连续结构大直径基桩水平承载力特征值确定方法研究

张兴志，朴 泷，杨 宇

(1 浙江杭绍甬高速公路有限公司， 杭州 310014；2 中路高科交通检测检验认证有限公司， 北京 100088)

0 概述

基桩水平受荷特性研究可分为桩土相互作用机理和水平承载力界限值判定方法两方面。桩土相互作用机理的研究重点是桩与桩周土体相互协调、相互作用的关系[1]，进而形成基桩水平承载力计算方法，并已形成了弹性分析法和弹塑性分析法两大类方法。弹性分析法主要有地基梁法、有限元法和边界元法，其分析方法较为简便[2]。基桩水平受荷特性相关研究成果已相当丰富，但研究仍在深入开展。文献[2]通过模型试验分析了粉砂土地基中高桩水平变形、内力及桩周土反力之间的关系；文献[3-5]通过水平承载力试验资料，分析了相关规范中提出的“m”法中m值(m为非岩石地基抗力系数的比例系数)的取值要求；文献[6-8]均结合水平承载试验讨论了基桩水平承载力计算和取值方法的适用性，提出了改进建议。

上述基桩水平承载力计算方法研究与基桩水平承载力特征值、极限值等界限值密切相关。文献[9]的条文说明指出，“m”法中m值的取值应与实际荷载、容许位移相适应，而容许位移是水平承载力特征值确定的重要依据，因此，建筑、水运、公路等行业的基桩检测规范等均明确了单桩水平承载力极限值、单桩水平承载力特征值的判定方法[10-12]。但不同规范和相关研究中，根据试验结果对单桩水平承载力特征值的判定标准不尽相同。文献[9]指出，可根据静载试验结果，取地面处水平位移为规定值时对应的荷载值为单桩水平承载力特征值；文献[12]则指出，当按设计要求的水平位移容许限值确定水平承载力时，取与之对应的水平荷载统计值为单桩水平承载力容许限值；文献[13]结合预应力管桩和灌注桩的单桩水平静载荷试验，提出了根据基桩构造特点采用不同的单桩水平承载力特征值的判定标准，认为采用临界荷载控制单桩水平承载力特征值的判定过程中，当临界荷载对应的桩顶水平位移超过容许变形时，应判定容许变形限值对应的荷载为单桩水平承载力特征值。可见，大直径桩基水平承载力仍是各领域桩基承载性能研究的重要领域。

连续结构(如桥梁)更为关注的是墩顶水平位移容许限值对桩基水平承载性能的影响，因此需要进一步分析讨论如何在连续结构(如桥梁)水平承载力试验中，结合墩顶水平位移容许限值确定单桩水平承载力特征值。

此外，在实际工程中，不同墩位处的基桩水平变形要求不完全一致，而试桩数量有限。因此，需加强根据试桩结果总体评价或研判连续结构(如桥梁)单桩水平承载力特征值的相关研究。

本文针对连续结构的大直径桩基水平承载性能的研究需求，结合工程实体试桩工作，探讨了连续结构在水平承载力试验下，确定单桩水平承载力特征值的方法。

1 基于试验结果的单桩水平承载力特征值确定方法

文献[9]、文献[10]提出了根据地面处水平位移确定单桩水平承载力特征值的方法。公路、铁路等行业没有提出明确要求，但公路等行业提出了墩顶水平位移容许限值[14]。本文结合建筑、公路等行业的相关要求，对连续结构(如桥梁)单桩水平承载力特征值取值方法进行讨论。

1.1 墩顶水平位移容许限值

根据文献[14]，墩顶水平位移容许限值[Δ]为：

[Δ] = 0.5L1/2

(1)

式中L为相邻墩台间最小跨径，m，小于25m时按25m计。

图1 墩顶水平位移容许限值[Δ]-跨径L曲线

[Δ]-L曲线见图1。桥梁等连续结构中，跨径大于100m时，[Δ]通常还需另行规定，故图1中仅列出跨径小于100m时的[Δ]。由图1可知，不同跨径对应的[Δ]均大于10mm，即文献[9]中单桩水平承载力特征值对应的地面处桩身水平位移值。

1.2 墩柱变形特征

(1)柔性墩

柔性墩主要为桩柱式基础，桩柱式基础的构造简图见图2。对桩柱式基础进行受力分析时，可以将桩柱式基础视为杆件。由受力分析可知，桩柱式基础的变形曲线及其杆端转角、位移等是杆件长度、杆件所受的弯矩、集中力及均布荷载等的函数。因此，要精确确定桩柱式基础的变形限值，必须逐墩进行受力分析。这样的方法显然不便对桩柱式基础进行大范围、普遍性的承载力分析，所以需要对基础变形模式进行简化。

注：l为桩基长度；m为墩柱长度；Δ为墩柱顶部水平位移；x为直线型墩柱变形模式对应的桩基顶部水平位移；x1为曲线型墩柱变形模式对应的桩基顶部水平位移；θ为基础变形前后轴线的夹角。图2 桩柱式基础简图

通过对桩柱式基础的分析可知，桩基、墩柱顶部发生水平位移时，桩基础和墩柱的轴线形状为曲线，如图2所示。图2中还绘制了墩柱变形为直线型(沿墩柱曲线变形时墩柱顶部的切线)的墩柱变形图。由图2可知，在墩柱顶部水平位移相同的情况下，直线型墩柱变形模式对应的桩基顶部位移小于曲线型墩柱变形模式对应的桩基顶部位移，则以直线型墩柱变形模式得到的桩基顶部位移作为限制性位移分析的基础条件，在水平承载力分析时偏于安全。因此，墩柱变形限值分析可按直线型墩柱变形模式进行。

(2)刚性墩

由于刚性墩墩身刚度大，不论承台底面坐落于海床(地面)、埋置于海床(地面)下方或高于海床(地面)，墩顶至海床(地面)范围的墩身、承台及桩身在发生水平位移时，可视为直线型变形。

1.3 判断水平承载力特征值试桩位移量取值

对于直线型的变形模式，有两个指标最为重要：一个是墩柱顶部水平位移Δ，另一个是基桩顶部水平位移x。

由图2可知，在直线型变形模式下，墩柱顶部水平位移Δ和桩基顶部水平位移x的关系如下：

Δ=mtanθ+x

(2)

考虑到变形微小，可以取tanθ=θ，则有:

[x]=[Δ]-mθ

(3)

式中[x]为基桩顶部水平位移x的容许限值。

文献[9]指出，过大的桩顶位移将导致桩侧土体塑性隆起，此时桩的水平承载力达到极限状态，故确定桩顶水平承载力特征值时，需对桩顶位移加以限制。因此，对于桩柱式基础，[x]除了应满足文献[14]的规定外，还需满足式(3)的要求。

由式(3)可知，桩顶容许水平位移与墩顶容许水平位移、墩高、基础变形前后轴线的夹角θ关系密切。考虑到墩顶变形会引起支座变形，针对支座变形全部由墩柱变形引起的情形，可偏于简化地认为在墩顶支座变形未超过容许限值时，θ与墩顶支座变形角度相当。在进行支座试验时，对于板式橡胶支座，支座变形规定为不大于1/100[15]；对于盆式/球型橡胶支座，支座变形规定为不大于0.02rad[16-17]。

墩顶至海床(地面)距离为m，跨径为L。墩顶采用板式橡胶支座时，θ取1/100，不同m，L组合条件下的[x]变化曲线见图3(a)；墩顶采用盆式或球型橡胶支座时，θ取0.02rad，不同m，L组合条件下的[x]变化曲线见图3(b)。

图3 不同m，L组合条件下[x]变化曲线图

由图3可知，在考虑[Δ]的条件下，[x]的计算值均大于文献[9]规定的10mm。综合上述分析和相关文献的规定，建议连续结构(如桥梁)单桩水平承载力特征值的确定可采用双控的方法，具体方法如下：

(1)某级荷载加载结束时，试桩桩顶位移接近对应跨径的墩顶水平位移容许限值，且海床面(地面)处桩身水平位移小于20mm，可取本级荷载为单桩水平承载力特征值。

(2)不满足(1)的条件时，可取海床面处(地面)桩身水平位移接近20mm的荷载级别为单桩水平承载力特征值。

(3)按(1)或(2)初判的单桩水平承载力特征值对应的荷载等级及低于该荷载等级的加载过程中，若出现试桩桩身开裂的情况，可取试桩桩身开裂之前的荷载等级为单桩水平承载力特征值。

文献[12]指出，当按设计要求的水平位移容许限值确定水平承载力时，取设计要求的水平位移容许限值对应的水平荷载统计值为单桩水平承载力容许限值。在实际工程中，不同墩位处基桩水平变形要求不完全一致。因此，对比文献[12]，上述判定连续结构(如桥梁)单桩水平承载力特征值的方法可作为文献[12]的补充，以便于根据有限的试桩结果总体评价或研判连续结构(如桥梁)单桩水平承载力特征值。

2 工程实例

某工程为连续梁式跨海结构。该项目海域70m跨结构均采用超长大直径钢管桩基础，共2 700根钢管桩，最大桩长108m，桩径有1.6，1.8，2.0m共3种。工程所在区域水深流急，软弱覆盖层深厚，钢管桩的水平承载能力是桩基础设计的关键参数，为保证设计效果，在设计阶段进行了试桩工作。

2.1 工程与地质概况

钢管桩试桩共1根，试桩位于南段轴线以北100m处，总体布置见图4。试桩场地岩土层分布情况与试桩钢管桩参数分别见表1，2。试桩钢管桩桩身直径1.8m，壁厚分为22mm和20mm两段，桩顶标高+3.50m，桩底标高-99.00m，试桩桩长102.5m。试桩、锚桩、基准桩及水平反力桩采用垂直插打的开口钢管桩，使用IHC600液压打桩锤沉桩。

图4 试桩总体布置图/cm

试桩场地岩土层分布情况 表1

试桩钢管桩参数 表2

2.2 试桩方案与加载过程

钢管桩水平承载力测试采用对顶法，用卧式千斤顶施加荷载，试桩和水平反力桩相互提供反力，研究钢管桩在水平荷载下的承载性能。

位移量测采用以下装置：电子位移传感器量程50mm(可调)，每根桩布设8个电子位移传感器，通过磁性表座固定在基准钢梁上，传感器1,2量测单桩作用力水平面水平位移；传感器3,4量测单桩作用力水平面以上100cm处水平位移；传感器5,6用于量测单桩作用力背侧水平面水平位移；传感器7,8用于量测单桩作用力背侧水平面以上100cm处水平位移。电子位移传感器布置见图5。桩身不同深度断面在各级水平荷载作用下的水平位移由测斜仪测试，测斜管在钢管桩制作时预先焊接在桩身上。桩身弯矩根据光纤光栅测得的数据求出，在试桩桩身布置光纤光栅，然后求得应变值，并据此进一步积分计算得到桩身弯矩。

本次试验进行时，文献[12]尚未发布，故参照《水运工程地基基础试验检测技术规程》(JTS 237—2017)，采用单向单循环水平维持荷载法进行试验，即逐级加载，加载时每级荷载维持20min，测读时间间隔5min；卸载时每级荷载维持10min，测读时间间隔5min；卸载至0kN后每隔10min测读桩顶的残余位移量，测读30min。

测试过程天气以晴天为主，气温18～26℃，海风3～4级。所测桩周围50m范围内无振动，现场测试环境符合测试要求。

图5 电子位移传感器布置图

3 试验结果与分析

3.1 水平荷载与荷载作用点位移关系

水平荷载与荷载作用点位移关系曲线、水平荷载与桩顶转角关系曲线如图6～9所示。试桩在不同水平荷载H下，深度h-桩身水平位移y的曲线见图10。桩身上部(标高+3.0～-14.0m)范围不同深度截面水平位移s-水平荷载H关系曲线见图11。为便于分析，单独绘制桩顶及泥面处截面水平位移p-水平荷载H关系曲线见图12。

图6 试桩水平荷载H-水平荷载作用点桩身位移Y曲线

图7 试桩水平荷载H-桩顶转角φ曲线

图8 试桩lgH-lgY曲线

图9 试桩水平荷载H-位移梯度ΔY/ΔH曲线

图10 深度h-桩身水平位移y曲线

图11 桩身上部水平位移s-水平荷载H曲线

图12 桩顶及泥面处水平位移p-水平荷载H曲线

准备工作完成后，利用千斤顶对试桩和反力桩进行对顶，施加水平荷载。当加载至560kN时，试桩受力点实测水平位移为250.36mm，此时水平位移急剧增加、位移速率明显增大，故停止加载。测斜仪测出泥面处位移为62.59mm。卸载至0kN时，残余实测位移为27.93mm。

3.2 试桩水平极限承载力的确定

试桩的实测H-Y、lgH-lgY等曲线均未出现明显拐点，根据文献[12]，可取最大荷载560kN作为试桩的水平极限承载力。

3.3 试桩水平承载力特征值的确定

本次试桩对应的结构跨径为70m，墩柱采用薄壁空心墩，按刚性墩设计，墩顶设盆式橡胶支座，承台底面高程低于试桩桩顶高程。由图1可知，70m跨径墩顶水平位移容许限值为41.3mm。

由图12可知，当试验荷载为160kN时，泥面处(标高-11.0m)桩体水平位移为13.2mm，试桩桩顶处水平位移为48.46mm。在本级试验荷载下，桩顶位移接近对应跨径的墩顶水平位移容许限值，且海床面处桩身水平位移小于20mm。当试验荷载为240kN时，泥面处(标高-11.0m)桩身水平位移为21.55mm，试桩桩顶处水平位移为80.46mm。在本级试验荷载下，桩顶位移大于对应跨径的墩顶水平位移容许限值，且海床面处桩身水平位移大于20mm。

根据前述“若某级荷载加载结束时，试桩桩顶位移接近对应跨径的墩顶水平位移容许限值，且海床面(地面)处桩身水平位移小于20mm，可取本级荷载为单桩水平承载力特征值”的判定方法，建议取160kN为试桩单桩水平承载力特征值。

本次试桩工作开展时，文献[12]尚未发布。经评审，在后续施工图设计中，取用160kN为工程桩单桩水平承载力特征值。

文献[12]中指出，可采用“单桩水平极限承载力统计值的一半”作为单桩水平承载力容许限值。本文依托的试桩工程确定的单桩水平极限承载力Ru为560kN，单桩水平承载力特征值Rh为160kN，Rh/Ru约为0.28。

4 结论

本文对连续结构单桩水平承载力特征值的确定方法进行了分析，结合试桩工程进行了实例分析，主要得到如下结论：

(1)对于连续结构(如桥梁)，可根据墩柱等构件的变形限值要求分析评价地面处基桩的水平位移限值，进而根据地基土水平承载性能确定单桩水平承载力特征值需要的桩基水平位移。

(2)本文提出采用墩顶水平位移容许限值和海床(地面)处桩身水平位移容许限值两项指标综合判定单桩水平承载力特征值的方法，根据该方法判定的试桩单桩水平承载力特征值小于根据相关规范中“单桩水平极限承载力统计值的一半”判定的单桩水平承载力特征值，说明本文方法偏于安全。另一方面也说明，通过试验分析单桩水平承载性能仍很重要。

(3)单桩水平承载力特征值不仅与基桩的抗变形能力有关，也与基桩及墩柱的容许变形限值相关。如需提高单桩水平承载力特征值，需综合考虑基桩构造(如钢管桩填芯，按斜桩打设等)以及结构总体布置(跨径、墩柱高度等)等因素的影响。