基于原型试验的黄土地区钢管—混凝土组合桩单桩横向抗力特性分析

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(1.陕西理工大学土木工程与建筑学院， 陕西汉中 723001；2.中国有色金属工业西安勘察设计研究院， 陕西西安710064)

0 引言

桩基作为一种重要的基础形式，在岩土工程中被广泛地应用，与其竖向承载特性相比，桩基水平受力特性较为复杂[1-6]。自上世纪初以来，国内外学者开始对桩基受水平荷载作用的受力特性进行研究，已得出了很多水平荷载作用下桩基受力特性方面的理论和方法，为其在港口码头工程、道路声屏障及海堤工程等主要承受水平荷载作用的工程中的应用提供了理论依据。目前，确定桩基水平承载力的理论方法主要有弹性地基反力法、P-y曲线法及NL法等[7-12]，弹性地基梁法假定桩周土体为弹性体、桩侧土抗力仅与土深度和桩挠曲变形相关，运用梁弯曲理论计算桩侧土抗力的一种方法，但桩周土体为一种弹塑性材料，力和位移间很难满足线弹性关系；P-y法由美国的Matlock[13]提出，其作为目前国内外常用的一种桩土间作用力计算方法，考虑了土体的塑性影响和桩土间的非线性作用，能够用于对状土体系进行非线性分析，但其在国内工程使用中的可靠性有待进一步验证。NL法(非线弹性地基反力法)是我国中港第三航务工程局提出的一种桩土作用力计算方法，与P-y曲线法相比更符合我国工程实际情况，具有普遍的适用性[14]，但由于地质条件的复杂性，运用理论公式计算的偏差难以避免，故采用现场原位试验法测定桩基水平承载力更易为工程技术人员接受。李彰明等结合实际工程情况，通过现场试验对土质边坡桩基在水平荷载作用下的变形特征和承载力进行研究[15]。郭乾坤通过现场试验和有限元计算，分析了桩的水平承载特性及桩身变形和弯矩随荷载的变化规律[16]。本文结合某光伏发电工程桩基的水平静载试验资料，重点分析了水平推力与桩顶位移梯度、水平推力与地基土水平抗力比例系数及水位位移与地基土水平抗力比例系数间的关系，结果对于类似桩基的研究具有借鉴作用。

1 工程概况

试验场地位于山西芮城某拟建光伏发电场场地境内，项目所在场地以梯田耕地为主，北部为山地，占地面积约10 600亩，南北向最大距离约3.0 km，东西向最大距离约3.6 km。项目场地所在区域地貌单元属黄河高阶地与中低山过渡区域，北侧为中条山南麓边缘，地形起伏较大，南侧为黄河阶地，地形相对平缓，场地自然地面标高为640～1 110 m，相对高差470 m。试验场地位于项目场地中部，根据野外勘探，其覆盖层较厚，主要以晚更新统马兰黄土层和中更新世离石黄土层为主，各层岩土体的主要物理力学性质指标见表1。各层地基土岩性特征、工程性质及分布特征为：马兰黄土层，呈浅黄色，岩性为粉质黏土，稍湿，坚硬，一般粒径为1～3 cm，局部呈条状或带状分布，该层厚度一般为3.0～5.0 m；离石黄土层，呈黄褐～红褐色，稍湿，坚硬，含多量钙质结核，局部混少量碎石，该层厚度一般大于5.0 m。根据现场勘察和调查，场地内中部及南部黄土区深度大于20 m未见地下水出露，雨季局部会形成少量上层滞水，故结合依托项目实际情况，现场试验不考虑地下水影响。

表1 各层地基土主要物理力学性质指标Tab.1 Main physical and mechanical indexes of different soil layers

2 实验方案

2.1 试验桩设计

结合依托工程实际情况，试验桩采用上部为钢管桩，下部为钢筋混凝土灌注桩的组合型式(如图1所示)。桩长采用两种：下部混凝土灌注桩长4.5 m，其中入土深度3.5 m，露出地面1 m，上部焊接长3.0 m、φ250×5 mm钢管；下部混凝土灌注桩长3.5 m，其中入土深度2.5 m，露出地面1 m，上部焊接长3.0 m、φ250×5 mm钢管，钢管桩与混凝土灌注桩间通过预埋钢板焊接，并在其连接部位对称焊接四根角钢进行加固处理，以防止顶推过程中在连接部位折断。不同混凝土灌注桩分别选取3根进行平行试验，并平取其平均值作为试验结果。

2.2 试验加载与测试装置

试验水平荷载反力由与试验桩相邻的反力桩和钢梁组成的反力平台装置和千斤顶提供(如图2所示)。水平荷载作用点位置与实际工程设计要求标高相一致，在钢管桩桩顶位置处设置一部千斤顶提供水平推力，其应通过桩身轴线。千斤顶和试验桩接触点处安放球形支座，且二者接触点处应加强处理。

图1试验桩型
Fig.1Thetestpile

图2试验加载与测试装置
Fig.2Testdeviceofloadingandtesting

施加于试验桩上水平荷载值大小由固定在千斤顶上的压力表(0.3级，0～60 MPa)显示，压力表使用前应进行标定。在试验桩侧面距桩顶50 mm处安放一个位移计量测水平荷载作用下该处位移量，以其表示钢管桩桩顶位移量；位移量测基准点的设置应不受试验条件和其它外界环境因素干扰，基准点设置在与作用力方向相垂直且与位移方向相反的试验桩侧面，且与试验桩间净距不应小于1倍的桩径，如图2所示。

2.3 试验加载方法

试验根据《建筑基桩检测技术规范》中规定方法进行测试，试验最大荷载值为设计承载力特征值的2倍。试验采用单向单循环水平维持荷载法，加载方式采用水平推力。加载程序严格遵照规范中进行，采用单向单循环加载方式，每级荷载持续4 min，然后卸载至零，间隙2 min后测读桩身残余水平位移，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次便完成一级荷载的试验观测。达到试验要求的最大荷载或最大位移超过30～40 mm，或者在某级荷载作用下桩身折断，即停止加载。

3 试验结果与分析

3.1 水平推力—位移梯度关系分析

依据《建筑桩基检测技术规范》中单桩静载试验数据分析的规定，根据现场实测水平力—时间—水平位移数据绘制出水平力H—位移梯度(Δy0/(ΔH))关系曲线，如下图3所示。

从图3可以看出，对于不同埋深桩，其桩身承受的水平力推力与位移梯度关系曲线有相似的变化趋势，即随着水平推力增大，桩顶位移梯度亦呈不断增大变化趋势，且桩顶位移梯度与水平推力间关系曲线的拟合优度系数高达0.93以上。相同试验条件下，水平推力每增加3 kN，埋深3.5 m和2.5 m桩桩顶位移梯度分别平均增加5.33×10-2mm·kN-1和10.8×10-2mm·kN-1。随着水平推力增大，埋深2.5m和3.5m的桩桩顶位移梯度均呈现出不断增大变化趋势，且水平推力每增加3kN，埋深深度2.5 m桩桩顶位移梯度值比埋深深度3.5 m的平均增加39.28×10-2mm·kN-1，其表明相同水平推力条件下桩顶位移梯度值与桩埋深深度负相关。究其原因为：对于桩身完整的抗拔桩，在水平推力作用下其承载力主要取决于桩与周围土体间摩阻力大小，而在桩及其周围土体介质物理力学指标性质相同情况下，桩侧摩阻力大小侧与桩埋入深度密切相关。随着埋深深度增大桩身与周围土体间的接触面积增大，摩阻力亦随之增大，桩受到的嵌固力增大，抗拔能力增强，相同水平推力条件下桩身位移量减小。

3.2 水平推力—地基土水平抗力比例系数关系分析

图3 水平推力—桩顶位移梯度间关系曲线 Fig.3 Relationship between horizontal force and displacement gradient of pile top

图4 水平推力—地基土水平抗力比例系数间关系曲线 Fig.4 Relationship between horizontal force and the foundation soil horizonta resist force’s ratio coefficient

基于《建筑桩基检测技术规范》中单桩水平静载试验数据分析与规定，根据现场试验实测的静载试验数据分别计算出埋深3.5 m和2.5 m桩基的地基土抗力比例系数，并分别绘制出其水平推力(H)和地基土抗力比例系数(m)间关系曲线，即H-m曲线，如下图4所示。

从图4可以看出，对于不同埋深深度桩，作用于桩上的水平推力与地基土水平抗力比例系数间呈现出指数变化趋势，即在水平推力荷载作用下，桩周地基土的水平抗力比例系数随水平推力值的增大而减小，其减小表明桩周地基土的抗力系数减小，桩周土体的水平抗力也在减小。对不同埋深深度桩，水平推力与地基土水平抗力比例系数关系曲线的拟合优度系数高达0.91以上。相同试验条件下，水平推力每增大3 kN，埋深深度2.5 m和3.5 m桩的地基土水平抗力系数分别平均减小12.17 MN/m4和47.5 MN/m4；随着水平推力增大，不同埋深深度桩的桩侧地基土水平抗力比例系数均呈不断减小变化趋势，且埋深3.5 m桩的减小幅度比2.5 m的大，水平推力每增大3 kN，埋深深度3.5m的地基土水平抗力系数比埋深深度2.5 m的平均减小79.22 MN/m4，其表明埋深深度2.5 m桩的桩顶水平位移量大于埋深3.5 m桩的，其与文献[17]中的研究结果相一致。故可知根据载荷试验进行m取值时，若所取m值过低，则与其相对应的水平推力和桩顶位移值均较高，此时设计若按水平承载力控制则偏于不安全，若按桩的变形控制则又偏于安全，反之亦然。

3.3 水平位移—地基土抗力比例系数关系分析

图5 水平位移—地基土水平抗力比例系数间关系曲线Fig.5 Relationship between horizontal displacement and the foundation soil horizontal resist force’s ratio coefficient

依据《建筑桩基检测技术规范》中单桩水平静载试验数据分析与规定，根据现场试验实测数据分别绘制出埋深深度2.5 m和3.5 m桩的水平位移(y0)和地基土抗力比例系数(m)间关系曲线，即y0-m曲线，如下图5所示。

从图5可以看出，对于不同埋深深度桩，其桩顶水平水平位移与地基土水平抗力比例系数间拟合优度系数高达0.91以上，且两者间呈现出良好的指数变化趋势，即随着桩顶水平位移量增大，地基土水平抗力比例系数呈减小变化趋势。在其它试验条件相同情况下，对于埋深深度2.5 m桩，桩顶位移量平均每增加1.01 mm，地基土水平抗力比例系数平均增加12.17 MN/m4；对于埋深深度3.5 m桩，桩顶位移量平均每增加0.86 mm，地基土水平抗力比例系数平均增加47.5 MN/m4。故可知对于不同埋深桩，桩顶位移量平均每增加0.95 mm，地基土水平抗力比例系数平均增加29.84 MN/m4。

4 结论

① 相同试验条件下，随着水平推力增大，不同埋深深度桩的桩顶位移梯度均呈不断增大变化趋势，且浅埋桩的桩顶位移梯度值比深埋桩的大，其表明相同水平推力条件下桩顶位移梯度值与桩埋深深度负相关。

② 相同试验条件下，随着水平推力增大，不同埋深桩的桩侧地基土水平抗力比例系数均呈不断减小变化趋势，且深埋桩比浅埋桩的减小幅度大。

③ 随着桩顶水平位移量增大，不同埋深桩桩周地基土水平抗力比例系数均呈不断减小变化趋势。