闸基灌注桩水平承载力现场试验与反演分析

陈灿明，孟星宇，李 致，钱继春，苏晓栋

(1.南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029；2.水利部水科学与水工程重点实验室， 江苏 南京 210029；3.浙江省嘉兴市水利局， 浙江 嘉兴 314000)

软土地基上建设水利工程时，为控制建筑物的整体变形、提高其整体稳定常选择桩基础对地基进行处理，而钻孔灌注桩则是最常用的桩型[1-2]。某节制闸为钢筋混凝土结构，闸室2孔、单孔净宽12 m，整体底板，闸室顺水流向长18 m，垂直水流向宽30 m，卧式平面钢闸门，固定卷扬式启闭机，由于闸室基础为软土地基，为提高水闸的整体抗滑稳定，减小整体变形，采用桩径0.80 m、桩长32.04 m、混凝土强度等级C25的钢筋混凝土钻孔灌注桩进行基础处理。闸室段钻孔灌注桩顺水流向桩间距3.0 m，垂直水流向桩间距2.5 m，灌注桩桩底持力层位于V1黏质粉土层，单桩水平承载力设计标准值80 kN，竖向抗压极限承载力标准值950 kN。

为了确保钻孔灌注桩单桩水平承载力满足设计标准值80 kN的要求，首先采用反射波法和高应变法检验灌注桩桩身完整性，通过水平荷载试验确定灌注桩的水平极限承载力，并基于ABAQUS有限元和地质勘察资料，对灌注桩在水平荷载作用下的承载性能进行反演分析，为类似工程的桩基优化设计提供了技术支撑[3-5]。

1 灌注桩施工控制与桩身完整性检验

1.1 主要施工控制

钻孔灌注桩采用正循环钻孔法成桩。根据灌注桩位置钻机定位后，检查平台平正度、稳固性及钻杆垂直度，钻进过程中泥浆比重控制在1.2 g/cm3，成孔后通过绳尺测量终孔深度。安装灌注桩钢筋笼、导管，并立即进行二次清孔，量测泥浆比重、二次清孔后孔深等指标。

工程用混凝土为商品混凝土。首灌灌注桩混凝土时，导管底口到孔底距离控制在30 cm～50 cm，并保证首灌混凝土灌入量使导管初次埋入混凝土深度不小于1.0 m。混凝土连续浇筑过程中，随混凝土面上升及时提升和分段拆除上段导管，导管埋入混凝土深度严格控制在2.0 m～5.0 m。混凝土灌注完毕要及时检查混凝土面高度，计算混凝土实际用量、混凝土充盈系数。

通过施工过程各工序检验，灌注桩成孔深度、桩底沉渣厚度、混凝土充盈系数等均满足设计要求[6]。

1.2 灌注桩桩身完整性检验

分别采用反射波法和高应变法对桩基的完整性进行了检验[7]。

1.2.1 反射波法

反射波法也称低应变法，它通过小锤敲击桩头，桩头产生的应力波沿桩身垂直向下传播，在波阻抗发生变化的界面处(灌注桩如桩底、夹泥、离析、扩缩径等)将产生反射波，由置于桩顶的加速度传感器接收。根据反射波与入射波的波形特征、幅值、相位、频率的比较， 分析判断混凝土桩的完整性。桩身缺陷位置可以根据速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差、受检桩的桩身波速来确定。

反射波法检测结果表明，灌注桩在桩顶面以下27.2 m处出现轻微缺陷反射波，判定试验桩在桩顶下27.2 m处存在轻微缺陷，为Ⅱ类桩。

1.2.2 高应变法

高应变法不仅可检测试验桩的完整性，也可检测试验桩的竖向承载力。

高应变法检测时，以两组加速度和应变传感器对称安装于距桩顶一定距离的同一水平截面，重锤锤击桩顶使桩周土产生塑性变形，采集加速度和应变传感器实测桩顶力和速度的时程曲线，采用曲线拟合法CAPWAP程序进行分析计算[8]。

高应变法检测桩身完整性可用实测力波与速度波相比较的方法或分离上、下行波的方法，也可通过实测曲线拟合法确定。当桩身完整性系数β=1.0时为完整桩；0.8≤β<1.0时为基本完整桩；0.6≤β<0.8时为明显缺陷桩；β<0.6时为严重缺陷桩或断桩[1]。高应变法检测结果显示，试验桩竖向抗压极限承载力2 720 kN，其中侧摩阻力2 289.3 kN，桩端阻力430.7 kN。计算得桩身完整性系数0.82，为基本完整桩。

2 水平承载力现场试验

2.1 试验桩地质条件

节制闸地基土体为多元结构，其闸室基础为软土地基，土层自上而下分为8层。其中Ⅰ1杂填土、Ⅰ0淤泥、Ⅱ1粉质黏土，均分布在闸底板高程以上施工时需挖除。Ⅲ1淤泥质黏土夹粉土、Ⅲ2淤泥质粉质黏土、粉土互层和Ⅲ3淤泥质黏土均为高压缩性、低强度软土，厚度大，性质差，是节制闸沉降和抗滑稳定的控制性土层；Ⅴ1黏质粉土和Ⅴ2粉砂性质良好，总体厚度大，可作为预制桩或钻孔灌注桩桩尖持力层。试验桩位于ZKz10、ZKz11二钻孔间，试验桩工程地质剖面见图1。

图1 试验桩相邻钻孔地质剖面(单位：m)

2.2 试验方法和设计指标

采用单向多循环加卸载法进行水平荷载试验，推求灌注桩的单桩水平承载力特征值及地基土水平抗力系数的比例系数[9-10]。试验时以桩顶水平位移5 mm对应的水平荷载不小于80 kN，且桩身不允许开裂为标准。

按预估最大加载量(160 kN)均匀分10级加载，每级荷载在其维持过程中保持稳定，每级荷载施加后恒载4 min测读水平位移，然后卸载至零，停2 min测读残余水平位移，完成一个加卸载循环，如此循环5次完成一级的荷载试验。逐级加载直至水平位移达到设计要求的水平位移允许值5 mm或桩身最大应力接近材料抗裂强度，桩体将出现但未开裂。

2.3 试验结果与分析

2.3.1 单桩水平承载力特征值

根据试验荷载与实测水平位移绘制的水平力-时间-位移(H-t-Y0)见图2。

单桩水平承载力特征值取灌注桩桩顶高程允许水平位移5 mm时的对应荷载为128 kN[11]，大于设计单桩水平承载力特征值80 kN。

图2 水平荷载试验水平力H-时间t-位移Y0曲线

2.3.2 地基土水平抗力系数的比例系数m

地基土水平抗力系数的比例系数m值按下式计算[12]：

(1)

(2)

式中：m为地基土水平抗力系数的比例系数,kN/m4；α为桩的水平变形系数,m-1；γY为桩顶水平位移系数，当αh≥4.0时(h为桩的入土深度)，γY=2.441；Y0为水平力作用点的水平位移,m；EI为桩的抗弯刚度,kN·m2；I为桩身换算截面惯性矩;E为桩身材料弹性模量；b0为桩身计算宽度,m；对于圆形桩：当桩径D≤1 m时b0=0.9(1.5D+0.5)；当桩径D>1 m时b0=0.9(D+1)。

根据试验结果计算推求的最大加载量(160 kN)对应的m值为7 574 kN/m4。试验荷载达到设计值80 kN以及特征值128 kN时对应土抗力系数为13 678.6 kN/m4和10 093.6 kN/m4。

3 水平承载性能的反演分析

3.1 模型及相关参数

采用ABAQUS有限元软件反演分析灌注桩水平承载性能。灌注桩模型桩径D为0.8 m，桩长32.04 m，桩身全部入土。模型水平方向桩周土体直径取25D，土层总厚度取1.5倍桩基入土深度[12]。有限元模型网格采用渐变网格，桩周环向由圆心至圆周网格长度从0.4 m到2.0 m，土体范围内每隔2.0 m划分一个单元。桩体和土体的单元均采用三维八节点减缩积分单元(C3D8R)。桩土三维有限元模型见图3。有限元模型坐标系以泥面处桩轴心为坐标系原点，泥面为XZ平面，基桩轴线向上为Y轴正方向，水平荷载沿X轴正方向通过桩截面圆心。模型土体边界采用底部边界设置固定约束，四周边界设置法向水平位移约束。桩-土接触面单元法向模型设为硬接触，切向摩擦模型采用弹性滑移变形，服从Coulomb摩擦定律[13-14]。

图3 桩-土三维有限元模型

混凝土灌注桩采用线弹性本构模型，强度等级C25。地基土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，以工程实际地质情况作为土体模型参数。模型材料物理力学参数见表1。水平荷载逐级施加于桩顶横截面中心点[15]。

表1 灌注桩模型材料物理力学参数

3.2 数值模拟结果分析

模型取单级荷载16 kN逐级施加，为研究灌注柱的水平承载性能，在现场试验荷载基础上增加两级，即最大计算荷载192 kN。

3.2.1 桩身弯矩与应力

分12级施加水平荷载至192 kN，各荷载级作用下桩身弯矩分布见图4；各荷载级桩身弯矩最大值及弯矩零点位置、最大拉压应力及其对应位置见表2。

计算结果表明：

(1) 灌注桩在水平荷载作用下弯矩和应力分布规律一致，应力分布若不计灌注桩自重影响，二者具有完全相关性。

图4 水平荷载下桩身弯矩曲线

表2 水平荷载下桩身弯矩与应力特征值及位置

(2) 灌注桩在水平荷载作用下最大弯矩值和最大应力随荷载增加而增大，试验桩荷载与桩身最大弯矩的关系可用二项式M=0.0042H2+0.8123H表示，相关系数R为0.997 8。试验桩荷载与桩身最大拉应力的关系可用二项式M=0.00008H2+0.0138H表示，相关系数R为0.999 8。

(3) 受灌注桩自重影响，桩身最大拉应力值小于压应力，在整个加载过程中桩身最大压应力始终未超过其允许值。桩身混凝土最大拉应力达到C25混凝土轴心抗拉设计值1.27 MPa、轴心抗拉标准值1.78 MPa时对应的水平荷载分别为67.05 kN、83.67 kN。

(4) 对于桩顶出现水平荷载5 mm时，桩身最大拉应力为3.47 MPa，已超过桩身C25混凝土材料轴心抗拉标准值1.78 MPa的1.95倍，桩身会发生开裂。

(5) 最大弯矩和最大应力位置随水平荷载增加逐渐下移，受灌注桩自重影响，最大压应力位置略低于最大弯矩和最大拉应力位置。加载过程中，灌注桩最大弯矩和最大拉应力位于桩顶下2.5 m～3.3 m，相当于3.1D～4.1D。第一弯矩和第一拉应力零点以下桩身出现负弯矩，拉应力出现在桩身另一侧。下部桩身最大负弯矩值约为上部最大正弯矩的3.0%～3.6%，下部桩身最大拉应力值约为上部最大拉应力值的16.1 %～18.2%。

(6) 水平荷载对灌注桩弯矩、应力的影响深度一般为0～19.5 m，相当于0～24.4D范围，也说明灌注桩在桩顶面以下27.2 m处的轻微缺陷不影响其水平承载力。

3.2.2 桩顶位移

灌注桩在不同荷载级下的桩身位移见图5，桩顶与水平位移、桩顶与水平位移梯度曲线见图6。

图5 水平荷载作用下桩身位移图

图6 水平荷载与桩顶位移、位移梯度曲线

计算结果表明：

(1) 水平荷载作用下灌注桩桩顶位移(mm)随荷载(kN)增加而增大，其变化可用二项式Y=0.0494H2+0.0556H表示，相关系数R为0.999 6。水平荷载作用下桩顶位移梯度(mm/kN)同样随荷载增加而增大，其变化可用二项式ΔY0/ΔH×10-6=-0.2749H2+483.09H，相关系数R为0.982 0，拟合精度低于荷载与桩顶位移。

(2) 桩顶位移5 mm时对应的荷载136.8 kN，因此根据设计要求，取该值为灌注桩水平承载力特征值。

(3) 水平荷载作用下，桩身下部出现了反向位移，桩身第一位移零点在桩顶下5.0 m～5.8 m，相当于6.3D～7.3D；桩身第二位移零点在桩顶下16.0 m～17.8 m，相当于20.0D～22.3D。反向位移量值一般是桩顶位移的4.1%～4.6%。

3.2.3 桩承载力

灌注桩水平承载力试验，当出现桩身折断、水平位移超过30 mm～40 mm(软土中的桩或大直径时取大值)、水平位移达到设计要求的水平位移允许值时，终止加载。而单桩水平极限荷载可取：H-Y0曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载、H-ΔY0/ΔH曲线或lgH-lgY0曲线上第二拐点对应的水平荷载、或桩身折断或受拉钢筋屈服的前一级水平荷载。对于单桩水平承载力特征值，在桩身不允许开裂或灌注桩桩身配筋率小于0.65%时，取水平临界荷载0.75倍；灌注桩配筋率不小于0.65%时，取桩顶高程处水平位移所对应荷载的0.75倍；按设计要求的水平允许位移取其对应荷载[16](满足桩身抗裂)。

(1) 根据有限元计算结果，在192 kN水平荷载作用下，H-Y0曲线尚未发生明显陡降，H-ΔY0/ΔH曲线也未出现第二拐点，更无桩身折断或受拉钢筋屈服，因此计算所用的最大水平荷载尚未达到灌注桩的单桩水平极限荷载。

(2) 根据设计要求，取有限元模型计算的水平位移允许值5 mm对应的荷载为136.8 kN作为灌注桩水平承载力特征值。

(3) 根据设计要求桩身不开裂，有限元模型计算的桩身最大拉应力达到C25混凝土轴心抗拉强度标准值1.78 MPa时对应的水平荷载83.67 kN，应以此作为灌注桩水平承载力特征值。

3.2.4 地基土水平抗力系数的比例系数m

根据有限元计算结果绘制的地基土抗力特征曲线见图8，计算结果表明：

(1) 随着水平荷载的增加，地基土水平抗力系数的比例系数呈减小趋势，水平荷载136.8 kN、128.0 kN、83.6 kN和80.0 kN作用下对应的土抗力系数的比例系数m值分别为10 641.0 kN/m4、11 411.2 kN/m4、17 448.4 kN/m4和18 069.4 kN/m4。

(2) 水平位移大于4 mm～5 mm时，地基土抗力系数的比例系数下降趋势明显趋于平缓，设计允许位移值5 mm时对应土抗力系数的比例系数m为11 061.1 kN/m4。

3.2.5 现场荷载试验与数值模拟结果对比

图7和图8分别列出水平力H-地基土水平抗力系数m、水平力H-位移梯度ΔY0/ΔH的数值模型计算与现场试验结果，根据结果对比分析：

(1) 根据设计标准，将桩顶允许位移5 mm对应水平荷载作为灌注桩水平承载力特征值，现场荷载试验为128 kN，数模计算结果为136.8 kN，二者相差6.87%。

(2) 数值模拟计算的地基土抗力系数的比例系数m比现场试验结果要大，但随着荷载增加两者误差逐渐减小。根据现场试验计算推求的最大加载量160 kN、水平承载力特征值128 kN及设计承载力80 kN对应的土抗力系数的比例系数m值分别为7 574.0 kN/m4、10 093.6 kN/m4、13 678.6 kN/m4，而对应的数值模拟计算结果为8 755.8 kN/m4、11 411.2 kN/m4、18 069.4 kN/m4，试验与数模计算间误差13.06%～32.10%。

(3) 设计提出确定灌注桩水平承载力特征值时以桩身不开裂为前提，对于常规的现场荷载试验而言，现有技术条件无法判别桩身是否开裂；而数模计算时则可根据桩身应力计算判断，试验灌注桩桩身最大拉应力达到C25混凝土轴心抗拉强度设计值和标准值时对应的荷载分别为67.05 kN、83.67 kN，说明试验得到水平承载力特征值128 kN偏大，使用后不安全。

图7 地基土抗力特征曲线图

图8 水平力-位移梯度

4 结 论

(1) 灌注桩在水平荷载作用下桩顶在荷载方向出现最大位移，桩身下部出现了反向位移，桩身第一位移零点在桩顶下6.3D～7.3D，第二位移零点在桩顶下20.0D～22.3D，最大反向位移量为桩顶位移4.1%～4.6%。最大弯矩和最大拉应力位于桩顶下3.1D～4.1D，下部桩身最大拉应力为桩身上部最大拉应力值的16.1%～18.2%。

(2) 受灌注桩自重影响，桩身最大拉应力值小于压应力，加载过程中桩身最大压应力始终未超过其允许值，桩身混凝土最大拉应力达到C25混凝土轴心抗拉标准值1.78 MPa时对应的水平荷载为83.67 kN。

(3) 根据设计标准，将桩顶允许位移5 mm对应水平荷载作为灌注桩水平承载力特征值，现场荷载试验为128 kN，数模计算结果为136.8 kN，二者相差6.87%。

(4) 数值模拟计算的地基土抗力系数的比例系数m要大于现场试验结果，但随着荷载增加两者误差逐渐减小，现场试验最大加载量160 kN、水平承载力特征值128 kN及设计承载力80 kN对应的土抗力系数的比例系数m值试验与数模计算间误差13.06%～32.10%。

(5) 对于常规的现场荷载试验而言，现有技术条件无法判别桩身是否开裂，因此荷载试验得到的水平承载力特征值需经数模计算复核，否则有可能推求的水平承载力特征值偏大，使用不安全。

(6) 对于灌注桩水平承载力特征值确定时要求桩身未开裂的规定有待商榷，建议对于钢筋混凝土桩允许开裂，但可控制钢筋应力、严格限制桩身裂缝开展宽度，以提高钢筋混凝土结构的使用效率。