大直徑灌注樁水平承載特性及規(guī)律研究

王亞強(qiáng)，曹建軍（.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 30046；.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京00）

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大直徑灌注樁水平承載特性及規(guī)律研究

王亞強(qiáng)1，曹建軍2
（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210022）

由于水平荷載作用下樁土相互作用的復(fù)雜性，準(zhǔn)確分析樁基水平承載力特性往往較為困難。基于某港口擋潮閘工程水平承載樁靜載試驗(yàn)，對(duì)淤泥質(zhì)地基中不同直徑及樁長(zhǎng)的灌注樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水平承載力試驗(yàn)。

灌注樁；靜載試驗(yàn)；極限承載力；樁身彎矩

引　言

在一般建構(gòu)筑物中，樁基通常是用作承擔(dān)結(jié)構(gòu)物自身或者外界豎向荷載，滿足沉降變形要求［1～2］，隨著港口、橋梁、高聳塔型建筑、近海鉆采平臺(tái)、擋土墻等結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，樁基除了承受部分豎向荷載，其水平承載力特性更為重要［3～4］。

港口工程樁基通常都要穿越較厚的軟土層，使樁端嵌入較硬的土層或巖層，此時(shí)樁基礎(chǔ)不僅受豎向的垂直荷載，最主要是受水平荷載，有時(shí)在設(shè)計(jì)中其成為控制荷載。對(duì)于樁基在水平荷載下的受力及破壞機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了較多研究，得到了一些有價(jià)值的結(jié)論及水平承載力計(jì)算方法，但各種方法都有其特定的適用范圍［5～10］。以m法為例，規(guī)范［5］規(guī)定不同的地基處理類型在不同的土層中m法的取值不同，規(guī)范給了一個(gè)大概的取值范圍，但實(shí)際工程由于其現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性，參數(shù)本身也是一個(gè)狀態(tài)量，合理的確定參數(shù)是很不容易的，針對(duì)某些大型的I類重要型的建筑（構(gòu)筑物），規(guī)范建議要做水平承載樁靜載試驗(yàn)為合理設(shè)計(jì)提供參數(shù)，確保工程的順利完成、安全運(yùn)行。

本文基于某港口擋潮閘樞紐工程樁基水平承載力測(cè)試項(xiàng)目，該擋潮閘樞紐工程地處出海口，淤土廣泛分布，淤土有高含水率、高壓縮性、高空隙比等特點(diǎn)，特殊地基處理本身就是一個(gè)難點(diǎn)，擋潮閘又要承受巨大的水平荷載（船舶靠岸、波浪力、水流力等），加上可供參考的同類工程較少，鑒于此對(duì)該擋潮閘樁基開展水平承載樁靜載試驗(yàn)，分析了淤泥土地基中大直徑灌注樁水平承載力特性，對(duì)類似工程有所借鑒作用。

1　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件

1.1地質(zhì)條件

示例工程位于新沭河臨海口，地貌分區(qū)屬沂沭丘陵前緣帶狀平原區(qū)，地貌形態(tài)屬第四紀(jì)濱海相沉積而形成的海濱灘涂。場(chǎng)地淤土廣泛分布，淤土有高含水率、高壓縮性、高空隙比等特點(diǎn)。為了確定場(chǎng)地內(nèi)擋潮閘樁基水平承載力，確保擋潮閘安全穩(wěn)定性，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行幾根試驗(yàn)樁水平承載力測(cè)試，土層地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1　土層厚度及參數(shù)

1.2測(cè)力元件的埋設(shè)

本樁基水平承載力試驗(yàn)包括3根不同尺寸灌注樁水平推力試驗(yàn)。3根試驗(yàn)樁尺寸大小如表2所示。

表2　試驗(yàn)樁基本參數(shù)

試驗(yàn)為量測(cè)施加水平推力時(shí)樁身內(nèi)力分布，在灌注樁鋼筋籠和樁側(cè)土體中埋設(shè)了測(cè)力元件—振弦式鋼筋計(jì)。鋼筋計(jì)直徑Φ12 mm，其按照設(shè)計(jì)位置分別焊接在鋼筋籠上不同高度處，每根樁共埋設(shè)鋼筋計(jì) 20個(gè)，對(duì)稱分布在不同高程處，用于量測(cè)施加水平推力時(shí)樁身應(yīng)力分布，從而得彎矩及其它內(nèi)力分布。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1臨界和極限荷載影響因素分析

本次試驗(yàn)用樁為非工程樁，故試驗(yàn)加載至荷載維持不住為止，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)樁頂水平位移一般達(dá)到80 mm左右，由于樁側(cè)土體性質(zhì)較差，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)樁體沒有發(fā)生破壞，試驗(yàn)完成后的低應(yīng)變檢測(cè)印證了這一點(diǎn)。

1）樁徑對(duì)臨界荷載和極限荷載的影響

選擇直徑0.8m的b2樁和1.2m的a1樁進(jìn)行分析，其中上下表距0.7m，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制各樁水平力和水平位移關(guān)系曲線、水平位移梯度曲線分別如圖2～圖5所示。

圖2　b2樁水平力與水平位移曲線

圖3　b2樁水平力與力位移梯度曲線

圖4　a1樁水平力與水平位移曲線

圖5　a1樁水平力與力位移梯度曲線

b2樁在水平荷載增加至120 kN時(shí)，力作用點(diǎn)水平位移已達(dá)到7.57 mm，此時(shí)樁土接觸處出現(xiàn)微小斜裂縫，水平荷載加至240 kN時(shí)，水平位移達(dá)到72.64 mm，此時(shí)荷載已維持不住，試驗(yàn)終止；a1樁在水平荷載為300 kN時(shí)，水平位移為6.5 mm，水平荷載為600 kN時(shí)，水平位移與前幾級(jí)相比變化比較連續(xù)，待加荷載至660 kN，水平位移發(fā)生突變，荷載維持不住，試驗(yàn)終止。

對(duì)比圖3和圖5，b2樁的臨界荷載和極限荷載分別為160 kN和240 kN左右；a1樁臨界和極限荷載分別為360 kN和480 kN，0.4m樁徑增大對(duì)臨界和極限荷載的提高幅度分別為125%和100%。

通過不同樁徑灌注樁的臨界和極限荷載的對(duì)比可見，增大樁徑可以明顯的提高單樁水平承載力，且提高幅度較大；從位移角度分析可見，樁徑增大可以有效的限制樁頂位移，建議位移控制樁基設(shè)計(jì)中，首先考慮增大樁徑來(lái)提高樁基水平承載力。

2）樁長(zhǎng)對(duì)臨界和極限荷載的影響

b3樁水平力與水平位移和水平力與力位移梯度關(guān)系曲線分別如圖6和圖7所示。由臨界和極限荷載的確定方法得 b3樁臨界和極限荷載分別為120 kN和200 kN，由于b2樁臨界和極限荷載分別為120 kN和200 kN，通過臨界和極限荷載的對(duì)比可見，樁長(zhǎng)增大5m對(duì)臨界和極限荷載沒有影響，可知16m的樁長(zhǎng)在該區(qū)域已經(jīng)超過有效樁長(zhǎng)，故在淤土地基設(shè)計(jì)中要考慮有效樁長(zhǎng)的影響，做到合理設(shè)計(jì)。

圖6　b3樁水平力與水平位移曲線

圖7　b3樁水平力與力位移梯度曲線

2.2樁身彎矩影響因素分析

由于樁身埋設(shè)了鋼筋應(yīng)力計(jì)，可以測(cè)得樁身對(duì)稱分布的應(yīng)力，假定混凝土沒有開裂，則彎矩計(jì)算公式有材料力學(xué)可得：

式中：b0為同一測(cè)試斷面處拉、壓應(yīng)變測(cè)點(diǎn)間距（m）；I為樁截面慣性矩（m4）；E為樁體彈性模量（MPa）。

根據(jù)單樁水平承載靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)分析不同樁徑、樁長(zhǎng)、場(chǎng)地條件對(duì)彎矩分布的影響。

1）樁徑對(duì)樁身彎矩的影響

由實(shí)測(cè)各樁在各級(jí)荷載下彎矩分布，分析不同樁徑對(duì)樁身彎矩的影響，各樁在各級(jí)荷載下彎矩沿樁身分布曲線分別如圖8～圖9所示。

由圖可見，樁身彎矩主要發(fā)生在樁體上部，且彎矩值隨水平荷載的增加而逐漸增大，在臨界荷載以內(nèi)，土體處于彈性階段，彎矩變化相對(duì)比較均勻，超過臨界荷載后，彎矩增幅較大，原因是上部土體逐漸屈服，由于超過臨界荷載彎矩值參考價(jià)值不大，故本文沒有給出。

由圖8～圖9可知，影響樁體水平承載力的土層主要在7m以上，其下的彎矩值很小即土體對(duì)樁的水平承性能貢獻(xiàn)很小，可見為提高樁的水平承載能力，改善上部土體物理力學(xué)性質(zhì)效果比較明顯，泥面8m以下彎矩值趨于0，說明設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)完全滿足有效樁長(zhǎng)要求，且有較大裕度，樁身最大彎矩發(fā)生在泥面以下3m左右，且隨著荷載的增加最大彎矩點(diǎn)的位置有向下移動(dòng)的趨勢(shì)，但變化幅度不大。

對(duì)比圖8和圖9，可見增大樁徑對(duì)提高樁基抗彎能力的效果相當(dāng)明顯。通過上述數(shù)據(jù)可見增大樁徑可以有效的提高樁基抗彎能力，且在荷載較大時(shí)這種提高幅度表現(xiàn)的比較明顯。

圖8　b2樁各級(jí)荷載下彎矩分布

圖9　a1樁各級(jí)荷載下彎矩分布

2）樁長(zhǎng)對(duì)樁身彎矩的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，b2樁在水平荷載為80 kN 和120 kN時(shí)樁身最大彎矩值分別為197.3 kN·m和285.4 kN·m；b3樁在水平荷載為80 kN和120 kN時(shí)時(shí)樁身最大彎矩值分別為201.9 kN·m和282.6 kN·m。水平荷載為 80 kN時(shí) b2樁與 b3樁樁身應(yīng)變之比為0.98，此時(shí)樁長(zhǎng)增加5m對(duì)樁基抗彎能力的提高幅度為2%；水平荷載為120 kN時(shí)，b2樁與b3樁樁身應(yīng)變之比為1.01，比值說明，此時(shí)b2樁樁身應(yīng)變大于b3樁，即樁長(zhǎng)的增加不能沒有提高樁基抗彎能力，反而有微小的降低，造成這種結(jié)果的原因是現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)有一定誤差。通過上述對(duì)比及數(shù)據(jù)分析可見，增大樁長(zhǎng)對(duì)提高樁基抗彎能力效果甚微，原因是此時(shí)的樁長(zhǎng)已經(jīng)超過有效樁長(zhǎng)，再次印證了上面的結(jié)論，即樁長(zhǎng)完全滿足設(shè)計(jì)要求，且有較大富余。

3　結(jié)　論

1）樁徑的增加可以較大幅度的提高樁基的臨界和極限荷載。樁徑增大0.4m對(duì)單樁臨界和極限荷載的提高幅度分別為125%和100%，可見增大樁徑是提高樁基水平承載力最直接、最有效的方法。

2）當(dāng)樁長(zhǎng)超過該地區(qū)的有效樁長(zhǎng)時(shí)，增大樁長(zhǎng)對(duì)提高樁基水平承載力或限制樁身水平位移效果甚微，由試驗(yàn)增大樁長(zhǎng)對(duì)水平承載了幾乎沒有影響可知試樁樁長(zhǎng)完全滿足該地區(qū)的設(shè)計(jì)要求，且有較大富余。

3）樁身的位移和彎矩都集中在樁身上部，最大彎矩點(diǎn)的位置在樁身中部偏上，根據(jù)水平承載樁的特性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)樁身上部采用箍筋加密布置的方式來(lái)增加其抗彎能力。

［1］史佩棟.樁基工程手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［2］韓理安.水平承載樁的計(jì)算［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2004.

［3］俞武華，宋磊鵬.某碼頭工程大直徑嵌巖樁的承載力試驗(yàn)［J］.港工技術(shù)，2012，49（6）：18-20.

［4］馬志濤.水平荷載下樁基受力特性研究綜述［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（5）：546-551.

［5］JGJ94-94 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

［6］胡立萬(wàn)，周建國(guó).單樁水平承載力計(jì)算方法的比較分析［J］.遼寧交通科技，2003（4）：19-22.

［7］汪德敏，潘志炎，龔維明.軟土地區(qū)特長(zhǎng)樁水平承載特性研究［J］.中外公路，2009，29（6）：68-70.

［8］謝耀峰.港口工程樁基水平承載力和負(fù)摩擦力的研究［D］.河海大學(xué)，2003.

［9］田力，汪宏，琚國(guó)寧，等.ANSYS 在水平承載樁中的應(yīng)用［J］.港工技術(shù)，2014，4：8.

［10］Dyson G J，Randolphm F.Monotonic lateral loading of piles in caicareous sand［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127（4）：346-352.

Research on Lateral Bearing Capability and Rules of Large-diameter Driven Cast-in-place Pile

Wang Yaqiang1，Cao Jianjun2
（1.CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China； 2.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210022，China）

It is difficult to accurately analyze the lateral bearing capability of pile foundation due to the complexity of pile-soil interaction under the lateral load.Based on the static test on the lateral bearing pile used in the tidal gate project of a port，the field test of the lateral bearing capacity has been done for the cast-in-place piles with different diameters and length driven into silt base.

driven cast-in-place pile； static test； ultimate bearing capacity； flexural moment of pile body

TU473.1+1

A

1004-9592（2016）04-0090-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160422

2015-06-25

王亞強(qiáng)（1982-），男，工程師，主要從事城市軌道交通工程建設(shè)。