屠海明 徐光 郁蔚

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司 上海200092；2.中國鐵塔股份有限公司浙江省分公司 杭州310008)

引言

由于具有傳力高效、占地面積小、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，直徑大、埋入深度相對較淺的鋼樁基礎(chǔ)在輸電、通信、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。 此類基礎(chǔ)可看作剛性樁進(jìn)行受力分析。 應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的剛性樁與一般承受水平剪力為主的傳統(tǒng)剛性樁相比，彎矩的數(shù)值往往是水平剪力的數(shù)十倍甚至上百倍，對基礎(chǔ)的影響不可忽視。

目前國內(nèi)外研究剛性樁水平承載性能試驗(yàn)主要以受水平力為主。 大直徑剛性樁場地試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要由液壓千斤頂和位移計(jì)獲得，Bhushan[1]及Bierschwale[2]分別對超固結(jié)砂質(zhì)粘土和硬砂質(zhì)粘土中直徑為 0.9m ～1.22m、埋深為 3.8m ～6.1m的5 根鉆孔灌注樁進(jìn)行水平加載，以獲得位移與荷載的關(guān)系； 楊永垚[3]采用壓力傳感器獲得粉土中直徑0.165m、樁長2m 的剛性樁模型樁側(cè)土抗力試驗(yàn)值。 對于大直徑鋼樁的水平承載力的原型試驗(yàn)研究，目前僅限于水平力加載作用下的柔性長樁。 朱照清[4]對淤泥質(zhì)軟土中直徑為1.7m、埋深為64m 的鋼管樁水平承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

目前我國輸電線路塔和單管通信塔[5]采用極限平衡法計(jì)算剛性短柱，該法計(jì)算簡便，但是計(jì)算彎剪共同作用的剛性樁時(shí)沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐。 此外，極限平衡法也未考慮水平土抗力與樁體轉(zhuǎn)動(dòng)的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。

張明熠等[6，7]在河北地區(qū)對兩根直徑為0.9m ～1.09m、埋深 6.47m 的鋼管單樁進(jìn)行彎剪作用下的荷載試驗(yàn)，獲得了樁身彎矩和樁頂位移隨荷載的變化情況，探討了樁周土地基加固對樁的水平承載能力的影響以及剛性短柱法對此類結(jié)構(gòu)的適用性； 并基于剛性樁的結(jié)構(gòu)變位方程，結(jié)合彈性地基理論C 值法，提出一種用于軟土中高聳結(jié)構(gòu)剛性樁工程設(shè)計(jì)的簡化計(jì)算方法。

當(dāng)前，鋼樁基礎(chǔ)在浙江、上海等地區(qū)也有著廣泛的應(yīng)用。 這些地區(qū)，尤其是靠近海邊的地方，淤泥或淤泥質(zhì)土相當(dāng)普遍，土質(zhì)條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如河北地區(qū)。 本文通過對溫州地區(qū)淤泥土質(zhì)下的兩個(gè)大直徑鋼樁承受彎剪同時(shí)作用下的實(shí)測，得到了樁頂彎矩與樁頂位移的關(guān)系曲線。并與基于彈性地基理論的C 值法理論值進(jìn)行了比較。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 場地

本次試驗(yàn)選擇在浙江省溫州市鹿城區(qū)的一塊老舊拆遷區(qū)內(nèi)，該地塊場地開闊，周邊無重要建筑物，地下無重要管道或管線通過，同時(shí)，交通較為方便，是現(xiàn)場試驗(yàn)的理想場地。

根據(jù)地勘報(bào)告，試驗(yàn)場地內(nèi)從上到下主要可以分為三層土：第1 層為雜填土，主要為由碎石和塊石組成的建筑垃圾，層厚1.30m ～1.40m；第2 層為灰黃色粘土，可塑，飽和，層厚0.60m～0.70m； 第 3 層為灰色淤泥，流塑，飽和，厚度未揭穿。 地下水位埋深1.1m 左右。 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)詳見表1。

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Main physical and mechanical properties of soil

現(xiàn)場施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，上層1m 左右的建筑垃圾挖除后，下部即為灰色淤泥，即第2 層粘土層缺失。

由于必須先清除由碎石和塊石組成的建筑垃圾以后才能打樁，實(shí)際施工時(shí)，在樁位附近開挖深度2m，打樁完成后周邊采用粗砂和碎石回填至地面標(biāo)高以下1m 處，考慮到回填砂石難以壓實(shí)，因此本次試驗(yàn)樁的持力層接近于完全的灰色淤泥。

1.2 試驗(yàn)對象

溫州地區(qū)基本風(fēng)壓較大，同時(shí)市區(qū)的通信單管塔又有美化要求，30m 左右的單管塔，基礎(chǔ)彎矩標(biāo)準(zhǔn)值接近1000kN·m。 根據(jù)地勘資料初步計(jì)算，選擇試驗(yàn)對象為兩個(gè)相同直徑、不同長度的鋼樁基礎(chǔ)。 試驗(yàn)樁A 樁長9.0m，樁徑1400mm，壁厚16mm； 試驗(yàn)樁B 樁長7.5m，樁徑1400mm，壁厚16mm； 另外設(shè)置一根反力樁，反力樁規(guī)格同試驗(yàn)樁A。

為模擬彎剪共同受力情況，在測試樁A、B上部安裝30m 高單管塔筒體，離地面20m 處設(shè)加載點(diǎn)； 在反力樁樁頂設(shè)張拉操作點(diǎn)，以方便測試人員施加拉力，并記錄拉力計(jì)讀數(shù)。 拉力與水平地面夾角為45°。

使用位移計(jì)測量樁頂位移。 為減少樁側(cè)土變形引起的誤差，在試驗(yàn)樁周邊設(shè)置基準(zhǔn)鋼架，鋼架四角直接打入地下1.5m，離樁凈距不小于1.0倍樁身直徑，鋼架上下兩層各對稱布置兩個(gè)水平方向的位移計(jì)。

試驗(yàn)總平面布置見圖1。

圖1 試驗(yàn)總平面布置Fig.1 General layout of the test

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

(1)水平位移量測設(shè)備

位移計(jì)(精度為0.1mm)量程分別為0 ～100mm、0 ～200mm，總共4 支，電子全站儀1 臺(tái)。

(2)加載設(shè)備及載荷量測設(shè)備

鋼絲繩、鋼絲繩固定端抱箍、拉力傳感器(10t)，電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)。 由于試驗(yàn)拉力很大，在拉力端設(shè)置滑輪組。

(3)其他

測點(diǎn)定位：細(xì)線，卷尺，直尺，記號筆，對講機(jī)等。

1.4 試驗(yàn)步驟

在上部塔身安裝完畢以后，按照以下順序進(jìn)行試驗(yàn)：

(1)安裝固定位移計(jì)的鋼架以及位移計(jì)，位移數(shù)據(jù)調(diào)試。

(2)安裝拉力鋼絲繩，并設(shè)置安全措施。

(3)分級加載，每級荷載施加后第5min、第10min 測讀樁頂?shù)乃轿灰坪退眄敳课灰疲偈┘酉乱患壓奢d。 根據(jù)預(yù)估的最大加載量，當(dāng)加載初期時(shí)，分級荷載取20%最大加載量； 加載后期，分級荷載取10%最大加載量。

(4)分級卸載，卸載時(shí)每級荷載第5min、第10min 測讀樁頂水平位移，再卸下一級荷載。 每級卸載荷載與加載荷載對應(yīng)。

(5)卸載至零后，維持時(shí)間一小時(shí)，測讀樁頂水平位移，衡量回彈情況。

由于試驗(yàn)時(shí)單管塔筒體先安裝在試驗(yàn)樁A 上面，故先測試樁A。 試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一次加載后樁頂位移較大時(shí)，卸載后的殘余變形比較大，因此在測試樁B 時(shí)，采用兩次加載和卸載。

2 試驗(yàn)分析

由于試驗(yàn)時(shí)，塔身上的拉點(diǎn)位置不變，因此對于樁頂而言，彎矩與水平剪力的比例為定值。為便于分析，彎剪共同作用的效應(yīng)以彎矩值表示。

樁頂位移直接取底層兩個(gè)位移計(jì)讀數(shù)的平均值，由于位移計(jì)安裝高度比樁頂高約20cm，塔身在彎剪作用下存在一定變形，因此實(shí)際樁頂位移小于試驗(yàn)讀數(shù)。

試驗(yàn)樁樁頂-位移關(guān)系如圖2 所示。 對試驗(yàn)樁A 進(jìn)行了一次單調(diào)加載和卸載試驗(yàn)，對試驗(yàn)樁B 進(jìn)行了兩次單調(diào)加載和卸載試驗(yàn)。

從圖2a 可以看出，樁頂位移隨著彎矩的增加而增加，并且斜率逐漸變小。 當(dāng)彎矩為1150kN·m 時(shí)，樁頂位移已經(jīng)達(dá)到 16.5mm，卸載后殘余變形較大，約有5.5mm。 根據(jù)該曲線，加載時(shí)樁頂位移為10mm 時(shí)，樁頂所受的彎矩約為920kN·m。

從圖2b 可以看出，第一次加載到580kN·m時(shí)，樁頂位移為9mm，卸載后殘余變形較小，再次加載時(shí)，加載曲線基本與卸載段曲線一致。 當(dāng)彎矩為635kN·m 時(shí)，樁頂位移達(dá)到11mm，此后隨著繼續(xù)加載，樁頂位移明顯增加，當(dāng)彎矩為740kN·m 時(shí)，樁頂位移達(dá)到 15mm，停止加載；卸載后殘余變形達(dá)到6mm。 根據(jù)該曲線，加載時(shí)樁頂位移為 10mm 時(shí)，樁頂所受的彎矩約為608kN·m。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)最大樁頂位移為9mm 時(shí)，卸載后實(shí)際殘余變形約為2mm ～3mm； 最大樁頂位移達(dá)到15mm 時(shí)，卸載后殘余變形達(dá)到5mm ～6mm。 結(jié)果表明文獻(xiàn)[8]采用10mm 作為水平位移控制值比較合理。

3 基于彈性地基理論的C值法

當(dāng)樁與土的剛度滿足一點(diǎn)關(guān)系時(shí)，可以認(rèn)為承受彎剪共同作用的樁繞著樁身某一點(diǎn)作剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，樁本身的變形與土體變形相比較可以忽略。這就是剛性樁的基本假定。

在樁頂彎矩M和剪力V的作用下，剛性樁繞埋深處某一點(diǎn)作剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3a 所示，在坐標(biāo)系OXZ中，剛性樁沿深度方向任一點(diǎn)的側(cè)向位移可表達(dá)為：

式中：xz為深度z處樁的橫向位移(m)；δ0為樁頂位移(m)；z′為樁頂距剛性轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距離(m)。

根據(jù)Winkler 彈性地基模型，剛性樁轉(zhuǎn)動(dòng)后，任意深度z處的樁側(cè)土抗力與該點(diǎn)橫向位移成正比：

式中：σzx為樁側(cè)土抗力(kN/m2)；Kh為地基反力系數(shù)(kN/m3)；C為地基土比例抗力系數(shù)(kN/m3.5)。

剛性樁轉(zhuǎn)動(dòng)、水平土抗力、地基反力系數(shù)如圖3 所示。 考慮樁身直徑D0，任意深度z處的樁身水平土抗力為：

將式(1) ～ 式(3)代入式(4)，可得：

其中：

圖3 剛性樁受力狀態(tài)Fig.3 State of the rigid pile

根據(jù)基礎(chǔ)彎矩剪力受力平衡條件，基礎(chǔ)埋深z處的剪力值Qz和彎矩值Mz分別為：

將式(5)代入式(8)、式(9)，整理可得：

利用邊界條件z=H時(shí)Mz與Qz等于零，代入式(10)、式(11)，可求解得：

式中：a、b為曲線系數(shù)，單位分別為(kN/m2.5)、(kN/m1.5)；H為剛性樁的長度(m)。

這種方法計(jì)算簡捷，便于工程應(yīng)用。

4 試驗(yàn)值與理論值的對比

根據(jù)地勘條件與實(shí)際施工情況，兩根試驗(yàn)樁的實(shí)際持力層均為灰色粘土，根據(jù)公路橋梁關(guān)于C 值法的取值規(guī)定[9]，取 C 值為 4000kN/m3.5。根據(jù)式(12) ～式(14)，可以很方便地計(jì)算得到：

對于試驗(yàn)樁A，理論計(jì)算樁頂位移為10mm時(shí)，單管塔鋼樁所能承受的彎矩為834kN·m； 實(shí)測樁頂位移為 10mm 時(shí)，樁能承受的彎矩為920kN·m，比理論計(jì)算值高10%。

對于試驗(yàn)樁B，理論計(jì)算樁頂位移為10mm時(shí)，單管塔鋼樁所能承受的彎矩為530kN·m； 實(shí)測樁頂位移為 10mm 時(shí)，樁能承受的彎矩為608kN·m，比理論計(jì)算值高15%。

由此可見，軟土中采用C 值法計(jì)算剛性樁的樁頂位移，有一定的安全余量。

5 結(jié)論

1.試驗(yàn)樁在一定荷載范圍內(nèi)，樁頂位移小于10mm； 卸載后樁頂位移迅速回彈，殘余變形小，這充分說明以抗彎為主的鋼樁基礎(chǔ)即便在地基土以淤泥等軟土為主的地區(qū)也是完全適用的。

2.試驗(yàn)得到的位移值均小于C 值理論計(jì)算值，單管塔鋼樁基礎(chǔ)采用C 值法計(jì)算安全性高。

對于以淤泥為主的軟弱土，為更加有效地提高鋼樁基礎(chǔ)的抗彎承載能力，應(yīng)處理好樁身上部硬土層的加固與保護(hù)工作。 也可采用其他的地基土加固處理，并進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。