台州湾大桥混合桩水平承载力性能研究

摘要：为研究基桩在水平荷载作用下的承载力性能，文章以台州湾大桥混合桩为依托开展现场试验，采用对顶法对试验桩进行加载，通过桩身布设的应变计、测斜管等设备的量测结果，分析了桩身弯矩剪力、水平位移以及土抗力分布规律。结果表明：研究试验桩在水平荷载作用下，桩身最大弯矩出现在12 m附近；侧向位移与深度基本呈线性分布，桩身与土的变形主要发生在上部，在距离地表深度15 m以下侧向变形较小，位移基本为0 mm；桩抗弯刚度随着水平荷载的增大而减小，且随水平荷载的增大，抗弯刚度减小速率趋于稳定。

关键词：相混合桩；水平承载力；现场试验；土抗力

文图分类号：U445.55+1" " " "文献标识码：A" " " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.053

文章编号：1673-4874（2024）11-0180-03

0引言

在桥梁和水利工程中，由于作业平台经常受波浪以及水流的水平作用力影响，故确定桩基的水平承载力具有重要的实际工程意义［1］。确定桩基的水平承载力方法比较多，常用的包括地基反力法、p-y曲线法等［2-6］。但是受地质条件的差异性以及理论参数的局限性，采用理论推导或者经验-半经验公式法存在较大的误差。目前相关研究较多集中于桩的竖向承载力的确定［7-8］，关于水平承载力确定方面的研究较为匮乏。陈正等［9］基于ABAQUS软件研究了小直径钻孔灌注桩在水平荷载下的工作性能。结果表明，桩身直径、桩周土体的内摩擦角，是影响高柔性微型桩水平承载力的主要因素。覃勇刚等［10］采用p-y曲线法分析了杭州湾大桥钢管桩水平极限承载力的影响要素，并对安全性进行了评估。

1工程概况及地质条件

1.1工程概况

台州湾大桥地处浙江中部沿海，大桥起讫桩号为K147+768～K151+806，路线长度为4.038 km。大桥桩基采用钻孔灌注桩，实际施工中，由于钢护筒的深度大于河流冲刷线，基桩会在上部形成钢管与混凝土组合桩身，下部形成钢筋混凝土桩，且整个桩身截面呈上大下小的变化趋势。此外，钢套管会产生环箍效应，在桩的上部表现出钢-混凝土组合结构的承载特性。

1.2工程地质条件

研究区位于位于台州海积平原，拟建大桥横跨椒江河道，河道高程变化范围为-6.0～-2.0 m，河床地形表现出平缓变化的趋势，根据现场钻探资料揭示（图1），河床地层由上到下分别为淤泥质黏土，海积和冲海积软塑状黏性土和呈软塑-可塑状的海积黏性土。其中，表层淤泥质黏土厚22～35 m，下部黏性土厚13.6～32.60 m，中部海积黏性土层局部为冲湖积粉质黏土。根据承载力试验，中下部土层分布圆砾土，其中第一层圆砾厚6.1～18.50 m，第二层圆砾厚3.7～14.70 m，可作为桩基持力层。

1.3试验方法

试验所用桩钢护筒为振动锤击沉桩，桩身直径1.8 m，桩顶标高+4.50 m，桩底标高-83.40 m，水平承载力试验桩参数见表1、表2。承载力测试采用对顶法，用卧式千斤顶施加荷载，相邻桩提供反力，研究混合桩水平荷载时的承载性能。在桩身的钢管、混凝土内埋设量测元件（图2），分析钢管与混凝土的协同工作性能，分析混合桩的水平地基反力系数及弯曲刚度。

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 3363-2019）［11］，加载时每级荷载大小可取估计最大荷载的1/10，卸载时可取2倍加载级。试验终止条件满足：（1）水平力作用点处位移量≥50 mm，加载即可终止；（2）加载量达到设计要求最大荷载值，加载即可终止。

2结果分析

根据水平加载曲线（图3），加载至最大荷载800 kN时，试桩受力点处实测位移为15.07 mm。卸载至0 kN时，残余实测位移为3.50 mm，表明在整个水平加载过程中，桩身变形处于弹性工作阶段，试验结果满足水平承载力要求。

2.1桩身应变与弯矩分析

在水平荷载作用下，通过桩身内预制钢筋计所所测应变值，进一步计算出桩身的弯矩值：

M=ElΔε/l0（1）

式中：l0——测点的间距；

E——混凝土的弹性模量；

I——桩截面惯性矩；

Δε——截面处的应变。

图4汇总得到了试验桩身弯矩分布曲线，结果表明桩身弯矩在各级荷载作用下分布规律基本一致，其中桩身弯矩在距离水平加载面12 m附近处达到最大，在各级荷载下最大弯矩分别为1 200 kN·m、2 000 kN·m、2 900 kN·m、3 600 kN·m、4 200 kN·m、5 000 kN·m及6 200 kN·m。在相同加载荷载作用下，以弯矩最大值为临界点弯矩值随深度的增大基本为线性增大。

以弯矩最大值所在截面作为分析截面，将试验中测得的应变数据按截面高度绘制出应变与截面高度的关系图（图5）。结果表明，同一截面上应变随截面高度的增大而呈线性增大，具体表现出受拉区域明显大于受压区域，即截面中性轴向受压侧靠近。由此可见，根据平截面假定，实测值与理论值吻合度较高。桩在实际工作状态中，钢护筒与桩共同工作，共同承担水平荷载。

2.2桩身位移分析

下页图6所示为桩身水平位移。结果表明，桩身与桩周土的水平变形主要发生在桩的中上部15 m范围内，在地表15 m以下，桩土水平变形基本为0 mm，证明桩端的约束作用较强。根据桩身的侧向变形规律发现，桩的侧向变形主要发生在浅表层的软弱土层中。因此实际工程中，对于浅表层软弱土层的加固处理是必要的。

此外，在水平荷载作用下土的侧向位移与深度基本呈线性分布，试桩呈绕桩端转动的形态。当荷载加载至800 kN，水平位移变形更为明显达到最大值15.07 mm，但从上部的变形结果来看，仍可视为近似线性分布。

2.3桩身剪力分析

根据桩身弯矩分布曲线，得到桩身剪力分布规律如图7所示。结果表明，在水平外荷载的作用下，桩身剪应力随着深度的增大而增大，剪力最大值出现的位置在桩顶以下17 m处。剪力分布规律与嵌岩桩不同的是，嵌岩桩剪力最大的位置一般在地表位置，而对于本文的摩擦型桩而言，剪力最大值出现在桩顶以下一定深度位置。

2.4土抗力分析

如图8所示给出了土抗力与作用点位置变化的曲线图，总体上土抗力沿埋深方向先增大后减小，土抗力曲线在17 m位置出现零值，且继续向下，土抗力方向改变，即该位置出现桩身变形。

如图9所示给出了土抗力随水平位移的变化规律曲线，结果表明，土抗力的变化与水平位移呈正相关关系，但随着水平位移的增大，土抗力增大速率逐渐减小，当桩的水平位移增大至一定程度时，土抗力基本保持不变。在p-y曲线上表现出随深度的增加逐渐陡直，曲率逐渐增大，土体由弹塑性状态逐渐转变成弹性状态。

2.5抗弯刚度分析

根据弹性力学理论，桩身弯矩与桩身抗弯刚度的关系可表示为：

M=EI（2）

式中：M——桩身弯矩；

E——桩的弹性模量；

I——桩身截面的惯性矩刚度；

——桩身的曲率。

进一步，由于混合桩的刚度较大，桩身转角非常小，故对桩的转角可表示为：

=-d2ydx2=-ddydxdx≈-dθdx（3）

联立式（2）代入式（3），并以水平力作用点以下0.3m处截面为研究对象，得到桩身抗弯刚度公式：

EI=M=-0.3H·dxdθ（4）

图10为桩身抗弯刚度随水平荷载大小变化的规律曲线图，结果表明桩抗弯刚度随着水平荷载的增大而减小，在水平荷载＜500 kN时抗弯刚度与水平荷载呈线性关系，当水平荷载＞500 kN时桩身抗弯刚度减小随水平荷载出现非线性变化特征，且随水平荷载的增大，抗弯刚度迅速减小，速率逐渐趋于稳定。

3结语

（1）试桩在水平加载过程中，始终处于弹性变形阶段，满足弹性力学理论。当水平荷载增大至800kN时，水平力作用点的最大位移为15.07mm；当水平荷载卸载至0kN时，残余变形最大值为3.50mm。结果满足桩的水平承载力要求。

（2）桩身最大弯矩出现在12m附近，侧向位移与深度基本呈线性分布，试桩与土的变形主要发生在上部，当深度＜15m，侧向变形较小，位移基本为0mm。

（3）桩抗弯刚度随着水平荷载的增大而减小，在水平荷载＜500kN时，抗弯刚度与水平荷载呈线性关系，当水平荷载＞500kN时，桩身抗弯刚度与水平荷载关系呈现非线性关系，具体表现为随水平荷载的增大，抗弯刚度减小速率趋于稳定。

参考文献：

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［9］陈正，梅岭，梅国雄.柔性微型桩水平承载力数值模拟［J］.岩土力学，2011，32（7）：2219-2224.

［10］覃勇刚，刘钊，李学民，等.杭州湾大桥南岸超长栈桥钢管桩水平极限承载力分析［J］.公路交通科技，2006（8）：93-96，100.

［11］JTJ3363-2019，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

作者简介：孔志鹏（1987—），工程师，主要从事土木工程检测、咨询方面的研究工作。

收稿日期：2024-05-08