随着我国城市化进程的不断加快，大量的新建楼房从多层向小高层、高层发展，而且层数越来越高，而预应力高强度混凝土管桩则是这些工程建筑中的桩基材料。这种管桩适用范围广，混凝土强度高，具有较高的单桩竖向抗压承载力，逐渐受到业内的关注。但由于预应力高强度混凝土管桩的应用时间不长，人们对预应力高强度混凝土管桩在水平荷载作用下的研究性状甚少，使得预应力高强度混凝土管桩的承载能力特别是水平承载力未能得到充分利用，造成资源的浪费。目前，静载荷试验是检验工程桩承载力最直观、最可靠的方法。下面，就结合实例，介绍预应力高强度混凝土管桩静载试验。

 

　　1工程概况

 

　　某建筑工程，包括1栋22层和1栋20层的高层住宅建筑、3栋多层建筑及地下车库等，地上建筑均为框架剪力墙结构，建筑地理位置及建筑具体尺寸详见建筑物及勘探点平面位置图，总建筑面积约59193m2，拟采用预应力高强度混凝土管桩桩基础。

 

　　2试验方法

 

　　2.1试验设备

 

　　试验采用1台1000kN千斤顶加载，用BZ型超高压油泵供油。荷载大小由安装在油泵油路上的压力传感器通过“RS—JYC”型桩基静载荷测试分析系统自动控制。水平位移观测采用2支量程为50mm，精度为0.01mm的位移传感器，通过“RS—JYC”系统对施加水平力的加荷点平面处的水平位移自动测量。

 

　　2.2荷载施加

 

　　试桩为PHC500AB型桩，桩径500mm，桩长9m。考虑到桩的实际工作状态，在桩顶施加600kN的坚向荷载(SP—1、SP—2号桩施加，SP—3号桩未施加)，在桩顶与施加竖向荷载的千斤顶之间设置一滚轴装置，使桩在水平荷载作用下桩顶可以自由水平移动。施加水平力时，用3根桩提供反力(详见图1)，水平力加荷点位于第②层细砂粉质黏土层中，距开挖后的地面1.92m。

 

　　试验采用单向多循环加载法进行试验，并应符合下列规定：单向多循环加载法的分级荷载应小于预估水平极限承载力或最大试验荷载的1/10。每级荷载施加后，恒载4min后可测读水平位移，然后卸载至零，停2mn测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环。如此循环5次，完成一级荷载的位移观测。试验不得中间停顿。

 

　　图1水平载荷试验平面示意图

 

　　试验按预估极限承载力分10级加载。当出现下列情况之一时，可终止加载：

 

　　(1)桩身折断；

 

　　(2)水平位移超过30～40mm；

 

　　(3)水平位移达到设计要求的水平位移允许值。

 

　　3试验成果与分析

 

　　水平载荷试验主要依据水平力一时间一位移(H-t-Y0)及水平力一位移梯度(H—△Y0/△H)曲线来综合确定水平临界荷载Hσ、水平极限荷载Hu及地基水平抗力系数的比例系数m值，从而达到对桩水平受力的工作性状分析与研究，实现对工程桩水平承载力的检验和评价。

 

　　3.1水平承载力的分析与确定

 

　　试桩SP-1、SP-2、SP-3的H-t-Y0、H—△Y0/△H曲线如图2、图3所示。

 

　　图2SP-1水平载荷试验H-t-Y0曲线

 

　　图3SP-1水平载荷试验H—△Y0/△H曲线

 

　　(1)SP－1号桩加载至240kN时，水平位移10.62mm；H—△Y0/△H曲线出现第一个拐点，即Hcr＝240kN，当加载至450kN时，测得最大水平位移58.97mm，当加载至550kN时，因桩被推断而停止试验，则Hu＝450kN。

 

　　(2)SP－2号桩未施加竖向荷载，当加载至160kN时，水平位移6.01mm；H—△Y0/△H曲线出现第一个拐点，即Hcr＝160kN，当加载至360kN时，测得最大水平位移52.38mm，当加荷至400kN时，因桩被推断而停止试验，则Hu＝400kN。

 

　　(3)SP－3号桩加载至250kN时，水平位移8.75mm；H—△Y0/△H曲线出现第一个拐点，即Hcr＝250kN，当加载至450kN时，测得最大水平位移48.21mm，当加荷至500kN时，因桩被推断而停止试验，则Hu＝450kN。

 

　　依据规范，结合图2～图3，可以得出单桩的水平承载力特征值Rh，如表1所示。

 

　　表1单桩的水平承载力特征值Rh

 

　　3.2m值的计算

 

　　当桩顶自由且水平力作用位置位于地面处时，值可按下列公式确定：

 

　　式中：m—地基土水平抗力系数的比例系数(MN／m4)；

 

　　vy—桩顶水平位移系数，由式(2)试算，当h≥4.0时(H为桩的入土深度)，vy＝2.441；计算时，先假设试桩为弹性长桩，则vy＝2.441，最后验算h≥4.0的假设是否成立；

 

　　H—作用于地面的水平力(kN)；

 

　　Y0—水平力作用点的水平位移(m)；

 

　　EI—桩身抗弯刚度(kN·m2)；其中Ｅ为桩身材料弹性模量，I为桩身换算截面惯性矩，对于钢筋混凝土桩，EI＝0.85EcI0；其中I0为桩身换算截面惯性矩，圆形截面为I0＝W0d0/2；

 

　　bo—桩身计算宽度(m)，对于圆形桩：当桩径d≤1m时，b0＝0.9(1.5d＋0.5)＝1.125m。

 

　　Wo—桩身换算截面受拉边缘的截面模量，圆形截面为；

 

　　式中：d—桩直径，500mm；

 

　　d0—为扣除保护层厚度的桩直径，420mm(混凝土保护层厚度40mm)；

 

　　—为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；

 

　　ρg—桩身配筋率。

 

　　对照材料力学关于圆形和方形的截面模量Ｗ0计算公式可知，式(3)是对应于实心圆形桩，并且把桩身钢筋等效地计入Wo。由于规范条文没有特别说明，也没有另外提供空心桩的计算公式，有设计人员直接套用式(3)计算预应力混凝土管桩的Wo，造成偏差。因此，计算预应力混凝土管桩时，要减去空心部分，即预应力混凝土管桩为：

 

　　式中：d—为空心桩内径，250mm。

 

　　查规范，试桩PHC500AB型桩壁厚为125mm，混凝土强度等级为C80，配筋为结构钢筋1210.7，预应力钢筋最小配筋面积1080mm2，混凝土弹性模量Ec＝3.80×104N／mm2，预应力钢筋弹性模量Es＝2.0×105N／mm2，可得＝Es／Ec＝5.26，ρg＝0.734％，从而可计算Wo＝0.0119m3，Ｉ0＝2.5×10－3m4，EI＝0.85EcI0＝8.075×104kN·m2。

 

　　通过上述公式可得到各级荷载下m值随荷载H和变形Y0的变化曲线(通过验算，h≥4.0，vyo＝2.441的假设成立)，如图4、图5所示。

 

　　从图中可以看出，Y0－m曲线和H－m曲线都近似成双曲线变化规律。在最初的小变形阶段，m值对上部土质的变化十分敏感，m随变形的增大迅速降低；之后随着土体进入弹塑性阶段，m值则随变形的增大降幅趋缓。m值由单桩临界荷载及相应水平位移来计算，由临界荷载及对应的位移可以求出SP－2桩的m值为49.98MN／m4。

 

　　图4SP－2水平载荷试验H－m曲线

 

　　图5SP－2水平载荷试验Y0－m曲线

 

　　4结语

 

　　本文研究了水平荷载作用下预应力高强度混凝土管桩单桩的工作性状，为水平受荷桩的设计与理论研究提供参考依据，但没有考虑预应力高强度混凝土管桩群桩、不同桩径时，在水平荷载作用下的工作性状，对于这一方面有待进一步的研究。

 

　　参考文献

 

　　[1]徐良环；宁立波；陈宝.预应力混凝土管桩复合地基静载试验研究[J].西部探矿工程，2005年第10期

 

　　[2]任文峰；王星华；陈剑华.软土地区PHC管桩承载力试验研究[J].水利与建筑工程学报，2012年01期