2016院报5期-合版-（五校）

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冰汪
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1 第 14 卷第 5 期中国水利水电科学研究院学报 Vol.14 No 年 10 月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research October,2016 文章编号 : (2016) 水利工程中大直径 PHC 管桩承载力试验研究 ( 安徽省水利水电勘测设计院工程质量检测所, 安徽合肥 ) 摘要 : 结合某一水利工程大直径 PHC 管桩的地基处理应用, 开展了单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验, 并通过在管桩预制阶段安装钢筋应力计, 研究分析了静载试验中桩身的荷载传递规律研究表明 : 本工程中混凝土强度 C80 外径 800 mm 内径 580 mm 的 PHC 管桩的单桩竖向抗压承载力极限值不小于 kn, 桩顶荷载几乎全部由桩周侧摩阻力承担, 桩端阻力发挥较小, 属于典型的摩擦型桩桩身轴力桩侧摩阻力和桩端阻力均随着竖向荷载的施加而逐渐增大, 并沿深度呈衰减分布水平荷载下的桩身弯矩呈弓形分布, 最大弯矩发生在距桩顶约 0.2~0.3 倍桩长截面处, 单桩水平临界荷载值在 150 kn 左右关键词 : PHC 管桩 ; 静载试验 ; 承载力 ; 轴力 ; 弯矩中图分类号 :TU47 文献标识码 :A doi: /j.cnki.jiwhr 研究背景预应力高强度混凝土管桩 (PHC 管桩 ) 因其具有承载力高质量稳定施工速度快成本低等特 [1-4] 点, 而被广泛应用于水利建筑公路和铁路等工程建设中管桩设计的关键在于确定其竖向单桩承载力和水平单桩承载力等参数由于不同地区土质条件设计要求和施工条件等存在较大的差异 [5-7] 性, 目前针对预应力管桩承载力计算的经验公式不多, 不同的规范又有着不同的标准 [8-13] [10] 国内学者对于 PHC 管桩的承载力研究已取得了一定的成果蔡健等通过开展轴向静载试验和桩身轴力的测试, 探讨了超长 PHC 管桩的竖向承载特性和荷载传递机理, 表明在深厚软土地基中 [11] 的超长 PHC 管桩表现出端承摩擦桩的承载性状 ; 邢皓枫等利用桩身预先埋设的光纤传感器, 并借助静载荷试验高应变和静力触探等现场测试手段, 研究了 PHC 管桩在不同荷载作用下桩身沿深度 [12] 的受力分布特征 ; 张军通过对预应力管桩的静载试验结果和经验公式计算结果比较发现, 如果按照规范的公式来计算承载力, 计算值比静载荷试验值小得多, 造成浪费, 从而增加项目的成本 ; 邱 [13] 志雄等通过对软土路基上 PHC 管桩进行压桩复压和原位载荷试验, 认为依据静力触探指标和规范方法计算的承载力偏于安全, 以复压压桩力评估承载力随时间的增长偏于危险可见, 目前用于确定 PHC 管桩承载特性的相对准确方法依然是通过一系列的现场静载试验, 比如单桩竖向抗压静载试验单桩水平静载试验基桩高应变承载力检测和基桩锤击贯入度观测等但是, 现有现场静载试验主要还是用于确定单桩极限承载力等主要设计参数, 受应力传感器在水利工程中 PHC 管桩预制和打设阶段成活率较低的影响, 有关静载试验中桩身内部应力分布特性的研究并不多见本文结合某一针对 PHC 管桩工程的现场检测试验, 开展单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验, 并通过在管桩预制阶段安装钢筋应力计, 研究分析静载试验中桩身轴力桩端阻力桩侧阻力和桩身弯矩等的分布规律, 为今后的管桩优化设计和施工提供参考 2 试验布置裕溪闸枢纽工程位于安徽省无为县与和县交界处巢湖流域裕溪河入长江口 4 km 处, 上承无为大收稿日期 : 作者简介 : (1976-), 男, 安徽砀山人, 高级工程师, 主要从事桩基设计与检测研究 @qq.com 340

2 堤无为段, 下接无为大堤裕黄段, 是无为大堤上的大型水利工程, 由裕溪节制闸和裕溪船闸组成裕溪节制闸西侧为老裕溪船闸, 东侧为新建裕溪船闸, 与巢湖闸组成巢湖裕溪河梯级水利枢纽该节制闸始建于 1959 年, 共 24 孔, 其中西部浅孔 16 孔, 东部深孔 8 孔根据安全鉴定, 需要对裕溪闸闸室结构进行拆除重建, 新建闸室基础拟采用混凝土强度 C80 外径 800 mm 内径 580 mm 的 PHC 管桩, 设计单桩竖向抗压承载力特征值为 kn, 单桩水平承载力特征值待定本工程闸室下游左岸的地基土从上到下主要由 3.2 m 人工填土层 12.6 m 淤泥质粉质黏土夹粉砂层 6.4 m 粉砂夹淤泥质粉质黏土层和 7.8 m 粉砂层组成, 右岸地基土从上到下主要由 3.8 m 人工填土层和 36.4 m 深厚淤泥质粉质黏土层组成为保证安全, 需在工程桩施工前进行现场静载试验分析其承载性能图 1 为现场静载试验中试验桩的平面布置图其中, 右岸管桩 B 1 B 2 B 3 B 右增的桩长分别为 m, 对其严格按照建筑基桩检测技术规范 JGJ [14] 中的相关规定, 采用慢速维持荷载法进行单桩竖向抗压承载力试验, 首级加载 480 kn, 以后每级各加载 240 kn, 直至加载至 kn 左岸管桩 C 1 C 4 C 7 的桩长为 24 m,c 5 C 6 的桩长为 27 m, 采用单向多循环加载法进行单桩水平承载力试验, 首级加载 10 kn, 以后各级加载 10 kn,c 5 桩的最大加载为 200 kn,c 6 桩的最大加载为 130 kn,c 7 桩的最大加载为 220 kn 同时, 通过在预制阶段对各桩桩身不同截面内安装钢筋测力计, 来分析现场竖向或水平静载试验中桩身内力的分布特性图 1 试验 PHC 管桩的桩位布置 ( 单位 :mm) 图 2 竖向荷载 - 沉降曲线桩身轴力 N/kN 图 3 竖向荷载对数 - 沉降曲线图 4 管桩 B3 的桩身轴力分布曲线 341

3 3 单桩竖向抗压承载力试验结果 3.1 单桩竖向抗压承载力图 2 和图 3 分别表示在加荷和卸荷过程中各单桩的竖向荷载 - 沉降曲线和沉降 - 荷载对数曲线由图 2 可见, 在加荷过程中, 竖向荷载 - 沉降曲线呈缓变型增长当荷载最大加至 kn 时, 管桩 B 2 B 3 B 右增和 C 1 的最大沉降量分别为和 8.27 mm 在卸荷过程中, 各管桩均出现明显的回弹现象, 回弹率分别达到 48.2 % 67.0 % 17.7 % 和 75.2 % 由图 3 可见, 各管桩的沉降 - 荷载对数曲线基本一致, 各级荷载对应的沉降曲线均较平坦, 未见明显下弯可知, 各试验管桩的竖向抗压极限承载力均不小于本次试验的最大加载量 kn 3.2 桩身轴力分析图 4 为管桩 B 3 在加荷过程中管桩桩身的轴力分布曲线, 分别在桩深和 34 m 截面处安装有钢筋测力计由图 4 可见, 不同荷载作用下的桩身轴力分布规律基本一致, 桩身轴力沿深度方向迅速衰减, 到达桩端部位时桩身轴力接近于零, 管桩 B 3 属于典型的摩擦型桩, 桩顶荷载几乎全部由桩身侧摩阻力承担, 桩端阻力没有得到有效发挥随着桩顶荷载的不断增加, 桩身各截面处轴力也逐渐增大 3.3 桩周侧摩阻力及桩端阻力图 5 为管桩 B 2 的桩周侧摩阻力随竖向加载的变化曲线由图 5 可见, 不同深度范围内的桩周侧摩阻力随桩顶荷载的施加近似呈线性增长, 沿桩身深度增大而减小当达到最大一级荷载时, 管桩 B 2 上部土体的桩周摩阻力接近 40 kpa, 管桩 B 3 上部土体的桩周侧摩阻力接近 35 kpa 图 6 为管桩 B 2 的桩端阻力随竖向加载的变化曲线由图 6 可见, 管桩 B 2 端阻力随桩顶荷载的提高而不断增大, 管桩 B 3 端更接近持力层, 其端阻力要大于管桩 B 2 端阻力 ; 当达到最大一级荷载 kn 时, 管桩 B 2 端阻力为 90 kpa 左右, 而管桩 B 3 端阻力接近 140 kpa (a) 管桩 B2 (b) 管桩 B3 图 5 桩周侧摩阻力随竖向加载的变化曲线图 6 桩端阻力随竖向加载的变化曲线图 7 管桩 C5 的水平荷载 / 时间 - 水平位移曲线 342

4 4 单桩水平承载力试验结果 4.1 水平荷载 / 时间 - 水平位移图 7 为管桩 C 5 的桩顶水平位移与水平荷载 ( 或时间 ) 的关系曲线由图 7 可见, 桩顶水平位移随着水平荷载 ( 或时间 ) 的增加而不断增大, 水平荷载为 200 kn( 或时间为 2 h) 时, 桩顶处上位移计表和下位移计表的最大读数分别为和 mm 曲线的拐点并不是很明显, 并且未出现明显的陡降趋势, 因此仅从水平荷载 / 时间 - 水平位移曲线无法判断出桩身水平临界荷载值及水平极限承载力值 4.2 桩身弯矩基桩在水平力作用下仍可假设满足平截面假定, 单桩水平荷载作用下桩身任一截面的弯矩可由下式计算得到 : M = EI ε 2 - ε 1 d 式中 :M 为任一截面的弯矩 ;EI 为桩身抗弯刚度,kN m 2,E 为桩身材料弹性模量,I 为桩身换算截面惯性矩 ;ε 1 为受压区钢筋的压应变 ;ε 2 为受拉区钢筋的拉应变 ;d 为受拉区和受压区钢筋的中心距离根据实测应变传感器的读数可以得到钢筋应变, 从而得到管桩在各级荷载下钢筋和 PHC 桩身混凝土的最大拉应变和压应变以管桩 C 5 为例, 根据式 (1) 可以进一步得到各级荷载下桩身各截面的弯矩分布曲线, 如图 8 所示由图 8 可见, 在桩顶水平荷载作用下, 管桩桩身弯矩呈现弓形分布, 最大弯矩点位于距桩顶 5.5 m 深度 ( 约 0.2 倍桩长 ) 处对于管桩 C 6 和 C 7, 最大弯矩则分别位于距桩顶 0.2 倍和 0.27 倍桩长处可见, 在水平荷载作用下, 本工程中 PHC 管桩的最大弯矩点一般位于距桩顶 0.2~ 0.3 倍桩长的桩身截面处不同水平荷载作用下的桩身弯矩分布形式基本相似, 且各截面弯矩随荷载逐渐施加而不断增大, 最大弯矩可达 kn m 4.3 水平力 - 桩身截面钢筋拉应力图 9 为管桩 C 5 的桩身截面钢筋拉应力与水平荷载的关系曲线由图 9 可见, 随着水平荷载的不断施加, 各截面处的钢筋拉应力近似呈线性增长当水平荷载达到 150 kn 后, 各截面处的钢筋拉应力随着水平力继续施加的增大幅度显著提高可以认为, 该试验管桩的水平临界荷载值在 150 kn 左右, 此时基桩最大弯矩范围内桩体出现裂隙, 不利于桩体耐久性使用 (1) 图 8 管桩 C5 的桩身弯矩分布曲线图 9 管桩 C5 的水平荷载 - 桩身截面钢筋拉应力关系曲线 5 结论 (1) 在 PHC 管桩竖向抗压承载力试验中, 各试验桩的竖向荷载 - 沉降曲线均呈缓变型增长, 而沉降 - 荷载对数曲线基本一致, 其竖向抗压极限承载力均不小于本次试验的最大荷载 kn;(2) 桩身轴力桩侧摩阻力和桩端阻力均随着竖向荷载的施加而逐渐增大, 并沿深度呈衰减分布桩顶荷载几乎全部由桩周侧摩阻力承担, 桩端阻力发挥较小,PHC 管桩属于典型的摩擦型桩 ;(3) 在 PHC 管桩水平承载力试验中, 桩顶水平位移随着水平荷载的增加而不断增大, 水平荷载 - 时间 - 水平位移曲线未出现明显拐点桩身弯矩呈弓形分布, 最大弯矩发生在距桩顶 0.2~0.3 倍桩长深度处桩身截面钢筋拉应力与水平荷载呈现两阶段分布形式, 单桩水平临界荷载值在 150 kn 左右 343

5 参考文献 : [ 1 ] Lai Ying,Jin Guofang. Uplift behavior and load transfer mechanism of prestressed high-strength concrete piles [J]. Journal of Central South University of Technology,2010,17(1): [ 2 ] Mitsuyoshi Akiyama,Satoshi Abe,Nao Aoki,et al. Flexural test of precast high-strength reinforced concrete pile prestressed with unbonded bars arranged at the center of the cross-section[j]. Engineering Structures, 2011,34: [ 3 ] 李镜培, 刘毅, 周韵鸿. 海工环境中 PHC 管桩水平承载寿命预测 [J]. 土木工程学报,2013,46(12): [ 4 ] 沈勤, 崔旭旺. PHC 管桩静压法施工技术及问题处理 [J]. 施工技术,2015,13: [ 5 ] 中华人民共和国国家标准. 先张法预应力混凝土管桩 :GB [S]. 北京 : 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2009. [ 6 ] 广东省建筑设计研究院. 锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程 :DBJ/T [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2009. [ 7 ] 浙江省建筑设计研究院. 先张法预应力混凝土管桩 (2010 浙 G22)[S]. 杭州 : 浙江省标准设计站,2010. [ 8 ] 施峰. PHC 管桩荷载传递的试验研究 [J]. 岩土工程学报,2004,26(1): [ 9 ] 律文田, 王永和, 冷伍明. PHC 管桩荷载传递的试验研究和数值分析 [J]. 岩土力学,2006,27(3): [ 10 ] 蔡健, 周万清, 林奕禧, 等. 深厚软土超长预应力高强混凝土管桩轴向受力性状的试验研究 [J]. 土木工程学报,2006,39(10): [ 11 ] 邢皓枫, 赵红崴, 叶观宝, 等. PHC 管桩工程特性分析 [J]. 岩土工程学报,2009,31(1): [ 12 ] 张军. 预应力管桩单桩承载力研究 [D]. 石家庄 : 石家庄经济学院,2015. [ 13 ] 邱志雄, 陆晓岑, 李国维, 等. 公路软基静压 PHC 管桩承载特征原位试验研究 [J]. 公路交通科技,2015, 32(11): [ 14 ] 中华人民共和国行业标准. 建筑基桩检测技术规范 :JGJ [S]. 北京 : 中华人民共和国住房和城乡建设部,2014. An investigation into stress characteristics of PHC pipe piles in hydraulic structure ZI Hongli (The Engineering Quality Detection Department,Anhui Survey and Design Institute of Water-Conservancy & Hydropower,Hefei ,China) Abstract: A series of vertical static load tests and lateral load tests of PHC pipe pile were conducted in this study. Stress gauges were installed to measure and analyze the load transfer mechanism of pile. It was found that the limit vertical bearing capacity of a PHC pipe pile with C80 grade in concrete strength, 800mm in external diameter and 580 mm in internal diameter was larger than 2880kN. The working load was primarily transferred as shaft resistance instead of tip resistance,behaving as a typical floating pile. Axi al force,shaft resistance and tip resistance were increased with increasing vertical working load and de creased along pile shaft. An arched type profile of bending moment due to lateral working load was ob served and the maximum bending moment occurred at the depth of about 0.2~0.3 times pile length. The critical lateral bearing capacity was about 150kN in this study. Key words:phc pipe pile;static load test;bearing capacity;axial force;bending moment ( 责任编辑 : 王冰伟 ) 344

刘振华, 等 : 管桩单桩竖向极限承载力的沉降预估研究 91 淤泥质粉质黏土 (mq 3 4): 灰黑色, 可塑, 湿 - 饱和, 干强度与韧性中等, 具有明显臭味全场分布, 厚度较深, 达 20m 左右砂质黏土 (alq 3 ): 红褐色, 可塑主要由黏性土混和砂石等组成, 砂石含量占 10

刘振华, 等 : 管桩单桩竖向极限承载力的沉降预估研究 91 淤泥质粉质黏土 (mq 3 4): 灰黑色, 可塑, 湿 - 饱和, 干强度与韧性中等, 具有明显臭味全场分布, 厚度较深, 达 20m 左右砂质黏土 (alq 3 ): 红褐色, 可塑主要由黏性土混和砂石等组成, 砂石含量占 10 90 DOI:10 13379/j isn 1003 8825 2018 05 18 管桩单桩竖向极限承载力的沉降预估研究刘振华 1, 修占国 2, 袁义臣 1 1, 梁平 (1. 中建五局华东建设有限公司, 浙江平湖 312400;2. 东北大学资源与土木工程学院, 沈阳 110819) 摘要 : 为了更加精确地预估预应力管桩路基地基的沉降变形, 基于慢速维持荷载理论, 进行了路基预应力管桩的静载试验和试桩的