广东省有色金属工业建筑工程质量检测站 广州 510000
【摘 要】在高耸建筑、设备基础或其他安全等级要求较高的工程中，基桩的水平承载力尤为重要，工程设计及验收时需要通过水平静载试验来确定其水平承载力，并分析桩基的受力和变形，本文通过结合珠海市某化工厂反应塔的工程实例详细分析桩身在水平静载的作用下的弯矩、挠度及变形，为该类型桩基础的设计和施工提出参考性建议。
【关键词】基桩水平承载力；桩身水平变形；基桩水平静载试验
0引言
基桩承载力分为竖向抗压承载力、竖向抗拔承载力及水平承载力，其中水平承载力受影响因素最多、桩—土受力分析模型尤为复杂。近年来，工程技术人员对水平荷载作用下桩基受力特性进行了大量探索，从中总结出了水平承载桩的作用原理以及其受力特性，为桩基在工程中的应用奠定了基础。 目前，获取桩基水平承载力的方法主要有P-y 曲线法和弹性地基反力法。弹性地基反力法是将桩基周边土作为弹性体，通过梁的弯曲理论求出土抗力，假设土抗力仅与深度和桩的挠度有关系。P-y曲线法考虑了桩基土的非线性和塑性影响，适用于大小位移以及静、动荷载等情况，是目前应用最为广泛的一种方法。本文通过分析了珠海市某化工厂反应塔的水平静载试验资料，介绍钢筋计测试桩身的弯矩、转角及挠度沿桩身深度分布的方法。根据测试结果获得桩身弯矩分布，从而确定桩身的挠度和转角的分布。
1、工程概况
该工程是约25米高的化学反应塔，考虑到是岩海地区可能遭受台风影响且化学反应塔属于高耸物体、反应塔自身危险性较大，所以基础采用钻孔灌注桩，桩长约为 16-22 m，直径800，钢筋笼主筋采用Φ25、HRB400的钢材，设计混凝土强度等级为C30。初步设计总桩数约620根，在正式施工前制作9根试验桩分别用于抗压、抗拔和水平承载力试验。工程建设方提供的地质资料显示场地内60m的勘探深度内土体是由黏土、粉土和砾土等冲积、沉积形成，详细参数见表1中。
2、试验加载方法
试验以广东省地方标准《建筑地基基础检测技术规范》DBJ15-60-2008为标准进行测试，最大荷载为 150kN。同时采用单向多循环加载法。分级荷载的级差不应大于最大试验荷载的1/10。每级荷载施加后，稳定4 min测读水平位移，然后卸载至0，暂停2min测读剩余水平位移，直到完成一个加卸载循环。循环五次。
3、试验测试
3.1试验装置
相邻桩提供水平推力的反力。水平力作用点应与实际工程的桩基承台底面标高一致；千斤顶和试验桩之间安装球形支座。如图1所示。
3.2基准桩和基准梁
位移测量的基准点不受其他因素的影响，基准点应与位移方向相反同时和作用力垂直的桩侧面，基准点与试桩净距要大于1倍桩直径。
3.3荷载与位移值的测量仪表
荷载值用穿心千斤顶（0～200 kN）来测定，千斤顶、油压表、位移计均按规定进行检定。在受检桩两侧的水平力作用面上应对称安装两个位移计测量出水平位移；同时在水平力作用平面以上50cm也安装了两个位移计，测读相应桩截面的水平位移，并求出顶转角。
3.4钢筋应力计
在制作钢筋笼时由施工单位在0.5～15m处按一定间距安装上15对钢筋计,分为两列布置，并将钢筋计安置在钢筋笼上。求出桩基不同部位处的转角、弯矩和挠度的分布。两列钢筋计位于侧向荷载施加的方向上，一列钢筋计位于施加荷载的一侧，另一列钢筋计位于另一侧。各对钢筋计所在桩身横截面到桩顶的距离如表2
4、试验结果分析
4.1水平力、位移与时程的关系
利用试验所测的数据绘出桩顶水平力作用面的水平力-时间-水平位移（H-t-y0）曲线，如图2。同时绘出桩基顶面水平力作用位置处的位移-水平力梯度（H-Δy0 /ΔH）曲线和位移-水平力（H-y0）曲线，、如图3、图4。由图3知，桩顶在最大荷载作用下总的侧向位移是5.06 mm，结合位移-水平力差曲线和图 4的位移-水平力梯度曲线知，当平荷载大于20 kN时，位移差、侧向位移和位移梯度都会随之增大，三条线均出现折点，根据建筑桩基规范的要求，将120 kN作为水平临界荷载。
4.2转角、水平力关系分析。
在受检桩两侧水平力作用面和作用面以上500mm处都对称安装两个位移计进行桩的水平位移测量，分别测出他们的下表水平位移（yx）和上表水平位移(ys)，并根据下式计算桩顶的转角。
式（1）
将各级水平荷载作用下实测的水平位移代入式（1）得到水平力与桩顶转角的关系图，如图 5。由图可知，曲线在20 kN时出现拐点，最大荷载作用下桩顶的总转角为0.18°。
4.3 钢筋计实验
4.3.1钢筋受力Pg
安装在桩体内部钢筋上的钢筋计受力时会使钢筋计的自振频率发生变化，钢筋计在使用前要标定钢筋计受力与钢筋计输出频率之间的关系，所使用的标定关系为:
4.3.4 钢筋计测试结果分析
根据钢筋计的读数和标定系数，得出每个水平截面上的钢筋受力Pg，得出桩基在最大弯矩处的钢筋拉应力，从而得出水平力与最大弯矩处钢筋拉应力（H-σs）曲线，如图6，可以得出结论：当水平力大于120kN时， 曲线出现较为明显的折点，因此可以确定120 kN为临界荷载。
根据式（4）可得同一水平截面处弯曲应变Δε，再根据式（3）可得截面弯矩M，并由式（8）、（9）得每个水平横截面处的转角θ 和挠度y。图7是在各级荷载作用下，弯矩的分布曲线，如图所示，当水平荷载大于120 kN，最大弯矩迅速增加，桩身的最大弯矩位于在地面以下 2～3 m 处，伴随荷载不断增加，最大弯矩向下转移，当桩身深度大于 6m时桩身弯矩变为0，桩为嵌固段。图8为各级荷载转角沿桩身深度分布的曲线，图9为各级荷载挠度沿桩身深度分布的曲线，由图而知，发生弯曲变形的是6m以上的桩体， 当深度大于6m时，转角和挠度都为0。
4.3.5 对比分析
对比桩顶水平位移 y0和转角θ0可得如图 10、 11 所示。
通过对比可见，在水平力小于120 kN时桩顶观测与钢筋计测试的结果的结果一致，说明测试结果较真实。当大于120kN时，数据出现不一致，这是由于桩体内钢筋与混凝土发生了不协调变形。
5结语
基桩水平承载力桩基础变形控制理论源于控制天然基础沉降，广泛应用于复杂建筑和高耸建筑受的设计中。实际应用中须考虑基坑降水、水土与结构共同作用、水平支撑和预加轴力、开挖土体等复杂的影响因素。基础的安全等级要求较高的工程通常需要进行基桩水平承载力检测分析桩身的变形，同时采用钢筋计测出水平荷载作用下桩身弯矩、挠度和转角分布。通过实验得知在水平荷载作用下桩身最大弯矩截面位于在地面以下2～3 m处，如果荷载不断增加最大弯矩截面也逐渐向下移动。根据挠度和转角的分布曲线可知，在水平荷载作用下，桩身上部1/3以内的桩体最易发生变形，其他桩体通常不会变形。
参考文献
[1] 叶万灵, 时蓓玲. 桩的水平承载力实用非线性计算方法——NL 法[J]. 岩土力学, 2000, 21(2): 97－101.
[2].张建伟, 刘汉龙, 戴自航. 分布荷载推力桩计算的 p-y曲线法研究[J]. 岩土力学, 2008, 29(12): 3370－3374
[3].马志涛. 水平荷载下桩基受力特性研究综述[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2006, 34(5): 546－551.
[4].吴恒立. 推力桩计算方法的研究[J]. 土木工程学报, 1995, 28(2): 20－28.
[5]杨克己,韩理安.桩基工程[M].北京:人民交通出版社, 1992.
论文作者:吴永清
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第6期
论文发表时间:2016/8/17
标签：水平论文; 荷载论文; 位移论文; 钢筋论文; 弯矩论文; 承载力论文; 桩基论文; 《低碳地产》2015年第6期论文;