朱賢哲安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院工程質(zhì)量檢測(cè)所

PHC管樁水平載荷試驗(yàn)樁身內(nèi)應(yīng)力分析研究

朱賢哲
安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院工程質(zhì)量檢測(cè)所

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁簡(jiǎn)稱PHC樁，由于具有單樁承載力高、應(yīng)用范圍廣、沉樁質(zhì)量可靠、工程造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)，在工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展較為迅速。通常情況下，樁基既承受豎向荷載又承受水平荷載，受樁基發(fā)展歷史的影響，人們對(duì)樁基水平承載力的研究起步較晚，可借鑒的研究成果甚少。故文章摘錄了本人主持的《裕溪節(jié)制閘PHC樁基研究課題》中關(guān)于“PHC樁水平載荷試驗(yàn)樁身內(nèi)應(yīng)力研究分析”的內(nèi)容，重點(diǎn)介紹“單樁水平臨界荷載、極限水平承載力和樁身最大彎矩位置”這三方面的研究成果，供大家參考。

PHC樁；樁身內(nèi)應(yīng)力；水平臨界荷載；極限水平承載力；最大彎矩位置

1　基本情況

1.1工程概括

裕溪閘樞紐工程位于安徽省無為縣、和縣交界處巢湖流域裕溪河入長(zhǎng)江口4km處，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。其中裕溪節(jié)制閘建于1959年，共24孔，其中西部淺孔16孔，東部深孔8孔。依據(jù)安全鑒定情況，決定將節(jié)制閘閘室結(jié)構(gòu)拆除重建，根據(jù)巖土工程勘察資料，設(shè)計(jì)單位確定對(duì)閘室基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，擬采用外徑800mm、內(nèi)徑580mm的PHC800B管樁。為對(duì)PHC樁的工程力學(xué)特性有全面、客觀和準(zhǔn)確的了解，并為工程設(shè)計(jì)、科研和實(shí)踐提供可靠有效的依據(jù)，設(shè)計(jì)單位除對(duì)工程進(jìn)行理論計(jì)算、模型實(shí)驗(yàn)外，還著重進(jìn)行了一系列課題研究。

本項(xiàng)目是集工程實(shí)踐應(yīng)用、探索與研究為一體的綜合型科研課題，共有（科研設(shè)計(jì)、檢測(cè)、施工、監(jiān)理及制樁企業(yè)等）10家單位參與，歷時(shí)1年9個(gè)月，成功突破了PHC樁內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的10余項(xiàng)難題，項(xiàng)目涉及“單樁豎向靜載試驗(yàn)、水平載荷試驗(yàn)、錘擊沉樁貫入度、大應(yīng)變法推定樁基承載力”等多個(gè)課題的研究。鑒于貫穿整個(gè)課題的核心內(nèi)容為樁身內(nèi)應(yīng)力分析研究，本文將主要介紹《裕溪節(jié)制閘PHC樁基研究課題》中關(guān)于“PHC樁水平載荷試驗(yàn)樁身內(nèi)應(yīng)力分析研究”的研究成果，供大家參考。

1.2試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)布局

本試驗(yàn)地點(diǎn)位于裕溪節(jié)制閘閘室下游左岸。共3根試驗(yàn)樁，編號(hào)為C5、C6、C7；反力樁共4根，編號(hào)為C1～C4。C1～C7樁均為PHC800B型樁，C5、C6樁長(zhǎng)為27m，C1～C4、C7樁長(zhǎng)為24m。樁位布置見下圖。

1.3工程地質(zhì)情況

在試驗(yàn)樁位置布置一個(gè)深度為30.0m的鉆孔，工程地質(zhì)情況如下：

（1）地下第1層：厚度3.2m，人工填土，褐黃色夾灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，表層較濕，0.5M以下濕,可塑狀,巖芯刀切面光滑,部分土塊有鐵銹色斑,巖芯柱狀。

（2）地下第2層：厚度12.6m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂，灰色、粉砂青灰色，飽水，可塑～軟塑狀，粘附性強(qiáng)，具千層餅結(jié)構(gòu)，水平層理清晰，含腐植質(zhì)，略有腐臭味。巖芯柱狀。

（3）地下第3層：厚度6.4m，粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，粉砂青灰色，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土灰色，飽水，軟塑狀，粘附性強(qiáng)，水平層理清晰，巖芯柱狀。

（4）地面第4層：厚度7.8m，粉砂，青灰色，偶夾腐植質(zhì)薄層，腐植質(zhì)層厚2～5 mm，有腐臭味，粉砂層較密實(shí)。

2　試驗(yàn)測(cè)試原件安裝

根據(jù)相應(yīng)工程特點(diǎn)，經(jīng)研究分析后，樁身內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試原件采用的是“振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)”。

在水平試驗(yàn)樁C5、C6、C7樁身內(nèi)安裝鋼筋計(jì)?？紤]到沉樁時(shí)錘擊樁過程中，樁頂附近應(yīng)變較大，離樁頂太近，應(yīng)變可能會(huì)超過應(yīng)變計(jì)量程，造成鋼筋計(jì)損壞，因此首個(gè)鋼筋計(jì)埋設(shè)在距樁頂2m位置，布設(shè)間距為750mm，故鋼筋計(jì)埋設(shè)位置在樁頂以下2.0m～11.75m范圍，沿受力（拉、壓）方向?qū)ΨQ布置，每側(cè)各安裝14個(gè)鋼筋計(jì)。

3　試驗(yàn)方法及過程

依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2014）、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)，采用“單向多循環(huán)加載法”進(jìn)行單樁水平靜載試驗(yàn)，確定單樁水平臨界荷載、水平極限承載力，并確定水平承載力樁身的最大彎矩位置。

3.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用反力樁作用工字鋼梁，通過工字鋼梁向試驗(yàn)樁提供水平反力。

3.2試驗(yàn)加卸載及終止條件

本試驗(yàn)中試驗(yàn)樁需要測(cè)量樁身應(yīng)力和應(yīng)變，根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2014）第6.3.1條，加載方法選用“單向多循環(huán)加載法”。

（1）根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2014）第6.3.2條，單向多循環(huán)加載法的分級(jí)荷載應(yīng)小于預(yù)估水平極限承載力或最大試驗(yàn)荷載的1/10。每級(jí)荷載施加后，恒載4min后可測(cè)讀水平位移，然后卸載至零，停2min測(cè)讀殘余水平位移，至此完成一個(gè)加卸載循環(huán)。如此循環(huán)5次，完成一級(jí)荷載的位移觀測(cè)。本次試驗(yàn)首級(jí)加載10KN，以后各級(jí)加載10KN。

（2）根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2014）第6.3.3條，出現(xiàn)下列情況之一時(shí)即可終止加載：1）樁身折斷；2）水平位移超過30～40mm，軟土取40mm；3）水平位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平位移允許值。本試驗(yàn)中，C5樁最大加載200kN，C6樁最大加載130kN，C7樁最大加載220kN。

4　單樁水平靜載試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)，C5樁最大加載200kN，C7樁最大加載220kN，均超過單樁水平臨界荷載值；C6樁最大加載130kN，未達(dá)到水平臨界荷載值。故本文選用C5試驗(yàn)樁作為代表樁，闡述其試驗(yàn)分析研究成果。

4.1樁各級(jí)水平力作用下的樁身彎矩分布分析

基樁在水平力作用下仍可假設(shè)滿足平截面假定，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)及相關(guān)文獻(xiàn)，單樁水平荷載作用下樁身彎矩可以由量測(cè)得到的樁身應(yīng)變來推算求得，則任一截面的彎矩計(jì)算公式為：

式中：M——任一截面的彎矩；

EI——樁身抗彎剛度（KN·m2）；其中E為樁身材料彈性模量，I為樁身換算截面慣性矩；

ε1——受壓區(qū)鋼筋的壓應(yīng)變；

ε2——受拉區(qū)鋼筋的拉應(yīng)變；

d——受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋的中心距離。

根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)變傳感器的讀數(shù)可以得到鋼筋應(yīng)變，從而可以得到樁在各級(jí)荷載下鋼筋和PHC樁身混凝土的最大拉應(yīng)變和壓應(yīng)變。

根據(jù)上式可以進(jìn)一步得到C5試驗(yàn)樁在各級(jí)荷載下樁身各截面的彎矩圖，如圖4.1。

圖4.1　C5樁在各級(jí)荷載下樁身各截面的彎矩圖

從單樁水平靜載試驗(yàn)樁身彎矩圖可以看出，水平樁樁身彎矩值隨著加載值的增大而增大，在樁頂?shù)孛嬉韵?1m處彎矩基本為0。各水平樁最大彎矩值位置隨著荷載值的增大有所下移，各樁在最終水平荷載作用下其最大彎矩位置相對(duì)穩(wěn)定在樁頂以下5.5± 1m范圍內(nèi)。

同時(shí)根據(jù)彎矩圖判斷出，C5樁在外部水平荷載達(dá)到200kN時(shí)，最大彎矩位置附近處鋼筋計(jì)讀數(shù)不穩(wěn)定，樁身應(yīng)力波動(dòng)較大，無法準(zhǔn)確確定樁身內(nèi)部彎矩，此時(shí)外部水平力荷載已接近其極限水平力承載力值。故據(jù)此判斷C5樁的極限水平承載力值約為200kN。

4.2水平力-最大彎矩截面鋼筋拉應(yīng)力（H-σs）分析

根據(jù)得出的彎矩值作對(duì)比，找出各級(jí)水平力作用下最大彎矩值所對(duì)應(yīng)的截面，并作出相應(yīng)的H-σs(水平力-最大彎矩截面鋼筋拉應(yīng)力)曲線，如下圖4.2。

圖4.2　C5樁H-σs曲線

從水平力-最大彎矩截面鋼筋拉應(yīng)力（H-σs）曲線以可以看出，鋼筋拉應(yīng)力隨著水平力的增加而增加。從C5樁的H-σs曲線中可以發(fā)現(xiàn)，在水平力為150kN處明顯有第一個(gè)拐點(diǎn)，根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)規(guī)范第6.4.3條可以確定，試驗(yàn)樁的水平臨界荷載值為150kN。雖然此時(shí)鋼筋應(yīng)力出現(xiàn)拐點(diǎn)，然而此時(shí)鋼筋并沒有發(fā)生屈服現(xiàn)象，因?yàn)楫?dāng)外部荷載超過其水平臨界荷載后，樁身鋼筋應(yīng)力仍然按照直線趨勢(shì)發(fā)展，且其斜率更大，并沒有發(fā)生陡降等鋼筋屈服特征。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)外部荷載達(dá)到水平臨界荷載值后，樁身最大彎矩處截面出現(xiàn)了裂隙，樁身混凝土退出了工作，樁身鋼筋單獨(dú)承擔(dān)外部荷載（拉力），鋼筋應(yīng)力顯著增大。

另外從前述樁身彎矩圖也可以看出，當(dāng)C5樁水平荷載值超過150kN后，樁身最大彎矩值增長(zhǎng)較快。雖然此時(shí)樁身沒有達(dá)到其水平承載力極限值，然而由于樁身裂隙的出現(xiàn)，容易發(fā)生樁身鋼筋的銹蝕，不利用樁基的耐久性使用，因此為了基樁的長(zhǎng)期穩(wěn)定性使用，不建議工作荷載值超過150kN。

4.3水平力-樁身截面鋼筋拉應(yīng)力（H-σs）分析

根據(jù)分析所需要求，另外作出各個(gè)試驗(yàn)樁中每個(gè)鋼筋計(jì)的H-σs曲線，選取一些具有代表性的鋼筋計(jì)進(jìn)行繪制曲線，圖中“-2m、-5m等”代表該處的鋼筋計(jì)離樁頂距離，同時(shí)作直線找出曲線拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水平力，曲線如下圖4.3所示。

圖4.3　C5樁H-σs曲線

從上述圖中可以看出各個(gè)位置處鋼筋應(yīng)力隨著水平力的提高而不斷增大，而對(duì)于樁頂以下11m處的鋼筋，其水平荷載無法傳遞至該深度，在該處的鋼筋應(yīng)力基接近于0。從上述圖中也可以看出，樁頂以下5.5±1m深度范圍內(nèi)鋼筋應(yīng)力最大，這進(jìn)一步說明了該深度范圍內(nèi)樁身彎矩最大。對(duì)于C5水平樁，在5.5±1m深度范圍內(nèi)鋼筋應(yīng)力發(fā)生突變，進(jìn)一步說明了該樁深范圍內(nèi)樁身會(huì)出現(xiàn)裂隙，基樁出現(xiàn)裂隙后，鋼筋單獨(dú)承擔(dān)水平荷載，鋼筋應(yīng)力顯著增大。

5　結(jié)論

（1）C5樁的極限水平承載力值約為200kN，樁身最大彎矩分布在距樁頂5.5±1m深度范圍內(nèi)。

（2）試驗(yàn)樁的水平臨界荷載值為150kN，此時(shí)基樁最大彎矩范圍內(nèi)樁體出現(xiàn)裂隙，容易發(fā)生樁身鋼筋的銹蝕，不利用樁基的耐久性使用，因此為了基樁的長(zhǎng)期穩(wěn)定性使用，不建議工作荷載值超過150kN。

朱賢哲（1983-），男，工程師，安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院工程質(zhì)量檢測(cè)所。