单桩载荷试验桩—土荷载传递特征研究

任春山

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



单桩载荷试验桩—土荷载传递特征研究

任春山

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

为了控制沉降，高速铁路桥梁基础通常采用混凝土桩，且在第四系松散地层多为较长的混凝土灌注桩。为了弄清长摩擦桩的桩-土荷载传递特性，开展了单桩竖向抗压和水平静载荷试验，并通过在桩身中预埋设应变测试元件，观测桩土应力变化，分析研究竖向荷载作用下桩侧、桩端土阻力发挥程度，以及水平荷载作用下桩-土荷载传递变化规律。

载荷试验单桩承载力桩侧摩阻力桩端阻力桩侧土水平抗力系数的比例系数

桥梁桩基础承担着桥梁的全部荷载，它的工作性状对桥梁的安全、高速、平稳运营有着决定性的影响。

某铁路客运专线桥梁比例高达80%以上，而且大部分桥梁桩基础采用钻孔灌注桩。为更好地控制沉降，在第四系松散地层的桩多为长摩擦桩。为了验证和优化设计，做到安全可靠、经济合理，在可行性研究阶段进行了单桩静载荷试验。现以某特大桥为例介绍载荷试验桩-土荷载传递特性。

试验地点位于天津市，桥梁结构为32 m预应力混凝土梁。试验项目有单桩竖向抗压静载荷试验、单桩水平静载荷试验等。该组试桩由3根试验桩和8根锚桩组成，均为钻孔灌注桩，成孔施工采用泥浆反循环工艺。桩长为52.9 m，桩直径为1.0 m。为了安装桩身内力测试元件，试桩钢筋笼主筋为15根φ20mm的通长钢筋，顶部双筋段长5.95 m。设计单桩竖向抗压承载力4 335 kN、水平承载力159 kN。为保证试验结果的可靠性，还进行了桩孔成孔质量超声波检测和桩身质量低应变反射波法、声波透射法检测。试验时桩身混凝土龄期为33 d。

1　单桩竖向静载荷试验

试验采用锚桩反力梁装置，试验控制与数据采集由专用的载荷试验仪完成，具有自动补载、判稳、记录等功能。试验分级荷载为950 kN，第一级为分级荷载的2倍，采用慢速维持荷载法试验。

根据各级荷载下的桩顶观测数据绘制荷载—沉降(Q—s)曲线、沉降—时间对数(s—lgt)曲线、沉降—荷载对数(s—lgQ)曲线。图1为1号试桩曲线，根据曲线特征判定1号试桩单桩极限承载力为9 500 kN。

图1　荷载、沉降、时间关系曲线

根据试验点地层分布情况，在桩身中预埋设13层测试元件(如图2)。其中最上层位于桩顶下0.5 m，为桩身混凝土模量标定层；最下层位于桩底以上0.5 m，为桩端阻力校核层。桩底埋设3个压力盒，测试元件均为振弦式。

图2　各级荷载作用下桩侧土摩阻力最大值

根据各级荷载作用下的测试数据整理计算桩身轴力，计算时测试截面处的桩身截面积依据超声测孔资料计算确定，图3为超声测孔曲线，图4为轴力分布图。

图3　超声波测孔曲线

图4　桩身轴力分布

图5至图10分别为各级荷载作用下桩身沉降、桩侧及桩端土阻力变化曲线。图2为各级荷载下作用桩侧土摩阻力最大值分布。

图5　桩身沉降变化

图6　桩侧土阻力随深度变化

图7　桩侧土阻力随桩顶荷载变化

图8　桩侧土阻力随桩身沉降变化

图9　各级荷载下桩端阻力变化

图10　桩端阻力随桩端位移变化

2　单桩水平静载荷试验

试验条件为桩顶自由，采用锚桩与试桩对顶，3根试桩有2根采用单向多循环方式加载，另1根采用维持荷载法(稳定法)。试验开始时间控制在完成竖向抗压试验5 d后进行。根据桩及桩侧土的参数，预估(α·h)=4.0对应的深度为9.0 m，因此抗弯测试元件布置在桩顶下11 m深度范围内，其竖向深度位置见表1。每层受拉、受压侧各布置一个，拉、压侧传感器的水平间距b0=0.816 m，测试元件为振弦式，分级荷载为30 kN。

3号试桩采用慢速维持荷载法，共施加荷载11级。图11至图18为3号桩的试验成果曲线。根据曲线特征判定单桩水平临界荷载Hcr=240 kN，极限荷载Hu=300 kN，临界荷载对应的桩侧土水平抗力系数的比例系数m=6.6 MN/m4，桩身最大弯矩出现在桩顶以下5 m附近。

表1　桩身水平测试元件深度位置

图11　桩顶荷载-位移曲线

图12　桩顶荷载-位移梯度曲线

图13　各级荷载作用下桩身弯矩

图14　各级荷载作用下桩侧土抗力

图15　各级荷载作用下桩身位移

图16　各级荷载作用下桩侧土抗力系数

图17　不同深度桩身位移-土抗力曲线

图18　各级荷载作用下不同深度的m值

3　单桩荷载传递特性分析

3.1试验结果

试验研究结果表明：该组试桩单桩极限承载力统计值为8 550 kN，是设计单桩竖向抗压承载力的1.97倍。对应单桩极限承载力时端阻发挥平均为327.8 kPa，占单桩极限承载力的2.59%。

单桩水平极限承载力取3根桩极限承载力的平均值，即Hu=326 kN。当按桩身强度控制水平承载力时，单桩水平承载力特征值取3根试桩单桩水平临界荷载的平均值，即Hcr=230 kN，对应临界荷载的地基土水平抗力系数的比例系数m=6 745(kN/m4)。当桩受长期水平荷载作用且桩不允许开裂时，单桩水平承载力特征值可取3根试桩单桩水平临界荷载平均值的0.8倍，即Hcr=184 kN。根据弯矩分布特征，最大加载量时最大弯矩点深度在5.0 m附近，最大抗力位置在3.0 m处。

3.2竖向荷载的传递特性

(1)在桩顶荷载达到桩土极限状态条件下，35 m以上桩侧摩阻力出现了峰值，35 m以下未出现峰值。

(2)试验得到的桩侧摩阻力最大值与土的性质和土层的竖向分布位置有关。在本项目试验条件下，32 m以上基本和铁路桥涵设计规范推荐值一致，32～47 m高于桥规中的推荐值，47 m以下远低于桥规中的推荐值，估计桩底沉渣对此有一定的影响。

(3)在设计允许荷载(4 335 kN)作用下桩端阻力平均为55.1 kPa，仅为桩顶荷载的2.1%；在极限荷载(8 550 kN)作用下桩端阻力为桩顶荷载的2.59%，占比较小，符合摩擦桩特性；在破坏荷载作用下桩端阻平均值为1 455.2 kPa，占桩顶荷载的10.8%。

3.3水平荷载的传递特性

在桩顶自由施加水平力的条件下，桩土荷载传递性状有以下特点：

(1)桩身最大弯矩出现在桩顶下5 m附近，与荷载大小关系不大。

(2)桩侧土抗力系数在2.5 m以下表现出与深度成正比例关系，符合m法的变化规律。

(3)实测桩侧土水平抗力系数的比例系数m值与铁路桥涵设计规范的推荐值一致。

4　结论

对某铁路客运专线桥梁基础长摩擦桩的单桩竖向抗压和水平静载荷试验结果进行了介绍，分析了长摩擦桩的桩-土荷载传递特性，研究成果验证了桥梁桩基设计，并据此优化了部分桩长，并得到以下几点结论：

(1)桩侧摩阻力最大值与土的性质和土层的竖向分布位置有关，桩身上部的侧摩阻力基本与规范推荐值一致，桩身中下部高于桥规中的推荐值。桩底沉渣会对桩端附近桩身的承载力发挥造成一定影响，在施工过程中要控制好沉渣厚度。

(2)单桩水平承载性状与铁路桥涵设计规范一致。在本项目试验条件下，桩身最大弯矩出现在桩顶下5 m附近，与荷载大小关系不大，桩侧土抗力系数在2.5 m以下表现出与深度成正比例关系。

(3)对于长摩擦桩，在长径比适宜的条件下宜选用超过35 m的长桩，更大地发挥桩身中下部桩侧摩阻力，更好地控制沉降。

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Study on the Pile-soil Load Transfer Characteristics in Single pile load test

REN Chunshan

2016-01-08

任春山(1965—)，男，1988年毕业于西南交通大学工程物探专业，高级工程师。

1672-7479(2016)02-0024-04

TU473.1

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