PHC管桩(高强预应力混凝土管桩)在高层建筑基础设计被大量采用,除满足竖向抗压承载力的同时也要满足水平承载力的要求。本文以水平载荷试验为确定水平承载力的基本方法,依据水平力—时间—位移(H—t—Y0)及水平力—位移梯度(H—ΔY0/ΔH)曲线,综合确定水平临界荷载Hσ、水平极限荷载Hu,并对地基土水平抗力系数的比例系数m的合理推算进行了初步分析。
1工程概况
该工程为山东石化丙烯酸项目,构筑物均拟采用PHC管桩基础,试验场地土层情况自上而下为:1、耕土:黄~黄褐色,稍湿,松散,层厚0.30~060m;2、粉质粘土:黄~黄褐色,软塑~可塑,层厚0.30~3.20m;3、粉土:黄~黄褐色,松散~稍密,层厚1.10~8.10m;4、粉质粘土:黄褐~灰褐色,可塑~软塑,层厚0.40~8.60m;5、粉土:黄褐~灰褐色,稍密~密实,层厚1.00~12.90m;6、细砂:灰褐色,中密~密实,该层最大厚度29.70m;7、粉质粘土:褐灰色,可塑~硬塑,该层最大揭露厚度16.0m。
试桩规格为PHC400AB95-15a,桩保护层厚度40mm,桩端全截面进入持力层不小于2d,桩基采用静力压桩法施工,试桩桩顶标高±0.000m。
2试验方法
试验采用一台100t油压千斤顶加载,荷载由JCQ-503型全自动载荷测试分析系统自动控制,水平位移观测采用2只量程50mm,精度0.01mm的电子数显位移传感器。试验装置如图1所示。
图1单桩水平静载荷试验示意图
采用单向多循环加卸载法,按《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)的规定进行加卸载及位移观测:依据设计单位的计算荷载,取5kN为每级荷载的加荷增量。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2min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,且试验不得中间停顿。当桩身折断或水平位移超过30~40mm(软土取40mm)时,可终止加载,结束试验。
3试验数据的整理与分析
3.1临界荷载Hcr及极限荷载Hu的分析与判定
①、绘制水平力-时间-作用点位移(H—t—Y0)、水平力-位移梯度(H—ΔY0/ΔH)曲线;
②、取H—t—Y0曲线出现拐点的前一级水平荷载值,或H—ΔY0/ΔH曲线第一拐点对应的水平荷载值为临界荷载Hcr。
③、取H—t—Y0曲线产生明显陡降的前一级水平荷载值,或H—ΔY0/ΔH曲线第二拐点对应的水平荷载值为极限荷载Hu。
按试验数据绘制出H—t—Y0曲线和H—ΔY0/ΔH曲线(见图2),依据上述规定,通过
图28#、9#、10#桩水平静载试验H—t—Y0曲线和H—ΔY0/ΔH曲线
图2可确定8#、9#、10#试桩的临界荷载Hcr及极限荷载Hu,如表1所示。
表1临界荷载和极限荷载成果表
3.2m值的推算
本试验桩顶自由且水平力作用位置位于地面,故按《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)的规定,m值可按下列公式推算:
………………..(1)………………………(2)
为桩的水平变形系数(m-1);νy为桩顶水平位移系数,由公式(2)试算,当h≥4.0时(h为桩的入土深度),νy=2.441;H为作用于地面的水平力(kN);Y0为水平力作用点的水平位移(m);b0为桩身计算宽度(m),对于圆形桩且桩径d≤1m时,b0=0.9(1.5d+0.5)=0.99m;EI为桩身抗弯刚度(kN·m2),对于钢筋砼桩,EI=0.85EcI0,圆形截面I0=W0d0/2。
其中………………………(3)
d—桩直径,0.40m;d0—扣除保护层厚度的桩直径,0.32m;dl—空心桩内径,0.19m;—钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值,预应力钢筋弹性模量Es=2.0×105N/mm2,混凝土弹性模量Ec=3.8×104N/mm2,=Es/Ec=5.26;—桩身配筋率,=0.703%(查规范)。
故计算得W0=0.0059m3,I0=9.5×10-4m4,EI=0.85EcI0=3.068×10-4kN·m2。通过公式(1)可得到各级荷载下m值随荷载H及水平位移Y0的变化曲线,验算h≥4.0的假设成立,故νy=2.441,如图3、4所示。
图3Y0—m曲线图4H—m曲线
由图分析知:Y0—m曲线和H—m曲线都近似双曲线变化规律。在最初的小位移阶段,m值对上部土层的变化非常敏感,m值随水平位移的增大迅速变小;而随着土体变型进入弹塑变形阶段,m值随水平位移的增大而变小的趋势放缓。
由试验数据显示:如m值取低值,对应水平荷载H为高值,同时对应桩顶水平位移为高值,设计时,按桩的水平承载力控制则偏于不安全;若按桩的水平位移控制则又偏于安全。故存在m值如何合理取值的问题。《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)中规定,m值按以下考虑确定:
①、可按设计给出的实际荷载或桩顶位移确定m值;
②、设计未作具体规定的,可取水平承载力特征值对应的m值。
故可确定8#、9#、10#试桩的m值分别为30、29、25MN/m4。
4结语
4.1试验表明PHC桩应按《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)5.7.2-2“对钢筋混凝土预制桩、钢桩和当桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩,取设计桩顶标高处水平位移为10mm(对水平位移敏感的建筑物取6mm)所对应荷载的0.75倍为单桩水平承载力特征值Ha”去取值。
4.2水平荷载作用下的破坏模式一般为弯曲破坏,极限承载力由桩身强度控制。所以单桩水平承载力特征值Ha,不采用水平极限承载力除以某一固定安全系数的做法,而是把桩身强度、开裂或允许位移等条件作为控制因素。因此通过水平静载试验给出的极限承载力和极限弯矩对强度控制设计非常必要。
4.3PHC桩采用高标号(C80)的混凝土,可获得较高的抗拉和抗压强度及较高的弹性模量,同时空心薄壁比相同尺寸的实心圆桩有更高的截面惯性矩;并且PHC桩采用较高的配筋率和较小直径的预应力钢筋,可较好地控制桩身的开裂,进而有效提高基桩的水平承载力。
4.4在桩基础施工中,机械挖土时挖斗不要碰撞桩身,基坑开挖时注意弃土的正确堆放,注意保持边坡的稳定。
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