上海地区单桩水平承载力的若干影响因素研究

　　摘 要：结合上海软土地区12个场地57根单桩水平静载荷试验，研究建筑桩基单桩在水平荷载作用下的受力特点。根据试验实测数据，探讨不同桩径、不同试验加载方法及灌芯对预应力空心桩受力性状影响等因素，认为建筑工程中，可选择桩径较大或者采用在桩顶一定范围内扩大桩径的做法进行单桩水平承载力优化设计，试验加载方式建议可采用单向单循环恒速水平加载法，预应力空心桩顶部灌芯可作为水平承载力的安全储备，为软土地区类似工程的单桩水平承载力的设计和理论研究提供参考。
　　关 键 词：单桩水平承载力；影响因素；桩径；加载方式；灌芯

　　1 引 言
　　建筑工程桩基主要以竖向承载为主，但由于现今城市发展的需要，尤其是随着对建筑抗震设计要求[1－2]（主要指上部结构的抗震设计要求）不断系统和严格，与之相应的地基基础抗震设计特别是桩基础的抗震设计要求也亟待相应匹配并明确，2010版上海《地基基础设计规范》[3]要求建筑桩基进行水平抗震验算，因此，单桩水平承载力的确定成为了其中的关键问题之一。与竖向承载相比，承压桩的水平承载力问题更为复杂，我国早期于1979－1980年在黄河洛口的中压缩性黏土和粉砂土中进行了一批桩基载荷试验[4－5]，沈保汉[6]对单桩在水平荷载下的工作机制进行了研究，徐枫[7]对上海地区已建建筑物进行PHC桩单桩水平承载力试验分析认为，基础梁背侧土体对承载力提高有一定作用，桩顶自由条件下的承载力数值比按规范计算值要大很多。黄银冰等[8]通过现场试验研究水泥土桩增强灌注桩水平承载特性的效果，打设水泥土桩能够控制灌注桩水平位移的发展，提高灌注桩水平承载的极限荷载，幅度约为25%，对于灌注桩水平承载的临界荷载基本没有贡献。实际工程中进行单桩水平承载力试验资料较多地集中在港口、市政等行业，亟需开展针对上海软土条件下较系统的单桩水平承载力试验分析研究，为工程发展做好技术积累，满足桩基水平抗震验算的要求。
　　本文收集上海典型软土地层中单桩水平承载力静载荷试验，共得到12个场地57根不同试验桩资料[9－11]，分析单桩在水平荷载作用下的受力特点，分析不同桩径、不同试验加载方法及灌芯对预应力空心桩受力性状影响等，若干影响单桩水平承载力的因素，为软土地区类似工程单桩水平承载力的设计和理论研究提供参考。
　　2 试验概况
　　单桩水平承载力静载荷试验资料总共12个场地共计57根试验桩，涵盖灌注桩、预应力管桩、预制空心方桩、预制方桩等，分布于上海浦东、普陀、闵行等市区及郊县多个区域（见表1）。
　　试验采用顶推法加荷，试验土层为原状土，根据场地情况开挖1～3 m不等。试验加载方法采用上海市《建筑基桩检测技术规程》[12]中规定的方法，大部分试验桩采用单向单循环恒速水平加载法。在试验过程中，为了考虑试验加载方法对水平承载力的影响，选择一个场地进行了单向单循环恒速水平加载法和单向多循环加卸载法的对比试验。试验大部分是达到水平位移超过40 mm后停止加载，从实测情况来看基本是都做到了桩周土破坏，典型场地试验曲线如图1所示。
　　3 主要影响因素分析
　　单桩水平承载力不仅取决于桩的截面、刚度、入土深度、土质条件等因素，还与桩顶容许水平位移、桩顶嵌固情况以及作用在桩顶上的竖向荷载水平密切相关，它是桩-土共同作用的表现。依据现有试验资料，分析不同桩径、不同试验加载方法及灌芯对预应力空心桩受力性状影响等若干影响单桩水平承载力的因素。
　　3.1 桩径对水平承载力影响分析
　　桩的抗弯刚度是影响桩基水平承载力的主要因素之一，它取决于桩的截面尺寸、刚度和材料强度，其中桩径对水平承载力的影响尤其显著。本文取试验曲线桩顶水平位移10 mm对应的荷载乘以0.75为单桩水平承载力，并与桩径进行比较回归分析。
　　根据桩径与水平承载力进行最小二乘法回归分析（见图2）可以看出，随着桩径的增大，单桩水平承载力增大，有较强的相关性。虽然有个别场地试验成果有一定的离散型，但总的趋势显而易见的。 　　灌注桩由于是现场浇筑，实际桩径和设计桩径往往存在一定偏差，尤其对于浅层粉土地区，桩顶局部扩径非常明显。例如T1-CF工程项目浅层影响深度范围为砂性土，因此，局部扩径现象较为严重。试验进行时实测了试验桩的实际桩径，因此，采用实测桩径进行分析。同一设计桩径和配筋，随着实际桩径的增大，水平承载力总体增加（如表2所示）。这一现象也可应用于工程制桩，当工程对单桩水平承载力有严格要求时，对灌注桩可采用一定深度范围内浅部扩径的方式提高单桩水平承载力。
　　为了进一步探讨桩径与承载力的关系，采用单因素法进行比较。首先将试验资料中相同场地、相同桩径的水平承载力取平均值，以获得该场地的水平承载力，排除试验操作的误差；再将试验土层同在②层黏土上的试验桩的水平承载力与桩径进行回归分析，排除不同试验土层的影响，得到水平承载力与桩径的关系，如图3所示，回归结果的相关性很好。 　　通过试验分析验证了桩径对水平承载力的影响，在桩顶自由的条件下，随着桩径的增大，桩的抗弯刚度增大，水平承载力随之增大。在建筑工程中应根据竖向承载的要求，合理确定桩径以满足水平承载力的要求。建筑桩基以承受竖向承载力为主，设计人员一般选择长细比较高的桩型，工程造价相对较低，当同时要满足水平承载力要求时，就需要选择桩径较大的桩型或者采用桩顶一定范围内扩大桩径的做法进行优化设计，扩径的深度范围需根据桩顶水平荷载大小及预估桩身弯矩确定。
　　3.2 试验加载方法影响分析
　　根据加载方式的不同，目前单桩水平静载荷试验常用的试验加载方法有单向多循环加卸载法和单向单循环加卸载法，其中单向单循环加卸载法又分为慢速维持荷载法、单向单循环恒速水平加载法[12－13]等（见图4）。 　　图5、6比较了不同试验加载方法得到的同一场地相同桩型的单桩水平承载力临界荷载及按桩顶水平位移10 mm对应的荷载乘以0.75确定的水平承载力设计值的差异。 　　从图7可以看到，同一试验场地相同桩径的试桩，分别采用单向单循环加载和单向多循环加载时，从临界荷载试验结果看，单向单循环加载比单向多循环加载大1～2级荷载，这主要是由于多循环加卸载法在每一级荷载下反复加卸载，试验桩受力状态更为复杂，更容易达到临界荷载。从极限承载力和水平承载力结果来看，这一差异相对减小，但单循环法确定的极限承载力和水平承载力相对稍大。因此，从设计取用的角度，单桩水平承载力试验采用单向单循环加载和单向多循环加载所得到的承载力取用值差别不大。考虑到试验过程的简洁便利，试验结果判定得清晰准确，建议宜采用单向单循环恒速水平加载法。
　　3.3 灌芯对预应力空心桩水平承载性状的影响
　　工程中为了实现预应力空心桩与桩基承台的有效连接，一般采取在空心桩顶一定长度内灌注微膨胀混凝土并预埋钢筋。文献[14]规定：灌芯长度对承压桩不小于3D（D为管桩的外径）且不小于1.5 m；对抗拔桩应采用公式计算，并不小于3 m。文献[15]规定灌芯长度不小于1 m。
　　对预应力空心桩进行灌芯，一方面实现了基桩与承台有效牢靠的连接，另一方面提高了桩的抗弯刚度，从理论上说对桩的水平承载力有一定的提高。为了对这影响因素进行验证，试验选取预应力空心方桩进行灌芯对比试验，结果如图8所示。 　　根据表3从水平临界荷载的结果来看，灌芯对承载力的提高并不显著；从水平极限承载力来看灌芯比不灌芯的试验桩大10～30 kN不等，该场地地基土具有较大的不均匀性，承载力提高部分中，灌芯的贡献率无法具体分析。因此，虽然理论上灌芯能提高桩的抗弯刚度，对承载力的提高是有一定作用，但由于目前实测资料相对较少，无法定量分析灌芯对承载力的具体贡献，这一部分可以作为水平承载力的安全储备进行考虑。
　　4 结 论
　　（1）试验验证了在桩顶自由的条件下，随着桩径的增大，桩的抗弯刚度增大，水平承载力随之增大。因此，在建筑工程中，可就需要选择桩径较大的桩型或者采用桩顶一定范围内扩大桩径的做法进行单桩水平承载力优化设计。
　　（2）从设计取用的角度，单桩水平承载力试验采用单向单循环加载和单向多循环加载所得到的承载力取用值差别不大，考虑到试验过程的简洁便利，试验结果判定的清晰准确，建议建筑工程一般可采用单向单循环恒速水平加载法。
　　（3）从试验结果来看，灌芯对承载力的提高并不显著，虽然理论上灌芯对桩的抗弯刚度对承载力的提高是有一定的作用，但由于目前实测资料相对较少，尚无法定量分析灌芯对承载力的具体贡献，这一部分可以作为水平承载力的安全储备进行考虑。
　　参 考 文 献
　　[1] 中国建筑科学研究院. JGJ94－2008 建筑桩基技术规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2008.
　　[2] 中国建筑科学研究院.GB50007－2011 建筑地基基础设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.
　　[3] 上海现代建筑设计（集团）有限公司.DGJ 08－11－2010 地基基础设计规范[S]. 上海: [出版者不详], 2010.
　　[4] 黄河洛口桩基试验研究组. 黄河洛口小型砼灌注桩群桩基础试验概况[J]. 人民黄河, 1985, (1): 29－33.
　　Test Pile Group of Yellow River Luokou. Small-sized concrete pile group foundation test profiles of Yellow River Luokou[J]. Yellow River, 1985, (1): 29－33.
　　[5] 黄河洛口桩基试验研究组. 桩基在水平荷载作用下的破坏特征[J]. 人民黄河, 1985, (4): 39－46.
　　Test Pile Group of Yellow River Luokou. Failure characteristics of Pile foundation under the action of horizontal load[J]. Yellow River, 1985, (4): 39－46.
　　[6] 沈保汉. 桩基础测试、勘察、设计和施工（十二）单桩的水平承载力[J]. 工业建筑, 1991, (9): 49－54.
　　[7] 徐枫. 基于原型试验的单桩水平承载力分析[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(增刊2): 291－294.
　　Xu Feng. Lateral capacity of single pile based on prototype tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 31(Supp.2): 291－294.
　　[8] 黄银冰, 赵恒博, 顾长存, 等. 考虑水泥土桩增强作用的灌注桩水平承载性能现场试验研究[J]. 岩土力学, 2013, 34(4): 1109－1115.
　　HUANG Yin-bing, ZHAO Heng-bo, GU Chang-cun, et al. Field experimental study of lateral load capacity of filling pile enhanced by soil-cement pile[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(4): 1109－1115.
　　[9] 侯胜男, 刘陕南, 孙洋波, 等. 预应力管桩水平承载力现场试验与计算研究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2012, 4(4): 28－31.
　　HOU Sheng-nan, LIU Shan-nan, SUN Yang-bo, et al. Lateral capacity of PHC pile on site test and calculation research[J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2012, 4(4): 28－31.
　　[10] 上海现代建筑设计(集团)有限公司. 上海软土地区建筑桩基水平承载力的确定方法研究报告[R]. 上海: 海现代建筑设计(集团)有限公司, 2012.
　　[11] 侯胜男,刘陕南,蔡忠祥, 等.预应力管桩单桩水平承载力的试验判定标准探讨[J]. 岩土工程学报, 2013, 35(增刊1):378－382.
　　HOU Sheng-nan, LIU Shan-nan, CAI Zhong-xiang, et al. Test standards for lateral capacity of single PHC pile[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(Supp.1): 378－382.
　　[12] 中国建筑科学研究院.DGJ08－218－2003 建筑基桩检测技术规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2003.
　　[13] 上海市建筑建材业市场管理总站.JGJ106－2003 建筑基桩检测技术规范[S]. 上海: [出版者不详], 2003.
　　[14] 中国建筑标准设计研究院.国家建筑设计标准图集10G409. 预应力混凝土管桩图集[S]. 北京:中国计划出版社,2010.
　　[15] 中国建筑标准设计研究院.国家建筑标准设计图集08SG360. 预应力混凝土空心方桩[S]. 北京:中国计划出版社,2008.