福建沿海地区PHC管桩单桩水平荷载试验研究

吴伟忠

(福建省宏实建设工程质量检测有限公司,福建 泉州 362122)

0 引言

我国在沿海地区以及板块交界处分布着广泛的地震带,一般地震设防等级7度以上,在这些地方进行公共民用建设均需进行抗震设计。这几年随着经济的快速发展,城市化进程不断推进,沿海省份靠海地区出现了大量的石化炼油厂、大型仓储物流园、海边居民建筑,PHC管桩在这些建筑中得到了广泛应用。在此背景下,如何有效地保障沿海地震区高层建筑的地基稳定是一项关键任务。预应力高强混凝土管桩(简称PHC管桩),具有承载能力高、施工速度快、施工工艺方便、工程造价低等优点,近些年在我国得到广泛应用,成为我国土木领域最常用的桩基础之一。但由于其桩身为空心截面,截面抗弯惯性矩较小,抗弯刚度也较小,因此抗弯性能相对较差。相对于其竖向承载性能,PHC管桩的水平承载性能较弱。而在实际工程中,桩基础除了承受竖直荷载以外,同时还受到其他水平荷载(如温度荷载、土压力、风荷载、波浪荷载、地震荷载等)的作用,从而使得桩基的受力情况更为复杂。而国内对于PHC管桩的研究,特别是水平荷载等周期荷载的作用研究相对较少,因此开展PHC管桩的水平推力试验研究对PHC管桩桩基的设计、施工和未来发展都有十分重要的意义[1]。

目前,PHC管桩水平推力试验的研究方法主要有以下4种[2]:1)地基反力系数法;2)弹性理论法;3)有限元法;4)极限平衡法。目前对于PHC管桩单桩水平承载能力的研究主要以试验为主,而国内外学者对于该方面的研究还存在很多不足之处,如破坏机理、试验方法、承载特性等方面的研究仍需深入。因此,通过试验对PHC管桩单桩水平承载能力的研究具有重要的理论和实际意义。

基桩的水平推力试验一般分为室内试验和现场原位试验,室内试验经济、易于控制,但模型与实际出入较大;现场试验更真实、准确度更高,为了保证试验的精度和可行性,工程实际中更多地通过现场试验来进行基桩的水平推力试验。

本文通过对泉州某库房项目的2根PHC管桩进行水平静载试验,得到PHC管桩的单桩水平临界荷载和水平极限荷载,并根据试验结果对PHC管桩的水平受力特性进行分析。

1 工程背景

位于福建泉州市近海地区的某库房土建工程项目,建筑物结构形式为框架结构。桩基基础均采用PHC管桩,桩身混凝土强度为C80,设计桩端持力层为强风化花岗岩,桩径均为500 mm,桩长为11.2 m～16.5 m。现场共有384根桩基,选用1号桩和2号桩作为试验桩进行试验。试验桩桩顶露出地面1.5 m,水平荷载作用点设置在桩顶地坪处。

2 地质概况

该场地地基复杂程度等级为二级,结构安全性等级为二级,地震烈度为7度,建筑抗震设防等级为丙类。该场地土层分布较多,地质分布复杂,具体自上而下为耕植土0.3 m～0.7 m,素填土0.3 m～8.8 m,淤泥0.3 m～2.8 m,粉质黏土0.5 m～6.3 m,细砂0.8 m～3.7 m,中砂0.3 m～3.8 m,残积砂质黏性土0.4 m～19.9 m,全风化花岗岩0.6 m～15.6 m,砂土状强风化花岗岩2.1 m～13.95 m,碎块状强风化花岗岩1.8 m～6.5 m,中风化花岗岩最大揭露厚度8.6 m。

各土层的物理力学指标和设计计算参数见表1。

表1 各土层的物理力学指标

3 试验方案

由于工程现场条件限制,本次试验采用油压千斤顶进行加载,承台底面标高处采用位移传感器测量水平位移,在距桩顶500 mm处安装第2个位移传感器进行转角的测量,水平静载试验装置如图1所示。

根据现场实际情况,本次试验选择2根桩作为反力桩,反力桩连线中心与试验桩位于同一直线上。为了便于安装仪器,需对现场场地进行处理;由于现场场地整平处理较为困难,为了保证加载时千斤顶不会发生偏移,需要在千斤顶下面放置木板保持水平;由于2根反力桩和试验桩距离比较大,为了保证水平荷载的正常施加,需要在反力桩前铺设一定体积的混凝土预制块,同时为了防止偏心受力,需要在预制块和千斤顶之间布置垫块。

为了尽可能地模拟单桩结构的实际受力形式,根据JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范[3],本次试验采用单向多循环加载法进行加载,每级荷载取预估极限承载力的1/10左右,设计单位验算试验桩单桩水平极限承载力为200 kN,因此每级荷载增量为20 kN;每级荷载加载4 min后,卸载到0,停2 min后,重复之前的加卸载步骤,循环5次后,进行下一级荷载的加载,同时每一次加卸载时要实时记录对应荷载的水平位移。当水平位移超过40 mm时,停止加载并将荷载卸载到0,等待2 min后终止试验。

4 试验结果及分析

4.1 单桩水平承载力取值

通过对水平静载试验数据进行处理,可以得到相应的试验桩水平荷载关系曲线,如图2所示。

当桩身开始出现裂缝时,此时测得的水平荷载为单桩水平临界荷载。根据图2可以看出,当水平荷载超过临界荷载时,水平荷载所对应的位移明显大于临界荷载前所对应的位移,桩的位移振幅也随着循环次数的增加而明显增大,此时PHC管桩桩身开始出现裂缝。根据H-t-Y0,H-ΔY0/ΔH关系曲线可以看出:1号桩、2号桩单桩水平临界荷载均为140 kN,对应的桩顶临界位移分别为4.57 mm和4.73 mm。

当桩身应力达到强度极限、桩体完全破坏时,此时测得的水平荷载为单桩水平极限荷载。根据图2可以看出,当水平荷载超过极限荷载时,每单位荷载所对应的位移急剧增大,桩的水平位移急剧增大,此时PHC管桩桩体达到极限,桩身出现裂缝,桩体完全破坏。根据关系曲线图可以得到,1号桩、2号桩单桩水平极限荷载均为220 kN,对应的桩顶极限位移分别为22.33 mm和23.18 mm。

在实际工程中,单桩荷载的设计往往需要考虑安全系数[4],根据JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范,对于预制桩,取桩顶位移为10 mm时所对应的水平荷载的75%为单桩水平承载力特征值。由图2可知:1号桩、2号桩泥面处水平为10 mm对应的荷载分别为218 kN和215 kN,单桩水平荷载特征值分别为163.83 kN和161.35 kN。

单桩水平荷载试验结果见表2。

表2 单桩水平荷载试验结果

4.2 水平抗力系数的比例系数m值

由于土层状况复杂,当桩受到水平荷载作用时,地基土水平抗力难以被精确测量,选择合适的计算模型显得尤为重要,通常采用文克尔假设,即将土体看作弹簧,利用水平抗力系数进行分析。水平抗力系数方法一般有“C”法、“C值”法、“K”法、“m”法,根据规范要求[5],采用最常用的“m”法进行计算,m值可按式(1)确定:

(1)

其中,m为地基上水平抗力系数的比例系数,kN/m4;vy为桩顶水平位移系数;H为作用于地面的水平荷载,kN;Y0为水平力作用点的水平位移,m;EI为桩身抗弯刚度,kN·m2;b0为桩身计算宽度,m。

将试验数据代入式(1),绘制出水平荷载H、水平位移Y0与m值的关系曲线,具体如图3所示。通过图3中1号桩和2号桩的关系曲线可以看出,水平荷载H与m值表现为双曲线关系,当H<60 kN时,m与H表现为线性关系;当60 kN100 kN时,随荷载H的增大,m值变化缓慢趋于常数。水平位移Y0与m值也呈现为双曲线关系,当Y0<5 mm时,m与Y0表现为线性关系;当Y0>5 mm时,随位移Y0的增大,m值变化缓慢趋于常数。

4.3 单桩水平荷载影响因素分析

当桩受到水平荷载作用时,桩顶露土部分约1 m～1.5 m,大部分桩身位于土层中,水平荷载会对桩产生弯矩,所以水平推力试验中最重要的是研究水平桩的抗弯性能。最能体现抗弯性能的参数是PHC管桩的抗弯刚度,抗弯刚度与材料的弹性模量以及截面惯性矩有关,由于PHC管桩采用高等级的混凝土,根据相关力学知识[6],抗弯刚度=EI,而PHC桩弹性模量较大,抗弯刚度较高,因此抗弯性能较强。

对于PHC管桩的受力性能研究,工程上使用的PHC管桩为空心截面,根据材料力学相关知识,与相同尺寸的实心截面结构相比,空心截面结构的截面惯性矩更高,而弯曲应力=M/I,相同荷载下空心截面结构应力更小,所以PHC桩截面惯性矩较小,强度较高。

对于PHC管桩的水平承载力研究,根据JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[7],PHC桩弹性模量E越大,截面几何尺寸越大,抗弯刚度EI越大,桩顶水平位移越小,所以对应的承载力就越大。

一般来说,混凝土的强度越大,PHC管桩抗弯性能越好、强度越高、承载力越大,但混凝土强度越高,延性越差,不利于抗裂,另外,混凝土标号越高成本也较高,所以综合考虑一般优先选择C60—C80混凝土。

在一定水平荷载范围内,H-t-Y0关系曲线变化幅度较小,H-ΔY0/ΔH关系曲线斜率较低,而m值关系曲线中m值偏大,由此可以分析出,当荷载和位移较小时,地基土水平抗力非常大,而在土体抗力的约束下,桩土处于弹性状态,荷载与位移基本呈线性关系,卸载后基本可以恢复。从桩顶的破坏位置可以看到,1号桩的断裂位置为桩顶以下2.3 m,2号桩的断裂位置为桩顶以下2.5 m,桩顶以下2 m～3 m属于薄弱位置,有必要对浅部土层进行加固,回填密实性较好的碎石土,增加土体弹性模量和约束力,可以有效地提高单桩水平承载力。

5 结论

1)通过福建省泉州市某库房土建项目的2根PHC管桩单桩水平推力试验,对试验桩均采用单向多循环加载法进行试验,最后得到相应的时间、荷载、位移数据,同时需要根据现场实际情况对试验现场场地进行调整。

2)通过试验数据,按照现行规范绘制1号试验桩和2号试验桩的水平荷载关系曲线,得到该试验桩的临界荷载、极限荷载、承载力特征值分别为140 kN,220 kN,163.83 kN和140 kN,220 kN,161.35 kN。

3)采用 “m” 法进行水平抗力系数的分析,通过规范公式,绘制出水平荷载、水平位移与水平抗力系数的比例系数m值的关系曲线。可知:荷载、位移与m值均呈现双曲线关系,当荷载、位移较小时接近直线关系,当荷载、位移较大时变化缓慢趋于常数,因此通过改良浅部土层提高密实度,增加对桩的水平约束力,进而有效减小PHC管桩水平承载力。

4)PHC管桩在水平荷载作用下,其抗弯性能、强度与其材料的弹性模量、截面惯性 矩有关,材料通常优先选择C60—C80混凝土。PHC管桩由于其抗弯刚度和强度较高,受力性能较好,承载力较高,可以很好地应用到工程实际中。