隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，大量的新建樓房從多層向小高層、高層發(fā)展，而且層數(shù)越來(lái)越高，而預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁則是這些工程建筑中的樁基材料。這種管樁適用范圍廣，混凝土強(qiáng)度高，具有較高的單樁豎向抗壓承載力，逐漸受到業(yè)內(nèi)的關(guān)注。但由于預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁的應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，人們對(duì)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁在水平荷載作用下的研究性狀甚少，使得預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁的承載能力特別是水平承載力未能得到充分利用，造成資源的浪費(fèi)。目前，靜載荷試驗(yàn)是檢驗(yàn)工程樁承載力最直觀、最可靠的方法。下面，就結(jié)合實(shí)例，介紹預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁靜載試驗(yàn)。
1工程概況
某建筑工程，包括1棟22層和1棟20層的高層住宅建筑、3棟多層建筑及地下車庫(kù)等，地上建筑均為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑地理位置及建筑具體尺寸詳見(jiàn)建筑物及勘探點(diǎn)平面位置圖，總建筑面積約59193m2，擬采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁樁基礎(chǔ)。
2試驗(yàn)方法
2.1試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)采用1臺(tái)1000kN千斤頂加載，用BZ型超高壓油泵供油。荷載大小由安裝在油泵油路上的壓力傳感器通過(guò)“RS—JYC”型樁基靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)自動(dòng)控制。水平位移觀測(cè)采用2支量程為50mm，精度為0.01mm的位移傳感器，通過(guò)“RS—JYC”系統(tǒng)對(duì)施加水平力的加荷點(diǎn)平面處的水平位移自動(dòng)測(cè)量。
2.2荷載施加
試樁為PHC500AB型樁，樁徑500mm，樁長(zhǎng)9m?？紤]到樁的實(shí)際工作狀態(tài)，在樁頂施加600kN的堅(jiān)向荷載(SP—1、SP—2號(hào)樁施加，SP—3號(hào)樁未施加)，在樁頂與施加豎向荷載的千斤頂之間設(shè)置一滾軸裝置，使樁在水平荷載作用下樁頂可以自由水平移動(dòng)。施加水平力時(shí)，用3根樁提供反力(詳見(jiàn)圖1)，水平力加荷點(diǎn)位于第②層細(xì)砂粉質(zhì)黏土層中，距開(kāi)挖后的地面1.92m。
試驗(yàn)采用單向多循環(huán)加載法進(jìn)行試驗(yàn)，并應(yīng)符合下列規(guī)定：?jiǎn)蜗蚨嘌h(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2mn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)。試驗(yàn)不得中間停頓。
圖1水平載荷試驗(yàn)平面示意圖
試驗(yàn)按預(yù)估極限承載力分10級(jí)加載。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可終止加載：
(1)樁身折斷；
(2)水平位移超過(guò)30～40mm；
(3)水平位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平位移允許值。
3試驗(yàn)成果與分析
水平載荷試驗(yàn)主要依據(jù)水平力一時(shí)間一位移(H-t-Y0)及水平力一位移梯度(H—△Y0/△H)曲線來(lái)綜合確定水平臨界荷載Hσ、水平極限荷載Hu及地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值，從而達(dá)到對(duì)樁水平受力的工作性狀分析與研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程樁水平承載力的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。
3.1水平承載力的分析與確定
試樁SP-1、SP-2、SP-3的H-t-Y0、H—△Y0/△H曲線如圖2、圖3所示。
圖2SP-1水平載荷試驗(yàn)H-t-Y0曲線
圖3SP-1水平載荷試驗(yàn)H—△Y0/△H曲線
(1)SP－1號(hào)樁加載至240kN時(shí)，水平位移10.62mm；H—△Y0/△H曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，即Hcr＝240kN，當(dāng)加載至450kN時(shí)，測(cè)得最大水平位移58.97mm，當(dāng)加載至550kN時(shí)，因樁被推斷而停止試驗(yàn)，則Hu＝450kN。
(2)SP－2號(hào)樁未施加豎向荷載，當(dāng)加載至160kN時(shí)，水平位移6.01mm；H—△Y0/△H曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，即Hcr＝160kN，當(dāng)加載至360kN時(shí)，測(cè)得最大水平位移52.38mm，當(dāng)加荷至400kN時(shí)，因樁被推斷而停止試驗(yàn)，則Hu＝400kN。
(3)SP－3號(hào)樁加載至250kN時(shí)，水平位移8.75mm；H—△Y0/△H曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，即Hcr＝250kN，當(dāng)加載至450kN時(shí)，測(cè)得最大水平位移48.21mm，當(dāng)加荷至500kN時(shí)，因樁被推斷而停止試驗(yàn)，則Hu＝450kN。
依據(jù)規(guī)范，結(jié)合圖2～圖3，可以得出單樁的水平承載力特征值Rh，如表1所示。
表1單樁的水平承載力特征值Rh
3.2m值的計(jì)算
當(dāng)樁頂自由且水平力作用位置位于地面處時(shí)，值可按下列公式確定：
式中：m—地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)(MN／m4)；
vy—樁頂水平位移系數(shù)，由式(2)試算，當(dāng)h≥4.0時(shí)(H為樁的入土深度)，vy＝2.441；計(jì)算時(shí)，先假設(shè)試樁為彈性長(zhǎng)樁，則vy＝2.441，最后驗(yàn)算h≥4.0的假設(shè)是否成立；
H—作用于地面的水平力(kN)；
Y0—水平力作用點(diǎn)的水平位移(m)；
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?yè)Q算截面慣性矩，對(duì)于鋼筋混凝土樁，EI＝0.85EcI0；其中I0為樁身?yè)Q算截面慣性矩，圓形截面為I0＝W0d0/2；
bo—樁身計(jì)算寬度(m)，對(duì)于圓形樁：當(dāng)樁徑d≤1m時(shí)，b0＝0.9(1.5d＋0.5)＝1.125m。
Wo—樁身?yè)Q算截面受拉邊緣的截面模量，圓形截面為；
式中：d—樁直徑，500mm；
d0—為扣除保護(hù)層厚度的樁直徑，420mm(混凝土保護(hù)層厚度40mm)；
—為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；
ρg—樁身配筋率。
對(duì)照材料力學(xué)關(guān)于圓形和方形的截面模量Ｗ0計(jì)算公式可知，式(3)是對(duì)應(yīng)于實(shí)心圓形樁，并且把樁身鋼筋等效地計(jì)入Wo。由于規(guī)范條文沒(méi)有特別說(shuō)明，也沒(méi)有另外提供空心樁的計(jì)算公式，有設(shè)計(jì)人員直接套用式(3)計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的Wo，造成偏差。因此，計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土管樁時(shí)，要減去空心部分，即預(yù)應(yīng)力混凝土管樁為：
式中：d—為空心樁內(nèi)徑，250mm。
查規(guī)范，試樁PHC500AB型樁壁厚為125mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，配筋為結(jié)構(gòu)鋼筋1210.7，預(yù)應(yīng)力鋼筋最小配筋面積1080mm2，混凝土彈性模量Ec＝3.80×104N／mm2，預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量Es＝2.0×105N／mm2，可得＝Es／Ec＝5.26，ρg＝0.734％，從而可計(jì)算Wo＝0.0119m3，Ｉ0＝2.5×10－3m4，EI＝0.85EcI0＝8.075×104kN·m2。
通過(guò)上述公式可得到各級(jí)荷載下m值隨荷載H和變形Y0的變化曲線(通過(guò)驗(yàn)算，h≥4.0，vyo＝2.441的假設(shè)成立)，如圖4、圖5所示。
從圖中可以看出，Y0－m曲線和H－m曲線都近似成雙曲線變化規(guī)律。在最初的小變形階段，m值對(duì)上部土質(zhì)的變化十分敏感，m隨變形的增大迅速降低；之后隨著土體進(jìn)入彈塑性階段，m值則隨變形的增大降幅趨緩。m值由單樁臨界荷載及相應(yīng)水平位移來(lái)計(jì)算，由臨界荷載及對(duì)應(yīng)的位移可以求出SP－2樁的m值為49.98MN／m4。
圖4SP－2水平載荷試驗(yàn)H－m曲線
圖5SP－2水平載荷試驗(yàn)Y0－m曲線
4結(jié)語(yǔ)
本文研究了水平荷載作用下預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁單樁的工作性狀，為水平受荷樁的設(shè)計(jì)與理論研究提供參考依據(jù)，但沒(méi)有考慮預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁群樁、不同樁徑時(shí)，在水平荷載作用下的工作性狀，對(duì)于這一方面有待進(jìn)一步的研究。
參考文獻(xiàn)
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