王鹏1 王成树2 傅科奇2
（1.湖州市城市建设投资集团公司，湖州，313000）
（2.浙江省交通规划设计研究院，杭州，310006）
【摘 要】在桥梁工程中，桩不仅要承担较大的竖向荷载，还需要承担波浪、风、地震、船舶撞击力等水平荷载。进行了2根大直径钻孔灌注桩水平静载试验，分析了深厚软土地基中钻孔灌注桩水平受荷的承载特性，计算出适合超厚软土层的m值，以便为今后该地区类似工程的水平承载特性分析及相关理论研究提供参考。
【关键词】大直径钻孔灌注桩；水平荷载；深厚软土；m值
1．工程概况与地质条件
1.1 依托工程概况
东苕溪大桥是湖州市申苏浙皖和申嘉湖高速公路连接线上的一座桥梁，桥结构形式为斜拉-悬索组合体系桥。该工程于2012年上半年正式动工，设计荷载等级为公路-Ⅰ级，桥梁全长585.04米，桥宽41.6米。基础采用钻孔灌注桩基础。桩基础承受水平集中荷载较大，水平承载力成为设计的控制指标，因此做桩基础水平静载试验，通过试桩检验确定水平承载力，推定地基土抗力系数的比例系数，确保其水平承载力达到设计要求。
1.2 工程地质条件
土层主要物理力学指标值见表1。
表1 土层主要物理力学指标表
2．试验方法与过程
2.1 基桩概况与试验现场布置
本次试验共2根试桩，桩间距为4.2m。试桩为钻孔灌注桩，桩径为2m，单桩长约59.3m，成桩后休止期超过40d后进行试验。
采用最大量程为50mm的机械百分表对两桩的水平位移变化进行量测，量测数据可精确至0.01 mm。百分表分别布置于水平力加载点及该点以上50cm处，进行试验时可测得上述两表所在位置的桩身水平位移，同时可通过两表所测得的水平位移差值与两表之间的间距的比值求得水平力加载点处桩身的转角。同时，在两桩桩身对称布置测斜管以测得水平荷载作用下的桩身位移分布。
通过埋设钢筋计来推算桩身沿深度方向的截面弯距分布，为保证计算精度，测试断面的间距通常不宜大于1倍桩径。因此，对于本文所进行的水平静载试验，试桩A和B上均布置了10组钢筋计用于测试不同断面的弯矩，每隔2m布置一个测试断面，每个断面均布设2只钢筋计。
2.2加载方法
水平静载试验是按照《公路桥涵施工技术规范》（JTGT F50-2011）方法：慢速维持荷载法进行。试验加载装置主要采用带球铰的卧式液压千斤顶，采用两桩对顶法提供反力，水平力加载点位于泥面上0.2m处。
试验终止条件：考虑到试验桩为工程桩，加荷未达到桩的极限荷载，以试桩达到试验要求的预计最大荷载或最大水平位移终止试验，最大水平位移为40mm。
3．试验结果与分析
3.1 荷载-位移关系
根据测试结果，水平荷载下两桩在加载处的水平荷载-位移关系曲线（H-Y曲线）如图3所示。如图所示：两桩均加载至1200kN时终止加载，试桩A和B的受力点处实测位移分别为3.06mm和3.19mm，卸载后，残余实测位移分别为0.95mm和0.73mm。当水平荷载较小时，两桩的荷载-位移曲线呈直线分布，且基本重合，说明此时的桩土作用处于弹性阶段，桩周土体处于近似弹性压缩状态。随着荷载增大，土体发生塑性变形，两桩的水平位移区别明显。由于两桩处于相同土层，且为水平对顶，可以看出其上述曲线趋势相近。
3.2 水平临界荷载
单桩的水平临界荷载可按规范由水平荷载-位移梯度关系曲线（H-ΔY/ΔH曲线）的第一直线段终点对应的荷载确定为水平临界荷载。根据测试结果，图4给出了两桩的H-ΔY/ΔH曲线分析。试桩A和B所对应H-ΔY/ΔH曲线的第一直线段终点相同，即两桩的水平临界荷载均为1040kN，临界荷载所对应的水平位移分别为1.64和2.21mm。
3.3 桩身水平位移
根据单桩受力侧测斜管的实测水平位移值，可得出试桩A和B在水平荷载作用下桩身深度位移变形，如图1所示。由图可见，两桩在荷载达到最终荷载前，桩身位移逐级增大，当荷载达到1200kN时，试桩A的桩身水平位移增幅明显增大，约为上级荷载下位移增幅的3倍。两根桩身水平位移均集中于上段桩，初始位移零点在桩深度5m处，随着荷载的增加，位移零点沿着桩身下移，而在距力作用点以下10m位置，其水平变位几乎均为0，即表明两根桩均处于弹长桩的工作状态，均未被破坏。
3.4 桩身弯矩
根据试验采集的测点处的拉应变ε+和压应变ε-，得到该断面弯曲应变Δε=ε+-ε-（该公式可以剔除轴力的影响），进而计算出相应的弯矩，桩身弯矩分布图随荷载增大，最大弯矩点位置逐渐下移，桩身弯矩主要分布在桩身12m以上，且水平荷载越大，桩身弯矩值越大；同级水平荷载下桩身最大弯矩点的位置均位于桩身深度5m处，基本保持不变，而在桩身深度12m以下弯矩接近零。
4．桩侧土水平抗力比例系数
m法是弹性地基反力法中的一种，由于其计算图式较简便，可用解析法或数值法求解，是分析水平受荷桩和进行工程设计的常用方法之一。
当桩顶自由时，m值可按下列公式计算：
式中，m为地基土水平抗力系数的比例系数；α为桩的水平变形系数；vy为桩顶变位系数，可由式（2）通过试算查表得知；EI为桩身抗弯刚度；b0为桩身计算宽度。
根据测试结果，计算出桩侧土水平抗力系数m值，可得到桩的水平力-m值关系曲线（H-m曲线）和水平位移-m值关系曲线（Y-m曲线），两根桩的m值随水平力和水平位移变化趋势一致，m值均随桩顶水平荷载及水平位移的增大而减小，并逐渐趋于一稳定值。根据规范规定，对于灌注桩而言，桩的水平荷载设计值通常取其水平临界荷载，其m值取临界荷载所对应的值。通过计算可得试桩A和B在水平临界荷载为1040kN下对应的m值分别为11.3和6.87 MN/m4。由计算可知，两桩的m值有所不同，这是因为大量试验证明位移较小时土也具有非线性，由m值计算公式可知，位移越小，m值变化较大。相同临界荷载下，由于两桩水平位移不同，因此m值区别明显。
5．结论
（1）通过东苕溪大桥2根大直径钻孔灌注桩的水平静载试验，试验和分析结果表明桩具有较好的水平承载力。
（2）分析了超厚软土层中钻孔灌注桩水平承载特性，发现相同场地条件和桩型的两根试桩具有相同的临界承载力，其水平承载特性也十分接近。
（3）计算了两桩临界荷载对应的桩侧土水平抗力比例系数m值，由于水平位移较小，其m值存在一定差异，相关结果可为此类地区相似工程的设计与理论研究提供参考。
参考文献：
[1]陈正, 梅岭, 梅国雄. 柔性微型桩水平承载力数值模拟[J]. 岩石力学, 2011, 32(7): 2219-2224
[2]吴锋, 时蓓玲, 卓杨. 水平受荷桩非线性m 法研究[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(9): 1398-1401
论文作者:王鹏1,王成树2,傅科奇2
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/15
标签：荷载论文; 水平论文; 位移论文; 弯矩论文; 临界论文; 曲线论文; 钻孔论文; 《工程建设标准化》2016年5月总第210期论文;