混凝土灌注樁水平承載性能研究

蔡顯珍

（渤海石油航務建筑工程有限責任公司，天津 300450）

0 引言

近年來，隨著高層與大跨度建筑物的不斷增加，在地基、荷載以及變形等方面的控制要求也越來越嚴格，同時為混凝土灌注樁提供了更為廣泛的應用空間。由于混凝土灌注樁樁基沉降量小、承載力大以及結構穩定程度良好等優勢，有利于應對各種荷載性質與地基條件。但是，由于工程場地土層類型的復雜性與多樣性，會對混凝土灌注樁的水平承載性能構成影響，進而影響到工程項目整體質量。因此，制定合理的水平承載性能測試方案，可以有效提升樁基的應用質量，對工程項目的順利完工具有重要意義。

1 混凝土灌注樁技術

在土木建筑工程中，當地基淺層土質無法滿足建筑物對地基承載力與變形的要求時，可以采用混凝土灌注樁來配合施工，通過將灌注樁與深土層進行結合，以此強化樁基的深基礎能力。尤其是在工業技術飛速發展的今天，混凝土灌注樁應用技術得到了飛速發展，已經在各類施工領域取得良好的應用效果。例如鐵路公路大橋、超高層建筑、重型倉儲以及港口碼頭等建筑，都需要結合混凝土灌注樁施工技術，以強化工程整體質量[1]。

混凝土灌注樁基礎又被稱為樁基，通常情況下由埋在土中的樁身與承臺組成。在實際施工中，樁基礎可以由單根樁基構成，同時也可以由多根樁基構成，大部分情況下是選用后者，這樣可以強化樁基礎的穩定結構。此外，上部荷載通過承臺傳遞給樁頂與地基中的樁身，可以有效緩解整體受力情況，利用水平荷載性能調整樁基的水平力與上拔力。混凝土灌注樁通常應用于以下工程情況：

（1）當建筑物荷載系數較大且地基性質軟弱時，此時原始地基無法滿足建筑結構的穩定性要求，而且無法保證建筑環節與后期應用環節的沉降系數，對建筑物的穩定性構成威脅，因而采用混凝土灌注樁施工方式[2]。

（2）結合工程質量要求、技術指標以及施工條件進行綜合分析時，采用混凝土樁基礎比天然地基的應用效果更加良好。

（3）當工程項目為超高層建筑物且對整體傾斜程度有嚴格要求時，采用混凝土灌注樁施工技術。

（4）當大型、重要、精密機械設備的基礎對地基有嚴格要求時，采用混凝土灌注樁施工技術。

（5）如果工程項目建成后的沉降問題會對周邊建筑物構成影響，為控制該建筑物的沉降程度，需要采用混凝土灌注樁施工技術。

2 水平承載性受力分析

水平承載樁的工作性能主要取決于土層與樁身的相互作用。無論是部分埋置方式還是完全埋置方式，樁身周圍的土體都會與之產生對抗，進而承擔水平荷載。尤其是樁身在水平荷載力矩的影響下容易造成彎曲現象，也就是樁身產生彎曲應力與水平變位。在此過程中需要對樁身產生的外力進行承擔，以此改變土層結構應力對樁身位置產生的影響[3]。

當樁身的水平荷載系數較低時，這一抗力主要來自于靠近地面的土體，而且土的變化程度取決于相關的彈性系數。也就是樁身在下沉過程中，其周圍土體始終處于彈性壓縮階段，當水平荷載系數逐漸增加時，樁身的下沉情況也會隨著周圍土體應力情況而改變，進而使水平荷載向更深度的土層傳遞，當深度土層的整體結構無法控制時，便會導致樁身失去穩定性，也就是土體與樁身之間的關系被破壞[4]。

因此，分析混凝土灌注樁的水平承載性時，不外乎解決兩個問題，即樁身變形問題與樁身極限承載力。具體可以采用彈性理論法、極限地基反力法、彈性地基反力法以及線彈性地基反力法等方式。

（1）彈性理論法。對樁身周圍土體的彈性系數進行假定，并且根據變化規律將樁身的長度與直徑分為若干微段，同時根據無限體中承受水平力的情況，計算樁身的位移數值，使用有限差分的方式進行表達，以此得到每一微段的水平承載能力。

（2）極限地基反力法。認定結構破壞來源于土中，該計算方式適用于埋入深度較大的灌注樁，而且對樁身剛性也有要求，通常不適用于柔性樁。如果樁身較長且柔性系數較高時，樁身本體不會產生剛體平移，因此樁身周圍的土體不可能同時達到屈服極限。

（3）線性彈性地基反力法。假定地基為服從胡克定律的彈性體，也就是一定類別的土質達到對地基反力的模型。然而該假定忽略了樁身周圍土質的相互影響與連續性，因此在分析水平承載性能時會產生部分偏差[5]。

3 混凝土灌注樁水平承載性能試驗

3.1 水平荷載試驗

混凝土灌注樁水平荷載試驗的目的是充分了解水平荷載作用下轉樁身的強度特征與變化值，因此主要測試內容包括樁身在不同情況下的內力、樁頂水平變形情況以及樁底水平變形情況。此外，在進行單樁水平荷載性能測試時，還要滿足以下要求：

（1）針對試樁的承載能力進行測定，檢驗與測定試樁的水平承載能力的主要目的是對水平位移曲線進行測定，以此分析樁身與地下土層的相互作用關系，同時還可以參考樁身的實際變化情況進行判定。

（2）針對樁身與樁頂荷載系數進行研究分析，進而明確水平力與水平位移之間的相互關系。

（3）準確測定樁身在各類荷載作用下的撓度與彎矩情況，以此判斷樁身的彎矩與內力分布情況。

3.2 現場試驗

針對某工程項目中的單樁水平荷載性能進行實地試驗。具體情況：試驗樁為混凝土灌注樁，樁底標高30.135 m，位于砂土層上部的粉土層中，樁底標高12.635 m，位于砂土層中，試驗樁整體樁長17.5 m，配筋模式為HRB400，試驗樁樁徑600 mm，采用C30 型號混凝土進行灌注，本次試驗中的最大水平荷載數值為300 kN。該工程項目施工現場的土層結構依次為填土層、粉土層、砂土層、黏土層和礫土層。

試驗過程中采用反力架設備，同時采用千斤頂施加水平力。加載方式采用分級觀測模式，將荷載分級設計預估值范圍設置成最大荷載的1/10～1/15，并且初次采用150 kN 的荷載，隨后的試驗采用15 kN 遞增的方式，逐漸增加至300 kN。

3.3 數據處理

（1）鋼筋受力。通常情況下，安裝在混凝土灌注樁內的鋼筋會受到整體結構與張緊程度的影響，從而使鋼筋計的自振頻率發生變化。因此在使用鋼筋計時，要準確計算其受力與輸出頻率之間的實際關系，這樣可以根據試驗得到的鋼筋計輸出方式計算鋼筋受力，在確定鋼筋不會受到外在因素與各種應力的影響后，便可以明確混凝土灌注樁的整體結構[6]。再結合樁身與周圍土層的相互影響關系，為水平承載性能的計算與控制提供數據支持。

（2）樁身截面彎矩。需要根據材料力學中關于樁身的相關系數進行驗證。通過測量拉壓應變測點的實際間距，并結合樁身的符合模量，不僅能計算出樁截面對中性軸的慣性彎矩，還可以對樁截面上兩個鋼筋計的軸向應變差進行計算，根據計算出的鋼筋彈性模量、鋼筋計受力以及鋼筋橫截面積，對土體的影響程度進行計算。

（3）樁身撓曲線。樁身轉角與撓度可以直接由樁身截面中不同測點的軸向應變點位差值計算，而且這種分析方式具備誤差小的優勢，可以大幅度提升撓度曲線的計算精度。

3.4 結果分析

根據水平荷載性能分析方式，對混凝土灌注樁的實際情況進行測試，可以分別計算出臨界荷載、極限荷載以及鋼筋計的相關測量結果。

（1）臨界荷載測量結果分析。混凝土樁身的最大彎矩斷面會受到拉開區域與保護層之間斷裂狀態的影響，為保證這種斷裂形式不會破壞樁身的整體結構，根據實際情況制定臨界狀態。通過力與位移曲線的觀測，當斷裂系數所產生的水平荷載變化系數為120 kN 時，該荷載引起的位移量比上級有明顯增加的狀態，因此可以確定樁身的臨界荷載數值為120 kN，同時還能得到相應的水平位移為2.47 mm。

（2）極限荷載測量結果分析。當混凝土樁身最大彎矩斷面受到拉面影響時，樁身內部鋼筋發生屈服狀態稱為極限狀態，也就是水平荷載情況與極限荷載相同，因此在該荷載系數的影響下，樁身與周圍土體之間的相互關系會產生明顯變化，因此可以確定樁身的臨界荷載數值為270 kN。當然，整個樁身的長度也會對極限荷載數值造成影響，并且在樁身的深度與反彎點都不確定時，能夠分析出樁身周圍的土體變軟，會導致反彎點下移。當樁頂變形范圍較大時，樁身周圍的土體則會變硬，在此過程中反彎點不會產生變化。

4 結語

綜上所述，混凝土灌注樁的水平承載性能取決于樁基與土體之間的相互作用。在水平荷載作用下，灌注樁身的彎矩在一定程度內會出現較為突出的峰值，而且在灌注樁入土深度越來越大時，灌注樁自身的彎矩也會隨之降低。此外，本研究結合工程案例進行分析，根據實驗結果可知，灌注樁的水平承載性能主要受地下土質情況的影響，因此施工前要對土質情況進行勘察，并保證勘察結果的準確性，明確加載方式對樁基的影響程度，這樣才能減少樁身施工中的水平位移，進而強化混凝土灌注樁的水平承載性能。