單樁水平靜載試驗各項測試參數分析

張開偉，郅正華，李志勇

(河北建設勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

單樁水平靜載試驗各項測試參數分析

張開偉*，郅正華，李志勇

(河北建設勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

單樁水平靜載試驗主要用于確定樁基的水平承載力，其次用來了解樁基在水平荷載的作用下其內力變化和位移變形。通過實際樁基檢測項目采用慢速維持荷載法結合鋼筋應力測試技術對單樁水平靜載試驗所涉及的大部分試驗參數進行測試，對樁基水平抗力、拉-壓應力、彎矩、撓度及土抗力-位移變化等參數進行計算，詳細地分析試驗樁基在水平荷載的作用下的變化狀態及結果。

樁基礎；單樁水平靜載試驗；變形計算；應力計算

1 前 言

樁基靜載試驗是一種獲取樁基承載特性的最直接方法，理論上是無可爭議的樁基承載力檢測技術，在確定單樁極限承載力方面，它是目前最為可靠和準確的測試方法，因此，不同行業中地基基礎設計處理規范都把樁基靜載試驗列入首要位置。作為樁基靜載試驗重要的一種組成部分，單樁水平靜載試驗與單樁豎向抗壓靜載試驗相比，樁基的水平受力特性更為復雜。單樁水平靜載試驗主要用于一些安全等級要求較高的重大工程項目中，目前，確定樁基水平承載力的理論方法主要有P-y曲線法、NL法及彈性地基反力法。彈性地基反力法主要基于Winkler地基模型，將樁周土看作彈性體，用梁的彎曲理論求解土抗力，同時假設樁側抗力僅與土的深度和樁的撓度有關。根據地基反力系數K的不同假設，彈性地基反力法又可以分為c法、K法、m法及常數法等。文章利用彈性地基反力法中的K法對國內某城際高速鐵路混凝土灌注樁的單樁水平靜載試驗數據進行綜合計算分析，通過對樁基水平抗力、拉-壓應力、彎矩、撓度及土抗力-位移變化等參數的計算結果，詳細地了解試驗樁基在水平荷載的作用下的變化情況及結果。

2 試驗項目試樁概況

該項目試樁位置位于天津市北辰區，在線路里程為DK103 +187下行方向左側 15.0 m。本試驗區為一組試樁，包括3根試樁和8根錨樁，均采用鉆孔灌注成樁工藝，樁徑均為 1 000 mm，樁長均為 52.9 m，樁身混凝土強度等級均為C30。試樁樁頂以下一倍樁徑范圍內設 3 mm～5 mm厚鋼護筒圍裹，為便于水平載荷試驗，試樁配筋上部 0.0 m～12.0 m為30φ20，下部 12.0 m至樁底為15φ20。錨樁配筋為20φ32，全樁長等截面配筋率。具體的巖土參數如表1所示。

各土層參數表 表1

3 試驗設備安裝及過程方法

試驗采用《建筑基樁檢測技術規范》規定的慢速維持荷載法。施加荷載采用錨樁作為反力支墩，具體觀測安裝圖如圖1所示。采用油壓千斤頂施加水平力，水平力作用線須通過地面標高以下 0.5 m處，且低于樁頂以下 0.5 m。荷載監控根據油壓表和千斤頂的率定曲線或荷重傳感器進行控制。樁身產生水平位移時，通過安置在樁身水平力作用平面上和其上 50 cm(注：須準確測量上下位移傳感器之間的距離)處的位移傳感器進行觀測。加載應均勻、無沖擊、分級進行，每級加載量預估為 30 kN～50 kN。水平位移未達到穩定，不得進行下一級加載。每級加載后的觀測時間為：每級加載完后立即觀測，然后第1小時內每隔 15 min觀測1次；第2小時內每隔 30 min觀測1次；第3個小時起，每1小時觀測1次。

圖1 單樁水平靜載試驗裝置圖

樁基施工時在試樁的鋼筋籠主筋上同軸焊接安裝了由北京建筑科學研究院生產的CGJ-YB-φ20的鋼筋計。各樁鋼筋計測試斷面分布位置(自樁頂向下計算深度)如表2所示。

鋼筋應力計檢測斷面分布位置 表2

4 試驗資料整理分析

受到文章篇幅限制，本文只拿該項目的S1號樁基的單樁水平靜載試驗結果進行分析。

4.1 水平承載力取值

根據試驗數據繪制水平力-時間-位移(H-t-Y0)曲線、水平力-位移梯度(H-△Y0/△H)曲線及其他輔助解釋曲線。單樁水平臨界荷載取H-t-Y0曲線出現突變(相同荷載增量的條件下，出現比前一級明顯增大的位移增量)點的前一級荷載，或取H-△Y0/△H曲線第一直線段的終點。單樁水平極限荷載取H-t-Y0曲線出現明顯陡降的前一級荷載，或取H-△Y0/△H曲線第二直線段的終點對應的荷載。

圖2 S1號試樁單樁水平載荷試驗曲線圖

試樁H-Y曲線分析：從圖2H-Y曲線形態可知，當水平荷載小于 240 kN時，試樁水平位移較小，從曲線形態看，240 kN對應于第1直線段的臨界位置，試樁水平承載力特征值可取為Ha=240 kN，當水平荷載為 320 kN～480 kN時，樁身水平位移開始明顯增大，每級水平位移達到 8 mm以上，說明試樁已經從彈性變形狀態開始進入漸進破壞狀態，因此可取最大加載量的前一級400 kN作為該樁的水平極限承載力Hu。

試樁H-△Y/△H曲線分析：從圖2H-△Y/△H曲線可知，H-Y曲線的第1拐點為 240 kN，第2拐點為 400 kN，兩個特征點分別對應試樁的臨界水平承載力(或承載力特征值)Hcr=240 kN和試樁的水平極限承載力Hu=400 kN。輔助曲線分析結果和H-Y曲線分析結果一致。

4.2 地基土水平抗力系數的比例系數m取值

地基土水平抗力系數的比例系數m根據試驗結果及相關參數按下列公式計算：

式中：m—地基土水平抗力系數的比例系數(MN/m4)；Hcr—單樁水平臨界荷載(kN)；xcr—單樁水平臨界荷載對應的位移(mm)；vx—樁頂位移系數，可在檢測規范查表確定；b0—樁身計算寬度(m)，在圓形樁，當直徑d≤1 m時，b0=0.9(1.5d+0.5)EI—樁身抗彎剛度。

通過以上公式計算可得該樁地基土水平抗力系數的比例系數m如表2所示。

S1號試樁地基土水平抗力系數的比例系數m成果表 表2

圖3 S1號試樁m值計算分析成果圖

地基土水平抗力系數的比例系數m分析：根據圖3可知，地基土水平抗力系數的比例系數m隨水平荷載的變化曲線，當Hcr=240 kN時，m=7 511 kN/m4，根據曲線變化特征回歸得到的m隨H的變化規律為m=3×107×H-1.6732(kN/m4)，曲線拐點位置相當于Hcr=240 kN。

4.3 樁身受力特征分析

根據各觀測斷面實測鋼筋受力數據，計算整理如圖4所示。由于地基土抗力作用，同一荷載級別時拉應力小于壓應力。第5級荷載時，6 m位置拉應力明顯增大，從圖中可以看出最大加載量時最大應力集中在 6 m深度附近。

圖4 S1號樁基樁身實測應力分布圖

4.4 樁身彎矩分布分析

通過試驗測得各測試截面測點位置的拉應力和壓應力，試驗測點位置靠近水平力作用平面與樁橫截面邊緣的交點，實測應力相當于截面最大應力(拉及壓應力)。混凝土未開裂時的截面彎矩按下式計算：

式中：M—測試截面的彎矩(kN·m)；σ拉—受拉側測試的應力值；σ壓—受壓側測試的應力值；d—受拉和受壓傳感器之間的間距(m)；Iz—觀測截面慣性矩m4。

計算樁身彎矩時，按照混凝土允許抗拉強度結合實際拉應力變化特征進行受拉面混凝土開裂修正，修正量根據截面軸向拉力和壓力平衡條件確定，也可參照圖5所示方法進行近似修正，計算公式如下：

圖5 混凝土開裂校正示意圖

式中：σ′拉—根據鋼筋應力計算的混凝土應力。

根據實測受拉鋼筋的最大拉應力計算截面彎矩，截面抗彎模量由全部縱向主筋對樁軸心的慣性矩和混凝土樁身對其軸心的截面慣性矩之和計算而得到，為簡化計算，混凝土彈性模量取為 21 000 MPa(與抗壓試驗觀測值相當)，鋼筋彈性模量取 210 000 MPa。計算獲得的彎矩分布曲線如圖6所示，圖6曲線形態表明，在最大加載量時，最大彎矩點出現的樁身的 6 m深度。最大彎矩點實測應力特征如圖7所示，第1拐點位于 320 kN，與前面測試曲線確定的臨界荷載高一級荷載，第2拐點位于 400 kN，與其他觀測資料對應，即極限承載力Hu=400 kN。

圖6 S1號樁基樁身彎矩分布圖

圖7 S1號樁最大彎矩點鋼筋應力變化曲線

4.5 樁身撓度分析

根據截面彎矩和撓度的關系進行數學運算得到撓度分布曲線。彎矩和撓度的關系為：

式中：y—樁的水平位移(m)；z—深度(m)；M—截面的彎矩(kN·m)。

上述計算過程中，微分方程的邊界條件如下式所示，通過邊界條件確定和校核計算結果。

根據截面彎矩分布計算樁身各部位撓度，計算結果見圖8所示，計算過程中根據受拉和受壓面應力特征確定相應觀測截面的撓度方向。由于計算過程對混凝土開裂進行了校正，因此計算撓度較實際觀測值小。根據樁身位移曲線特征，受最大水平荷載 480 kN時，樁身固定端位于 6 m～8 m之間，與最大彎矩點位置相比略深。

圖8 S1號樁經開裂校正后計算的樁身撓度圖

4.6 樁身撓度分析

樁側土抗力與樁身截面彎矩的微分關系表示為下式所示，通過對彎矩分布的數學運算可求得樁側土抗力分布。

式中：P—樁側土的水平抗力(kPa)；b—樁計算直徑(m)。其他符號同前。

根據臨界荷載(Hcr=240 kN)計算的m=(7511 kN/m4) 值，計算樁側土反力P(h，y)=m(臨界荷載的計算值)×h(計算深度)×y(計算深度的水平位移)×d0(計算直徑)，計算結果如圖9所示。顯然樁側土反力集中在 8 m以上樁身，且在 3 m左右深度存在峰值，對比地質資料，在 3 m深度存在 1.3 m厚度的堅硬黏土，3.1 m～7.8 m為硬塑狀態的粉質黏土，可知計算反力分布與地層的對應情況較好。各觀測斷面樁側土反力隨樁身位移的變化情況如圖10所示，顯然最大水平位移發生在 1.5 m，最大抗力位置在 3 m。

圖9 S1號樁樁身抗力分布圖

圖10 S1號樁樁惻土抗力隨水平位移變化曲線

5 結 論

(1)文章通過對單樁水平靜載試驗獲取的數據，對樁基水平抗力、拉-壓應力、彎矩、撓度及土抗力-位移變化等參數進行了整理計算，詳細全面地分析了試驗樁基在水平荷載的作用下的變化狀態及結果。綜合計算結果確定該樁單樁水平承載力特征值(按強度控制)為240 kN，水平極限承載力為 400 kN，對應臨界荷載的地基土水平抗力系數的比例系數m=7 511(kN/m4)。

(2)試驗加載至最大荷載后，基樁的平均側向最大位移為 7.66 mm。樁身位移曲線特征顯示，受最大水平荷載 480 kN時，樁身固定端位于 6 m～8 m之間，與最大彎矩點位置相比略深，最大加載量時最大彎矩點深度在 6 m附近。計算過程由于對混凝土開裂進行了校正，計算撓度較實際觀測值略小，樁身彎矩隨著荷載的增大最大彎矩截面有逐漸向樁體下部轉移趨勢。

(3)樁側土反力主要集中在 8 m以上樁身，且在 3 m左右深度存在峰值，最大水平位移發生在 1.5 m，最大抗力位置在 3 m。可知在水平荷載作用下，樁體發生彎曲變形部位主要集中在樁身 8 m以上部分，8 m以下的樁身發生變形程度較小。

[1] 張進林，沈軍輝. 單樁水平靜載試驗及成果參數取值問題初探[J]. 水文地質工程地質，2005(4)：100～103.

[2] 敖成友. 單樁水平靜載試驗在預應力管樁基礎工程中的應用[J]. 巖土工程界，2005(12)：35～37.

[3] 張璐. 鉆孔灌注樁的單樁水平靜載試驗實例[J]. 當代建設，2003(5)：44.

[4] 薛寶恒. 單樁水平靜載試驗在某場地擬建工程區的應用[J]. 建筑設計管理，2015(2)：85～87.

[5] 陳祥，孫進忠，蔡新濱. 基樁水平靜載試驗及內力和變形分析[J]. 巖土力學，2010(3)：753～759.

Analysis of Static Load Test of Single Pile Test Parameters

Zhang Kaiwei，Zhi Zhenghua，Li Zhiyong

(The Hebei Research Institute of Construction & Geotechnical Investigation Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050031，China)

Single-pile horizontal static load test is mainly used to determine horizontal bearing capacity of the pile，then to understand the piles under horizontal load under the effect of its internal force variation and displacement. Articles actual project used slow speed maintained load contains method combined steel stress test technology on specification in the by involves of most test parameter for test，on pile base level anti-force，and pulled - pressure stress，and bent moment，and deflection and the soil anti-force - displacement changes，parameter for calculation，detailed to analysis test pile base in level load contains of role Xia of changes state and the results.

pile foundation；static load test of single pile；deformation calculation；stress calculation

1672-8262(2016)06-167-05

TU473.1

A

2016—08—04

張開偉(1982—)，男，碩士，高級工程師，主要從事樁基檢測、工程物探、工程勘察、基坑監測等方面的生產和科研工作。