况制定临界状态。通过力与位移曲线的观测，当断裂系数所产生的水平荷载变化系数为120 kN 时，该荷载引起的位移量比上级有明显增加的状态，因此可以确定桩身的临界荷载数值为120 kN，同时还能得到相应的水平位移为2.47 mm。

（2）极限荷载测量结果分析。当混凝土桩身最大弯矩断面受到拉面影响时，桩身内部钢筋发生屈服状态称为极限状态，也就是水平荷载情况与极限荷载相同，因此在该荷载系数的影响下，桩身与周围土体之间的相互关系会产生明显变化，因此可以确定桩身的临界荷载数值为270 kN。当然，整个桩身的长度也会对极限荷载数值造成影响，并且在桩身的深度与反弯点都不确定时，能够分析出桩身周围的土体变软，会导致反弯点下移。当桩顶变形范围较大时，桩身周围的土体则会变硬，在此过程中反弯点不会产生变化。

4 结语

综上所述，混凝土灌注桩的水平承载性能取决于桩基与土体之间的相互作用。在水平荷载作用下，灌注桩身的弯矩在一定程度内会出现较为突出的峰值，而且在灌注桩入土深度越来越大时，灌注桩自身的弯矩也会随之降低。此外，本研究结合工程案例进行分析，根据实验结果可知，灌注桩的水平承载性能主要受地下土质情况的影响，因此施工前要对土质情况进行勘察，并保证勘察结果的准确性，明确加载方式对桩基的影响程度，这样才能减少桩身施工中的水平位移，进而强化混凝土灌注桩的水平承载性能。