臺州灣大橋混合樁水平承載力性能研究

摘要：為研究基樁在水平荷載作用下的承載力性能，文章以臺州灣大橋混合樁為依托開展現(xiàn)場試驗，采用對頂法對試驗樁進(jìn)行加載，通過樁身布設(shè)的應(yīng)變計、測斜管等設(shè)備的量測結(jié)果，分析了樁身彎矩剪力、水平位移以及土抗力分布規(guī)律。結(jié)果表明：研究試驗樁在水平荷載作用下，樁身最大彎矩出現(xiàn)在12 m附近；側(cè)向位移與深度基本呈線性分布，樁身與土的變形主要發(fā)生在上部，在距離地表深度15 m以下側(cè)向變形較小，位移基本為0 mm；樁抗彎剛度隨著水平荷載的增大而減小，且隨水平荷載的增大，抗彎剛度減小速率趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：相混合樁；水平承載力；現(xiàn)場試驗；土抗力

文圖分類號：U445.55+1" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.053

文章編號：1673-4874（2024）11-0180-03

0引言

在橋梁和水利工程中，由于作業(yè)平臺經(jīng)常受波浪以及水流的水平作用力影響，故確定樁基的水平承載力具有重要的實際工程意義［1］。確定樁基的水平承載力方法比較多，常用的包括地基反力法、p-y曲線法等［2-6］。但是受地質(zhì)條件的差異性以及理論參數(shù)的局限性，采用理論推導(dǎo)或者經(jīng)驗-半經(jīng)驗公式法存在較大的誤差。目前相關(guān)研究較多集中于樁的豎向承載力的確定［7-8］，關(guān)于水平承載力確定方面的研究較為匱乏。陳正等［9］基于ABAQUS軟件研究了小直徑鉆孔灌注樁在水平荷載下的工作性能。結(jié)果表明，樁身直徑、樁周土體的內(nèi)摩擦角，是影響高柔性微型樁水平承載力的主要因素。覃勇剛等［10］采用p-y曲線法分析了杭州灣大橋鋼管樁水平極限承載力的影響要素，并對安全性進(jìn)行了評估。

1工程概況及地質(zhì)條件

1.1工程概況

臺州灣大橋地處浙江中部沿海，大橋起訖樁號為K147+768～K151+806，路線長度為4.038 km。大橋樁基采用鉆孔灌注樁，實際施工中，由于鋼護(hù)筒的深度大于河流沖刷線，基樁會在上部形成鋼管與混凝土組合樁身，下部形成鋼筋混凝土樁，且整個樁身截面呈上大下小的變化趨勢。此外，鋼套管會產(chǎn)生環(huán)箍效應(yīng)，在樁的上部表現(xiàn)出鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的承載特性。

1.2工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于位于臺州海積平原，擬建大橋橫跨椒江河道，河道高程變化范圍為-6.0～-2.0 m，河床地形表現(xiàn)出平緩變化的趨勢，根據(jù)現(xiàn)場鉆探資料揭示（圖1），河床地層由上到下分別為淤泥質(zhì)黏土，海積和沖海積軟塑狀黏性土和呈軟塑-可塑狀的海積黏性土。其中，表層淤泥質(zhì)黏土厚22～35 m，下部黏性土厚13.6～32.60 m，中部海積黏性土層局部為沖湖積粉質(zhì)黏土。根據(jù)承載力試驗，中下部土層分布圓礫土，其中第一層圓礫厚6.1～18.50 m，第二層圓礫厚3.7～14.70 m，可作為樁基持力層。

1.3試驗方法

試驗所用樁鋼護(hù)筒為振動錘擊沉樁，樁身直徑1.8 m，樁頂標(biāo)高+4.50 m，樁底標(biāo)高-83.40 m，水平承載力試驗樁參數(shù)見表1、表2。承載力測試采用對頂法，用臥式千斤頂施加荷載，相鄰樁提供反力，研究混合樁水平荷載時的承載性能。在樁身的鋼管、混凝土內(nèi)埋設(shè)量測元件（圖2），分析鋼管與混凝土的協(xié)同工作性能，分析混合樁的水平地基反力系數(shù)及彎曲剛度。

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTJ 3363-2019）［11］，加載時每級荷載大小可取估計最大荷載的1/10，卸載時可取2倍加載級。試驗終止條件滿足：（1）水平力作用點處位移量≥50 mm，加載即可終止；（2）加載量達(dá)到設(shè)計要求最大荷載值，加載即可終止。

2結(jié)果分析

根據(jù)水平加載曲線（圖3），加載至最大荷載800 kN時，試樁受力點處實測位移為15.07 mm。卸載至0 kN時，殘余實測位移為3.50 mm，表明在整個水平加載過程中，樁身變形處于彈性工作階段，試驗結(jié)果滿足水平承載力要求。

2.1樁身應(yīng)變與彎矩分析

在水平荷載作用下，通過樁身內(nèi)預(yù)制鋼筋計所所測應(yīng)變值，進(jìn)一步計算出樁身的彎矩值：

M=ElΔε/l0（1）

式中：l0——測點的間距；

E——混凝土的彈性模量；

I——樁截面慣性矩；

Δε——截面處的應(yīng)變。

圖4匯總得到了試驗樁身彎矩分布曲線，結(jié)果表明樁身彎矩在各級荷載作用下分布規(guī)律基本一致，其中樁身彎矩在距離水平加載面12 m附近處達(dá)到最大，在各級荷載下最大彎矩分別為1 200 kN·m、2 000 kN·m、2 900 kN·m、3 600 kN·m、4 200 kN·m、5 000 kN·m及6 200 kN·m。在相同加載荷載作用下，以彎矩最大值為臨界點彎矩值隨深度的增大基本為線性增大。

以彎矩最大值所在截面作為分析截面，將試驗中測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)按截面高度繪制出應(yīng)變與截面高度的關(guān)系圖（圖5）。結(jié)果表明，同一截面上應(yīng)變隨截面高度的增大而呈線性增大，具體表現(xiàn)出受拉區(qū)域明顯大于受壓區(qū)域，即截面中性軸向受壓側(cè)靠近。由此可見，根據(jù)平截面假定，實測值與理論值吻合度較高。樁在實際工作狀態(tài)中，鋼護(hù)筒與樁共同工作，共同承擔(dān)水平荷載。

2.2樁身位移分析

下頁圖6所示為樁身水平位移。結(jié)果表明，樁身與樁周土的水平變形主要發(fā)生在樁的中上部15 m范圍內(nèi)，在地表15 m以下，樁土水平變形基本為0 mm，證明樁端的約束作用較強(qiáng)。根據(jù)樁身的側(cè)向變形規(guī)律發(fā)現(xiàn)，樁的側(cè)向變形主要發(fā)生在淺表層的軟弱土層中。因此實際工程中，對于淺表層軟弱土層的加固處理是必要的。

此外，在水平荷載作用下土的側(cè)向位移與深度基本呈線性分布，試樁呈繞樁端轉(zhuǎn)動的形態(tài)。當(dāng)荷載加載至800 kN，水平位移變形更為明顯達(dá)到最大值15.07 mm，但從上部的變形結(jié)果來看，仍可視為近似線性分布。

2.3樁身剪力分析

根據(jù)樁身彎矩分布曲線，得到樁身剪力分布規(guī)律如圖7所示。結(jié)果表明，在水平外荷載的作用下，樁身剪應(yīng)力隨著深度的增大而增大，剪力最大值出現(xiàn)的位置在樁頂以下17 m處。剪力分布規(guī)律與嵌巖樁不同的是，嵌巖樁剪力最大的位置一般在地表位置，而對于本文的摩擦型樁而言，剪力最大值出現(xiàn)在樁頂以下一定深度位置。

2.4土抗力分析

如圖8所示給出了土抗力與作用點位置變化的曲線圖，總體上土抗力沿埋深方向先增大后減小，土抗力曲線在17 m位置出現(xiàn)零值，且繼續(xù)向下，土抗力方向改變，即該位置出現(xiàn)樁身變形。

如圖9所示給出了土抗力隨水平位移的變化規(guī)律曲線，結(jié)果表明，土抗力的變化與水平位移呈正相關(guān)關(guān)系，但隨著水平位移的增大，土抗力增大速率逐漸減小，當(dāng)樁的水平位移增大至一定程度時，土抗力基本保持不變。在p-y曲線上表現(xiàn)出隨深度的增加逐漸陡直，曲率逐漸增大，土體由彈塑性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成彈性狀態(tài)。

2.5抗彎剛度分析

根據(jù)彈性力學(xué)理論，樁身彎矩與樁身抗彎剛度的關(guān)系可表示為：

M=EI（2）

式中：M——樁身彎矩；

E——樁的彈性模量；

I——樁身截面的慣性矩剛度；

——樁身的曲率。

進(jìn)一步，由于混合樁的剛度較大，樁身轉(zhuǎn)角非常小，故對樁的轉(zhuǎn)角可表示為：

=-d2ydx2=-ddydxdx≈-dθdx（3）

聯(lián)立式（2）代入式（3），并以水平力作用點以下0.3m處截面為研究對象，得到樁身抗彎剛度公式：

EI=M=-0.3H·dxdθ（4）

圖10為樁身抗彎剛度隨水平荷載大小變化的規(guī)律曲線圖，結(jié)果表明樁抗彎剛度隨著水平荷載的增大而減小，在水平荷載＜500 kN時抗彎剛度與水平荷載呈線性關(guān)系，當(dāng)水平荷載＞500 kN時樁身抗彎剛度減小隨水平荷載出現(xiàn)非線性變化特征，且隨水平荷載的增大，抗彎剛度迅速減小，速率逐漸趨于穩(wěn)定。

3結(jié)語

（1）試樁在水平加載過程中，始終處于彈性變形階段，滿足彈性力學(xué)理論。當(dāng)水平荷載增大至800kN時，水平力作用點的最大位移為15.07mm；當(dāng)水平荷載卸載至0kN時，殘余變形最大值為3.50mm。結(jié)果滿足樁的水平承載力要求。

（2）樁身最大彎矩出現(xiàn)在12m附近，側(cè)向位移與深度基本呈線性分布，試樁與土的變形主要發(fā)生在上部，當(dāng)深度＜15m，側(cè)向變形較小，位移基本為0mm。

（3）樁抗彎剛度隨著水平荷載的增大而減小，在水平荷載＜500kN時，抗彎剛度與水平荷載呈線性關(guān)系，當(dāng)水平荷載＞500kN時，樁身抗彎剛度與水平荷載關(guān)系呈現(xiàn)非線性關(guān)系，具體表現(xiàn)為隨水平荷載的增大，抗彎剛度減小速率趨于穩(wěn)定。

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作者簡介：孔志鵬（1987—），工程師，主要從事土木工程檢測、咨詢方面的研究工作。

收稿日期：2024-05-08