單樁水平承載力的計算與實測

施 英

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海200092)

1 引言

隨著城市的不斷發展，高層建筑如雨后春筍般在各個地方一幢幢的拔地而起。高層建筑的基礎一般都為樁基礎。在抗震設防區高層建筑的樁基要進行樁基的抗震驗算，樁基的抗震驗算包括單樁的豎向抗震承載力驗算和單樁的水平向抗震承載力驗算。對基礎設計的經濟性的控制也逐漸被建設單位和設計單位重視，在滿足結構安全的同時，樁數越少就越經濟。同時在樁基工程中，樁的水平向抗震承載力變得越來越重要的一個方面，樁在水平荷載作用下的樁土共同作用性狀比在豎向荷載作用下要復雜得多，所以單樁水平承載力必須通過單樁水平靜載試驗確定。

本文就以上海某高層住宅小區為例，對預制樁的單樁水平承載力的確定進行進一步討論。

2 單樁水平承載力的估算

2.1 計算公式

按照《建筑抗震設計規范》[1](GB 50011—2010)4.4.2.2 條:“當承臺周圍的回填土夯實至干密度不小于現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》[2](GB 50007—2011) 對填土的要求時，可由承臺正面填土與樁共同承擔水平地震作用;但不應計入承臺底面與地基土間的摩擦力?！备邔咏ㄖ加械叵率?，所以對于高層建筑，地震水平力由地下室外墻正側面土體的被動土壓力值的1/3與樁共同承擔?？挂帡l文說明中指出，樁負擔的地震力宜在0.3～0.9 之間。

根據樁基規范，當樁的水平承載力由水平位移控制，且缺少單樁水平靜載荷試驗資料時，可按式(1)、式(2)估算預制樁、鋼樁、樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁單樁水平承載力特征值:

式中 xoa——樁頂允許水平位移，一般可取10 mm，對于水平位移敏感的建筑物可取6 mm;

υX——樁頂水平位移系數;

m——樁側土水平抗力系數的比例系數。

應用式(2)時，根據樁基規范附錄C第C.0.2條，當基樁側面為幾種土層組成時，應求得主要影響深度hm=2(d+1)范圍內的m值作為計算值。

當hm深度內存在二層不同土時:

當hm深度內存在三層不同土時:

2.2 影響理論估算結果的參數

根據式(1)和式(2)可知，樁基水平承載力的計算中樁的水平變形系數α是一個重要的參數，其值與以下參數有關:樁側土水平抗力系數的比例系數m、樁的截面形式、樁頂約束條件、混凝土強度等級、樁的入土深度等因素。

2.3 關鍵參數的合理取值

通過計算公式，可以看出在樁型確定的條件下，影響計算結果的變數在于兩點:①m值;②υX系數，樁頂約束條件的假定。這兩點對Rhd計算結果影響很大，因此取值時尤需慎重。

通過理論方法的研究與工程實例中水平載荷試驗[5](在不考慮樁頂豎向荷載作用下)結果的比較分析，已得到以下兩點結論:①樁頂鉸接(或自由)情況下，按式(1)計算的單樁水平承載力特征值相對適中，m值計算時應綜合考慮hm范圍內土層性狀及其厚度，其值宜按中值取用;②若樁頂固接情況下，該計算公式計算結果相對偏大不夠合理，m值宜按偏下限或下限合理取值。

故理論計算時樁頂約束情況取鉸接(或自由)為合理，且m值的取值亦取中值。

2.4 實例-預制方樁的水平承載力理論估算

上海某高層住宅小區為多個帶地下室的11層及18層的單體組成，剪力墻結構，地下室層高3 m，基礎為樁筏基礎，樁采用先張法預應力混凝土空心方樁。該基地的土層分布情況為:第①層為素填土，松軟，土質差。第②層為褐黃-灰黃色粉質黏土層，該土層為可軟塑，中高壓縮性，IL=0.64，e0=0.89，平均厚度2.33 m。③層為淤泥質粉質黏土層，為天然的地基軟弱下臥層，土層平均厚度12 m。該工程地下室底板底面落于第②層。工程樁采PHS-AB300(160)-C80-28和PHSAB350(190)-C80-28兩種樁型。

樁頂水平位移系數υX按樁頂鉸接取2.441;xoa取10 mm;通過計算hm得樁側土層為②層，根據土層的液性指數和孔隙比，m值分別為:按上?！兜鼗A規范》[3](DGJ 08—11—2010)，取值為4.5 MN/m4;按《建筑樁基技術規范》[4](JGJ 94—2008)，取值為6 MN/m4。計算結果如表1所示。

表1 單樁水平承載力計算結果Table 1 The calculation results of bearing capacity of single pile horizontal

3 考慮樁頂豎向荷載作用的單樁水平載荷試驗

3.1 試驗要點

《建筑樁基技術規范》[4](JGJ 94—2008)中第5.7.2.2條:對于鋼筋混凝土預制樁、鋼樁、樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁，可根據靜載試驗結果取地面處水平位移為10 mm(對于水平位移敏感的建筑物取水平位移6 mm)所對應的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。

同時《建筑地基基礎設計規范》[2](GB 50007—2011)中第8.5.8條:單樁水平承載力特征值應通過現場水平載荷試驗確定。必要時可進行帶承臺樁的載荷試驗。

同上所列的樁基工程所采用的混凝土空心方樁PHS-AB300(160)-C80和PHS-AB350(190)-C80兩種樁型進行了單樁水平載荷試驗。兩種樁型各選3根，共6根試樁?，F場加載情況如圖1－圖3所示。

圖1 樁頂堆載圖Fig.1 Loading on the pile top

圖2 水平荷載作用圖Fig.2 Horizontal loading

圖3 樁頂鉸接圖Fig.3 Hinged pile top

樁頂約束情況:

(1)樁頂鉸接(或自由);

(2)考慮樁頂豎向荷載的作用:在高出承臺底面約2 m的樁頂處設置了堆載平臺，維持單樁所承受的上部結構荷載標準值為300 kN條件下進行的水平向靜載荷試驗。

水平靜載作用點標高為承臺(筏板)底面標高。

3.2 試驗結果

試驗H-t-Y0及H-△Y0/△H曲線:

(1)PHS-AB350(190)-C80的其中一根樁的試驗曲線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 樁PHS-AB350(190)-C80的H-t-Y0曲線圖Fig.4 Pile PHS-AB350(190)-C80 H-t-Y0curve

圖5 PHS-AB350(190)-C80的H-△Y0/△H曲線圖Fig.5 Pile PHS-AB350(190)-C80 H-△Y0/△H curve

(2)PHS-AB300(160)-C80其中一根樁的試驗曲線圖如圖6、圖7所示。

6根試樁的水平載荷試驗結果，如表2所示。

4 分析

比較表1與表2的數值，可以看出實測值比理論估算值大。

相對于不考慮樁頂豎向荷載作用下最理想的假定狀態(鉸接且按上海規范取m值)計算結果而言，水平載荷試驗得出的單樁水平承載力實測值為其1.6 ～1.8倍關系。

圖6 樁PHS-AB300(160)-C80的H-t-Y0曲線圖Fig.6 Pile PHS-AB300(160)-C80 H-t-Y0curve

圖7 樁PHS-AB300(160)-C80的H-△Y0/△H曲線圖Fig.7 Pile PHS-AB300(160)-C80 H-△Y0/△H curve

表2 單樁水平承載力試驗結果Table 2 Test results of single pile horizontal bearing

相對于不考慮樁頂豎向荷載作用下理論估算同樣的狀態(鉸接且按全國樁基規范取m值)計算結果而言，水平載荷試驗得出的單樁水平承載力實測值為其1.4～1.5倍關系。

造成實測值比理論估算值大的原因是什么呢?

影響單樁水平承載力的因素有很多，其中以下兩點是主要的原因:

(1)樁基實際受力狀態中都有一個豎向力存在，它對樁頂起到一定的約束作用。這在理論公式中沒能體現出來，同時水平靜載試驗通常也不一定考慮豎向荷載的作用。

數據表明，樁頂施加豎向荷載值與樁頂不施加豎向荷載值，兩者得出的單樁水平承載力還是有一定的差距。

(2)樁在水平荷載作用下其受力性狀是一個復雜的樁土相互作用過程，理論計算公式中對樁土作用、地質條件、樁頂約束條件做了多方面的簡化。

實際樁頂約束狀態為介于鉸接與固接之間，理論計算中把樁頂約束條件分為兩類:鉸接(自由)和固接，實際上樁頂在水平力作用下的其水平位移在樁頂與承臺的連接設定為鉸接還是自由端是有較大差異，而且樁頂水平位移系數υX也是以這兩種約束條件給出的。我們就以規范的樁頂水平位移系數υX表中數值來看，樁頂約束頂為鉸接、自由時為固接的2.6～3.2倍。這也造成了一定的誤差。

5 結論

通過對樁頂施加一定的上部結構作用在單樁上的豎向荷載而進行的水平載荷試驗，在這種工況下樁的受力情況是符合實際亦是有效的，這樣得到的結果也是可取的。通過實例可以看出，只要根據地勘報告中所提供的樁基承臺(樁頂約束處)的持力層在hm土層深度內的m值和υX系數采用得當，則通過公式估算的單樁水平承載力的計算值與試驗值仍存在著一定的差異。試驗結果比設計估值提高了1.4倍以上。由此，在一般情況下，上海地區抗壓樁當缺少單樁水平靜載荷試驗資料時，按規范(樁頂約束條件按鉸接、自由考慮)估算出來的單樁水平承載力的特征值雖然偏小，但是偏于安全的也是可取的。若樁基承臺是筏板或箱筏時，在未做單樁水平靜載荷試驗前，筆者認為，由于豎向荷載作用實際存在，單樁水平承載力特征值可按理論估算值的1.4倍采用，但最終單樁水平承載力的特征值應按有豎向荷載作用下的單樁水平靜載試驗來確定。

致謝 上海巖土工程勘察設計研究院有限公司提供的試驗照片與數據。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50011—2010建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings[S].Beijing:China Architecture and Building Press，2010.(in Chinese)

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2012.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50007—2011 Code for design of buildings foundation[S].Beijing:China Architecture and Building Press，2012.(in Chinese)

[3] 上海市城鄉建設和交通委員會.DGJ08—11—2012地基基礎設計規范[S].上海:上海市建筑建材業市場管理總站，2010，Shanghai Urban Construction and Communication Commission.DGJ08—11—2012 Code for design of foundation[S].Shanghai:Shanghai Building Material Market Management Station，2010.(in Chinese)

[4] 中華人民共和國建設部.JGJ 94—2008建筑樁基技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2008.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundations[S].Beijing:China Architecture and Building Press，2008.(in Chinese)

[5] 方云飛，孫宏偉，閆瑩.單樁水平承載力計算方法研究與工程實例分析[J].建筑結構學報，2013，43(1):95-99.Fang Yunfei，Sun Hongwei，Yan Ying.Research on the calculation method of the horizontal bearing capacity for a single pile and analysis on engineering examples[J].Journal of Building Structures，2013，43(1):95-99.(in Chinese)