訾洪利

（安徽省水利水電勘測設計院工程質量檢測所，安徽合肥230022）

水利工程中大直徑PHC管樁承載力試驗研究

訾洪利

（安徽省水利水電勘測設計院工程質量檢測所，安徽合肥230022）

結合某一水利工程大直徑PHC管樁的地基處理應用，開展了單樁豎向抗壓靜載試驗和單樁水平靜載試驗，并通過在管樁預制階段安裝鋼筋應力計，研究分析了靜載試驗中樁身的荷載傳遞規(guī)律。研究表明：本工程中混凝土強度C80、外徑800 mm、內徑580 mm的PHC管樁的單樁豎向抗壓承載力極限值不小于2 880 kN，樁頂荷載幾乎全部由樁周側摩阻力承擔，樁端阻力發(fā)揮較小，屬于典型的摩擦型樁。樁身軸力、樁側摩阻力和樁端阻力均隨著豎向荷載的施加而逐漸增大，并沿深度呈衰減分布。水平荷載下的樁身彎矩呈弓形分布，最大彎矩發(fā)生在距樁頂約0.2～0.3倍樁長截面處，單樁水平臨界荷載值在150 kN左右。

PHC管樁；靜載試驗；承載力；軸力；彎矩

1 研究背景

預應力高強度混凝土管樁（PHC管樁）因其具有承載力高、質量穩(wěn)定、施工速度快、成本低等特點，而被廣泛應用于水利建筑、公路和鐵路等工程建設中［1-4］。管樁設計的關鍵在于確定其豎向單樁承載力和水平單樁承載力等參數(shù)。由于不同地區(qū)土質條件、設計要求和施工條件等存在較大的差異性，目前針對預應力管樁承載力計算的經驗公式不多，不同的規(guī)范又有著不同的標準［5-7］。

國內學者對于PHC管樁的承載力研究已取得了一定的成果［8-13］。蔡健等［10］通過開展軸向靜載試驗和樁身軸力的測試，探討了超長PHC管樁的豎向承載特性和荷載傳遞機理，表明在深厚軟土地基中的超長PHC管樁表現(xiàn)出端承摩擦樁的承載性狀；邢皓楓等［11］利用樁身預先埋設的光纖傳感器，并借助靜載荷試驗、高應變和靜力觸探等現(xiàn)場測試手段，研究了PHC管樁在不同荷載作用下樁身沿深度的受力分布特征；張軍［12］通過對預應力管樁的靜載試驗結果和經驗公式計算結果比較發(fā)現(xiàn)，如果按照規(guī)范的公式來計算承載力，計算值比靜載荷試驗值小得多，造成浪費，從而增加項目的成本；邱志雄等［13］通過對軟土路基上PHC管樁進行壓樁、復壓和原位載荷試驗，認為依據(jù)靜力觸探指標和規(guī)范方法計算的承載力偏于安全，以復壓壓樁力評估承載力隨時間的增長偏于危險?？梢?，目前用于確定PHC管樁承載特性的相對準確方法依然是通過一系列的現(xiàn)場靜載試驗，比如單樁豎向抗壓靜載試驗、單樁水平靜載試驗、基樁高應變承載力檢測和基樁錘擊貫入度觀測等。但是，現(xiàn)有現(xiàn)場靜載試驗主要還是用于確定單樁極限承載力等主要設計參數(shù)，受應力傳感器在水利工程中PHC管樁預制和打設階段成活率較低的影響，有關靜載試驗中樁身內部應力分布特性的研究并不多見。

本文結合某一針對PHC管樁工程的現(xiàn)場檢測試驗，開展單樁豎向抗壓靜載試驗和單樁水平靜載試驗，并通過在管樁預制階段安裝鋼筋應力計，研究分析靜載試驗中樁身軸力、樁端阻力、樁側阻力和樁身彎矩等的分布規(guī)律，為今后的管樁優(yōu)化設計和施工提供參考。

2 試驗布置

裕溪閘樞紐工程位于安徽省無為縣與和縣交界處巢湖流域裕溪河入長江口4 km處，上承無為大堤無為段，下接無為大堤裕黃段，是無為大堤上的大型水利工程，由裕溪節(jié)制閘和裕溪船閘組成。裕溪節(jié)制閘西側為老裕溪船閘，東側為新建裕溪船閘，與巢湖閘組成巢湖、裕溪河梯級水利樞紐。該節(jié)制閘始建于1959年，共24孔，其中西部淺孔16孔，東部深孔8孔。根據(jù)安全鑒定，需要對裕溪閘閘室結構進行拆除重建，新建閘室基礎擬采用混凝土強度C80、外徑800 mm、內徑580 mm的PHC管樁，設計單樁豎向抗壓承載力特征值為1 200 kN，單樁水平承載力特征值待定。

本工程閘室下游左岸的地基土從上到下主要由3.2 m人工填土層、12.6 m淤泥質粉質黏土夾粉砂層、6.4 m粉砂夾淤泥質粉質黏土層和7.8 m粉砂層組成，右岸地基土從上到下主要由3.8 m人工填土層和36.4 m深厚淤泥質粉質黏土層組成。為保證安全，需在工程樁施工前進行現(xiàn)場靜載試驗分析其承載性能。圖1為現(xiàn)場靜載試驗中試驗樁的平面布置圖。其中，右岸管樁B1、B2、B3、B右增的樁長分別為35、30、35、39 m，對其嚴格按照《建筑基樁檢測技術規(guī)范》JGJ106-2014［14］中的相關規(guī)定，采用“慢速維持荷載法”進行單樁豎向抗壓承載力試驗，首級加載480 kN，以后每級各加載240 kN，直至加載至2 880 kN。左岸管樁C1—C4、C7的樁長為24 m，C5、C6的樁長為27 m，采用“單向多循環(huán)加載法”進行單樁水平承載力試驗，首級加載10 kN，以后各級加載10 kN，C5樁的最大加載為200 kN，C6樁的最大加載為130 kN，C7樁的最大加載為220 kN。同時，通過在預制階段對各樁樁身不同截面內安裝鋼筋測力計，來分析現(xiàn)場豎向或水平靜載試驗中樁身內力的分布特性。

圖1 試驗PHC管樁的樁位布置（單位：mm）

圖2 豎向荷載-沉降曲線

圖3 豎向荷載對數(shù)-沉降曲線

圖4 管樁B3的樁身軸力分布曲線

3 單樁豎向抗壓承載力試驗結果

3.1 單樁豎向抗壓承載力圖2和圖3分別表示在加荷和卸荷過程中各單樁的豎向荷載-沉降曲線和沉降-荷載對數(shù)曲線。由圖2可見，在加荷過程中，豎向荷載-沉降曲線呈緩變型增長。當荷載最大加至2 880 kN時，管樁B2、B3、B右增和C1的最大沉降量分別為15.56、9.97、18.04和8.27 mm。在卸荷過程中，各管樁均出現(xiàn)明顯的回彈現(xiàn)象，回彈率分別達到48.2%、67.0%、17.7%和75.2%。由圖3可見，各管樁的沉降-荷載對數(shù)曲線基本一致，各級荷載對應的沉降曲線均較平坦，未見明顯下彎?？芍?，各試驗管樁的豎向抗壓極限承載力均不小于本次試驗的最大加載量2 880 kN。

3.2 樁身軸力分析圖4為管樁B3在加荷過程中管樁樁身的軸力分布曲線，分別在樁深25、28、31和34 m截面處安裝有鋼筋測力計。由圖4可見，不同荷載作用下的樁身軸力分布規(guī)律基本一致，樁身軸力沿深度方向迅速衰減，到達樁端部位時樁身軸力接近于零，管樁B3屬于典型的摩擦型樁，樁頂荷載幾乎全部由樁身側摩阻力承擔，樁端阻力沒有得到有效發(fā)揮。隨著樁頂荷載的不斷增加，樁身各截面處軸力也逐漸增大。

3.3 樁周側摩阻力及樁端阻力圖5為管樁B2和B3的樁周側摩阻力隨豎向加載的變化曲線。由圖5可見，不同深度范圍內的樁周側摩阻力隨樁頂荷載的施加近似呈線性增長，沿樁身深度增大而減小。當達到最大一級荷載時，管樁B2上部土體的樁周摩阻力接近40 kPa，管樁B3上部土體的樁周側摩阻力接近35 kPa。圖6為管樁B2和B3的樁端阻力隨豎向加載的變化曲線。由圖6可見，管樁B2和B3端阻力隨樁頂荷載的提高而不斷增大，管樁B3端更接近持力層，其端阻力要大于管樁B2端阻力；當達到最大一級荷載2 880 kN時，管樁B2端阻力為90 kPa左右，而管樁B3端阻力接近140 kPa。

圖5 樁周側摩阻力隨豎向加載的變化曲線

圖6 樁端阻力隨豎向加載的變化曲線

圖7 管樁C5的水平荷載/時間-水平位移曲線

4 單樁水平承載力試驗結果

4.1 水平荷載/時間-水平位移圖7為管樁C5的樁頂水平位移與水平荷載（或時間）的關系曲線。由圖7可見，樁頂水平位移隨著水平荷載（或時間）的增加而不斷增大，水平荷載為200 kN（或時間為2 h）時，樁頂處上位移計表和下位移計表的最大讀數(shù)分別為48.06和42.12 mm。曲線的拐點并不是很明顯，并且未出現(xiàn)明顯的陡降趨勢，因此僅從水平荷載/時間-水平位移曲線無法判斷出樁身水平臨界荷載值及水平極限承載力值。

4.2 樁身彎矩基樁在水平力作用下仍可假設滿足平截面假定，單樁水平荷載作用下樁身任一截面的彎矩可由下式計算得到：

式中：M為任一截面的彎矩；EI為樁身抗彎剛度，kN·m2，E為樁身材料彈性模量，I為樁身換算截面慣性矩；ε1為受壓區(qū)鋼筋的壓應變；ε2為受拉區(qū)鋼筋的拉應變；d為受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋的中心距離。根據(jù)實測應變傳感器的讀數(shù)可以得到鋼筋應變，從而得到管樁在各級荷載下鋼筋和PHC樁身混凝土的最大拉應變和壓應變。以管樁C5為例，根據(jù)式（1）可以進一步得到各級荷載下樁身各截面的彎矩分布曲線，如圖8所示。由圖8可見，在樁頂水平荷載作用下，管樁樁身彎矩呈現(xiàn)弓形分布，最大彎矩點位于距樁頂5.5 m深度（約0.2倍樁長）處。對于管樁C6和C7，最大彎矩則分別位于距樁頂0.2倍和0.27倍樁長處?？梢?，在水平荷載作用下，本工程中PHC管樁的最大彎矩點一般位于距樁頂0.2～0.3倍樁長的樁身截面處。不同水平荷載作用下的樁身彎矩分布形式基本相似，且各截面彎矩隨荷載逐漸施加而不斷增大，最大彎矩可達1 820 kN·m。

4.3 水平力-樁身截面鋼筋拉應力圖9為管樁C5的樁身截面鋼筋拉應力與水平荷載的關系曲線。由圖9可見，隨著水平荷載的不斷施加，各截面處的鋼筋拉應力近似呈線性增長。當水平荷載達到150 kN后，各截面處的鋼筋拉應力隨著水平力繼續(xù)施加的增大幅度顯著提高?？梢哉J為，該試驗管樁的水平臨界荷載值在150 kN左右，此時基樁最大彎矩范圍內樁體出現(xiàn)裂隙，不利于樁體耐久性使用。

圖9 管樁C5的水平荷載-樁身截面鋼筋拉應力關系曲線

圖8 管樁C5的樁身彎矩分布曲線

5 結論

（1）在PHC管樁豎向抗壓承載力試驗中，各試驗樁的豎向荷載-沉降曲線均呈緩變型增長，而沉降-荷載對數(shù)曲線基本一致，其豎向抗壓極限承載力均不小于本次試驗的最大荷載2 880 kN；（2）樁身軸力、樁側摩阻力和樁端阻力均隨著豎向荷載的施加而逐漸增大，并沿深度呈衰減分布。樁頂荷載幾乎全部由樁周側摩阻力承擔，樁端阻力發(fā)揮較小，PHC管樁屬于典型的摩擦型樁；（3）在PHC管樁水平承載力試驗中，樁頂水平位移隨著水平荷載的增加而不斷增大，水平荷載-時間-水平位移曲線未出現(xiàn)明顯拐點。樁身彎矩呈弓形分布，最大彎矩發(fā)生在距樁頂0.2～0.3倍樁長深度處。樁身截面鋼筋拉應力與水平荷載呈現(xiàn)兩階段分布形式，單樁水平臨界荷載值在150 kN左右。

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An investigation into stress characteristics of PHC pipe piles in hydraulic structure

ZI Hongli
（The Engineering Quality Detection Department，Anhui Survey and Design Institute of Water-Conservancy&Hydropower，Hefei230022，China）

A series of vertical static load tests and lateral load tests of PHC pipe pile were conducted in this study.Stress gauges were installed to measure and analyze the load transfer mechanism of pile.It was found that the limit vertical bearing capacity of a PHC pipe pile with C80 grade in concrete strength，800mm in external diameter and 580 mm in internal diameter was larger than 2880kN.The working load was primarily transferred as shaft resistance instead of tip resistance，behaving as a typical floating pile.Axi?al force，shaft resistance and tip resistance were increased with increasing vertical working load and de?creased along pile shaft.An arched type profile of bending moment due to lateral working load was ob?served and the maximum bending moment occurred at the depth of about 0.2～0.3 times pile length.The critical lateral bearing capacity was about 150kN in this study.

PHC pipe pile；static load test；bearing capacity；axial force；bending moment

TU47

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.004

1672-3031（2016）05-0340-05

（責任編輯：王冰偉）

2016-01-12

訾洪利（1976-），男，安徽碭山人，高級工程師，主要從事樁基設計與檢測研究。E-mail：1211816279@qq.com