单桩水平承载力的计算与实测

施 英

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海200092)

1 引言

随着城市的不断发展，高层建筑如雨后春笋般在各个地方一幢幢的拔地而起。高层建筑的基础一般都为桩基础。在抗震设防区高层建筑的桩基要进行桩基的抗震验算，桩基的抗震验算包括单桩的竖向抗震承载力验算和单桩的水平向抗震承载力验算。对基础设计的经济性的控制也逐渐被建设单位和设计单位重视，在满足结构安全的同时，桩数越少就越经济。同时在桩基工程中，桩的水平向抗震承载力变得越来越重要的一个方面，桩在水平荷载作用下的桩土共同作用性状比在竖向荷载作用下要复杂得多，所以单桩水平承载力必须通过单桩水平静载试验确定。

本文就以上海某高层住宅小区为例，对预制桩的单桩水平承载力的确定进行进一步讨论。

2 单桩水平承载力的估算

2.1 计算公式

按照《建筑抗震设计规范》[1](GB 50011—2010)4.4.2.2 条:“当承台周围的回填土夯实至干密度不小于现行国家标准《建筑地基基础设计规范》[2](GB 50007—2011) 对填土的要求时，可由承台正面填土与桩共同承担水平地震作用;但不应计入承台底面与地基土间的摩擦力。”高层建筑都有地下室，所以对于高层建筑，地震水平力由地下室外墙正侧面土体的被动土压力值的1/3与桩共同承担。抗规条文说明中指出，桩负担的地震力宜在0.3～0.9 之间。

根据桩基规范，当桩的水平承载力由水平位移控制，且缺少单桩水平静载荷试验资料时，可按式(1)、式(2)估算预制桩、钢桩、桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩单桩水平承载力特征值:

式中 xoa——桩顶允许水平位移，一般可取10 mm，对于水平位移敏感的建筑物可取6 mm;

υX——桩顶水平位移系数;

m——桩侧土水平抗力系数的比例系数。

应用式(2)时，根据桩基规范附录C第C.0.2条，当基桩侧面为几种土层组成时，应求得主要影响深度hm=2(d+1)范围内的m值作为计算值。

当hm深度内存在二层不同土时:

当hm深度内存在三层不同土时:

2.2 影响理论估算结果的参数

根据式(1)和式(2)可知，桩基水平承载力的计算中桩的水平变形系数α是一个重要的参数，其值与以下参数有关:桩侧土水平抗力系数的比例系数m、桩的截面形式、桩顶约束条件、混凝土强度等级、桩的入土深度等因素。

2.3 关键参数的合理取值

通过计算公式，可以看出在桩型确定的条件下，影响计算结果的变数在于两点:①m值;②υX系数，桩顶约束条件的假定。这两点对Rhd计算结果影响很大，因此取值时尤需慎重。

通过理论方法的研究与工程实例中水平载荷试验[5](在不考虑桩顶竖向荷载作用下)结果的比较分析，已得到以下两点结论:①桩顶铰接(或自由)情况下，按式(1)计算的单桩水平承载力特征值相对适中，m值计算时应综合考虑hm范围内土层性状及其厚度，其值宜按中值取用;②若桩顶固接情况下，该计算公式计算结果相对偏大不够合理，m值宜按偏下限或下限合理取值。

故理论计算时桩顶约束情况取铰接(或自由)为合理，且m值的取值亦取中值。

2.4 实例-预制方桩的水平承载力理论估算

上海某高层住宅小区为多个带地下室的11层及18层的单体组成，剪力墙结构，地下室层高3 m，基础为桩筏基础，桩采用先张法预应力混凝土空心方桩。该基地的土层分布情况为:第①层为素填土，松软，土质差。第②层为褐黄-灰黄色粉质黏土层，该土层为可软塑，中高压缩性，IL=0.64，e0=0.89，平均厚度2.33 m。③层为淤泥质粉质黏土层，为天然的地基软弱下卧层，土层平均厚度12 m。该工程地下室底板底面落于第②层。工程桩采PHS-AB300(160)-C80-28和PHSAB350(190)-C80-28两种桩型。

桩顶水平位移系数υX按桩顶铰接取2.441;xoa取10 mm;通过计算hm得桩侧土层为②层，根据土层的液性指数和孔隙比，m值分别为:按上海《地基基础规范》[3](DGJ 08—11—2010)，取值为4.5 MN/m4;按《建筑桩基技术规范》[4](JGJ 94—2008)，取值为6 MN/m4。计算结果如表1所示。

表1 单桩水平承载力计算结果Table 1 The calculation results of bearing capacity of single pile horizontal

3 考虑桩顶竖向荷载作用的单桩水平载荷试验

3.1 试验要点

《建筑桩基技术规范》[4](JGJ 94—2008)中第5.7.2.2条:对于钢筋混凝土预制桩、钢桩、桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩，可根据静载试验结果取地面处水平位移为10 mm(对于水平位移敏感的建筑物取水平位移6 mm)所对应的荷载的75%为单桩水平承载力特征值。

同时《建筑地基基础设计规范》[2](GB 50007—2011)中第8.5.8条:单桩水平承载力特征值应通过现场水平载荷试验确定。必要时可进行带承台桩的载荷试验。

同上所列的桩基工程所采用的混凝土空心方桩PHS-AB300(160)-C80和PHS-AB350(190)-C80两种桩型进行了单桩水平载荷试验。两种桩型各选3根，共6根试桩。现场加载情况如图1－图3所示。

图1 桩顶堆载图Fig.1 Loading on the pile top

图2 水平荷载作用图Fig.2 Horizontal loading

图3 桩顶铰接图Fig.3 Hinged pile top

桩顶约束情况:

(1)桩顶铰接(或自由);

(2)考虑桩顶竖向荷载的作用:在高出承台底面约2 m的桩顶处设置了堆载平台，维持单桩所承受的上部结构荷载标准值为300 kN条件下进行的水平向静载荷试验。

水平静载作用点标高为承台(筏板)底面标高。

3.2 试验结果

试验H-t-Y0及H-△Y0/△H曲线:

(1)PHS-AB350(190)-C80的其中一根桩的试验曲线图，如图4、图5所示。

图4 桩PHS-AB350(190)-C80的H-t-Y0曲线图Fig.4 Pile PHS-AB350(190)-C80 H-t-Y0curve

图5 PHS-AB350(190)-C80的H-△Y0/△H曲线图Fig.5 Pile PHS-AB350(190)-C80 H-△Y0/△H curve

(2)PHS-AB300(160)-C80其中一根桩的试验曲线图如图6、图7所示。

6根试桩的水平载荷试验结果，如表2所示。

4 分析

比较表1与表2的数值，可以看出实测值比理论估算值大。

相对于不考虑桩顶竖向荷载作用下最理想的假定状态(铰接且按上海规范取m值)计算结果而言，水平载荷试验得出的单桩水平承载力实测值为其1.6 ～1.8倍关系。

图6 桩PHS-AB300(160)-C80的H-t-Y0曲线图Fig.6 Pile PHS-AB300(160)-C80 H-t-Y0curve

图7 桩PHS-AB300(160)-C80的H-△Y0/△H曲线图Fig.7 Pile PHS-AB300(160)-C80 H-△Y0/△H curve

表2 单桩水平承载力试验结果Table 2 Test results of single pile horizontal bearing

相对于不考虑桩顶竖向荷载作用下理论估算同样的状态(铰接且按全国桩基规范取m值)计算结果而言，水平载荷试验得出的单桩水平承载力实测值为其1.4～1.5倍关系。

造成实测值比理论估算值大的原因是什么呢?

影响单桩水平承载力的因素有很多，其中以下两点是主要的原因:

(1)桩基实际受力状态中都有一个竖向力存在，它对桩顶起到一定的约束作用。这在理论公式中没能体现出来，同时水平静载试验通常也不一定考虑竖向荷载的作用。

数据表明，桩顶施加竖向荷载值与桩顶不施加竖向荷载值，两者得出的单桩水平承载力还是有一定的差距。

(2)桩在水平荷载作用下其受力性状是一个复杂的桩土相互作用过程，理论计算公式中对桩土作用、地质条件、桩顶约束条件做了多方面的简化。

实际桩顶约束状态为介于铰接与固接之间，理论计算中把桩顶约束条件分为两类:铰接(自由)和固接，实际上桩顶在水平力作用下的其水平位移在桩顶与承台的连接设定为铰接还是自由端是有较大差异，而且桩顶水平位移系数υX也是以这两种约束条件给出的。我们就以规范的桩顶水平位移系数υX表中数值来看，桩顶约束顶为铰接、自由时为固接的2.6～3.2倍。这也造成了一定的误差。

5 结论

通过对桩顶施加一定的上部结构作用在单桩上的竖向荷载而进行的水平载荷试验，在这种工况下桩的受力情况是符合实际亦是有效的，这样得到的结果也是可取的。通过实例可以看出，只要根据地勘报告中所提供的桩基承台(桩顶约束处)的持力层在hm土层深度内的m值和υX系数采用得当，则通过公式估算的单桩水平承载力的计算值与试验值仍存在着一定的差异。试验结果比设计估值提高了1.4倍以上。由此，在一般情况下，上海地区抗压桩当缺少单桩水平静载荷试验资料时，按规范(桩顶约束条件按铰接、自由考虑)估算出来的单桩水平承载力的特征值虽然偏小，但是偏于安全的也是可取的。若桩基承台是筏板或箱筏时，在未做单桩水平静载荷试验前，笔者认为，由于竖向荷载作用实际存在，单桩水平承载力特征值可按理论估算值的1.4倍采用，但最终单桩水平承载力的特征值应按有竖向荷载作用下的单桩水平静载试验来确定。

致谢 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司提供的试验照片与数据。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，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] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，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] 上海市城乡建设和交通委员会.DGJ08—11—2012地基基础设计规范[S].上海:上海市建筑建材业市场管理总站，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] 中华人民共和国建设部.JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，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] 方云飞，孙宏伟，闫莹.单桩水平承载力计算方法研究与工程实例分析[J].建筑结构学报，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)