水泥土复合管桩水平承载特性的现场试验研究

水泥土复合管桩水平承载特性的现场试验研究

杨涛

中铁四局集团有限公司南京分公司

摘要：本文采用单向多循环加载法对某工程中的四根水泥土复合管桩进行了基桩水平静载现场试验，旨在测试其单桩水平承载力。试验获得了桩顶的水平力-时间-水平位移曲线、桩顶水平力-位移梯度曲线和桩顶水平力-转角曲线，并提出了水泥土复合管桩的水平荷载临界值和极限值。结果表明，在水平荷载作用下，桩顶水平力-位移梯度曲线能够便捷地确定桩体的水平荷载临界值和极限值。试验结果表明，四根试桩的水平荷载临界值均为42kN，水平荷载极限值为56~70kN。

关键词：水泥土复合管桩；水平承载；现场试验

1、引言

水泥土复合管桩是一种新型的桩型，它将预制高强混凝土管桩和水泥土桩同芯结合在一起，兼具混凝土桩和水泥土桩的优点，如图1所示。水泥土搅拌桩具有施工扰动小、施工速度快和成本低等优势，因此在工程中被广泛应用。但是，水泥土搅拌桩存在桩身强度低和施工质量难以控制等局限性。另一方面，预制高强混凝土管桩具有高强度和刚度的优点，但成本较高。当复合地基达到承载力极限时，通常会先发生桩周土体破坏，而桩身强度往往没有得到充分发挥[1,2]。将水泥土搅拌桩（外芯）和预制高强混凝土管桩（内芯）结合形成的水泥土复合管桩不仅可以发挥预制高强混凝土管桩的高承载力优点，还可以显著降低工程成本[3]。该桩型已经在上海、江苏、天津、浙江、山东、河北等地广泛应用，而且在国外也有类似的应用和研究[4]。水泥土复合管桩是一种高效、经济的基础工程建设方案，未来在国内外的基础工程中将会有更广泛的应用。

图1 水泥土复合管桩示意图

近年来，许多学者对水泥土复合管桩的承载性能进行了研究，但主要成果都集中在竖向承载力方面[5-8]。水泥土复合管桩通过利用成本较低、直径较大的水泥土桩加固预制混凝土管桩的桩周土体，形成了双层传递模式，即荷载由混凝土芯桩传递到桩周水泥土再传递到桩周土体，从而大大提高了预制混凝土管桩的竖向承载性能。此外，水泥土复合管桩还能提高传统预制混凝土管桩的水平承载力。王安辉等[9-11]运用有限元模拟分析软件比较分析了水泥土复合管桩和预制混凝土管桩的水平受力特征和破坏性状，研究结果表明，在相同水平荷载下，预制混凝土管桩的桩身弯矩和位移量均明显低于相同地质条件下的水泥土复合管桩。

本文以新建杭州经绍兴至台州铁路工程为基础，开展了水泥土复合管桩单桩水平承载力现场试验。通过试验得到了桩顶的水平荷载-时间-水平位移曲线以及相应的单桩水平临界荷载值和单桩水平承载力特征值。研究结果表明，水泥土复合管桩单桩水平承载力具有指导意义。

2、工程地质条件

试验桩工程位于台州市，经场地勘察，该区域主要覆盖第四纪沉积物，这里的地层主要由粉质黏土、粉土和粉砂组成，具体特性如下：（1）1-1层为粉质黏土（Q4），呈灰黄色，局部含有碎石，处于可塑状态，有些地方处于软塑状态，成分和性质不均匀；（2）1-2层为淤泥质粉质黏土（Q4），呈灰色，处于流塑状态，孔隙比较高，具有高压缩性，有些地方含有腐殖质，具有腥臭味；（3）1-2a层为粉质黏土（Q4），呈灰色，处于软塑到可塑状态，具有中等偏高的压缩性，夹在1-2层之间，局部地段分布；（4）1-2c层为粉土（Q4），呈灰色或灰黄色，处于很湿的状态，稍密，具有中等的压缩性，局部为粉砂，夹在1-2层之间，局部地段分布；（5）2-1层为（粉质）黏土（Q4），呈灰色或黄灰色，含有铁锰结核，处于可塑到硬塑状，中等到中等偏低的压缩性；（6）2-1a层为粉质黏土（Q4），呈灰黄色，混夹粉砂，处于可塑到软塑状，具有中等到中等偏高的压缩性；（7）2-2层为粉质黏土夹粉砂层（Q4），呈灰黄色，混夹粉砂，处于可塑到软塑状，具有中等到中等偏高的压缩性；（8）3-1层为（粉质）黏土（Q3），呈灰黄到黄灰色，含有铁锰结核，处于可塑到硬塑状，中等到中等偏低的压缩性；（9）4-1层为残积土（Q3），呈灰黄色，中密到密实状态，主要为粉质黏土夹砾石，砾石成分为石英质，砾石大小不等，一般直径2～10cm，含量约30～60%左右。

3基桩试验方案

在该工程中，采用先张法预应力高强混凝土管桩PTC-300-55，设计桩长8.0m，持力层为4-1层残积土。选取4根桩进行试验，确定单桩水平承载力特征值。

3.1水平静载试验原理

本次试验采用水平静载试验方法，以接近实际工作条件的方式测定试桩的水平承载力。试验采用对推法，即将一根试桩作为主动桩，另一根试桩作为被动桩，使用油压式千斤顶施加水平荷载，并根据已确定的值来换算荷载大小。同时，使用大量程百分表来测量水平位移。这种试验方法可以更准确地测定试桩的水平承载力，以便更好地评估其在实际工作条件下的性能。

3.2水平静载荷试验测试仪器

本次水平静载试验中使用的加载设备为型号为HC-50的一体式穿心千斤顶，包括有手动泵、穿心式千斤顶、数显压力表等几部分组成，最大作用力为

500kN，试验加载方式为对推的形式，该水平静载试验共用到4只量程为50mm的百分表，具体布设位置如图2所示。

（a）俯视图

（b）剖面图

图2 水平静载试验各部分位置示意图

3.3水平静载试验方法

加载设备：采用千斤顶施加水平力，水平力的作用线通过地面标高处。在千斤顶与试桩接触处，应安装一个球形铰座，以确保千斤顶的作用力能够水平地通过试桩轴线。

观测设备：基准梁采用两根槽钢平行安装在试桩两侧。在水平力反向的位置各安装两只大量程百分表，且与水平力轴线一致，用于测量水平位移值。

3.4 试验加载方案

本次水平静载试验采用单向多循环加载法进行，并按照《建筑基桩检测技术规范》JGJ106单桩水平静载试验的行业标准进行。根据设计要求，每级荷载的加载增量取单桩水平承载力特征值的1/10倍，直至达到2倍，之后恒载4min并记录水平位移值，然后卸载至零，停2min并记录残余水平位移值。如此进行5次加卸载循环即完成一级荷载的试验观测。在水平静载试验过程中，若出现以下三种情况之一，则终止加载过程：（1）水平位移超过30mm~40mm；（2）桩身折断；（3）达到设计要求的最大加载值并保持稳定。

4、试验结果及分析

4.1 桩顶水平力-时间-水平位移曲线

根据现场试验数据绘制出各桩桩顶水平力-时间-水平位移（H-t-Y0）曲线如图3所示，图中“↑ ↓”表示加、卸载。

（a）R045-32                    （b）R045-26

（c）R045-30                     （b）R045-29

图3 各试桩的H-t-Y0曲线

根据图3所示，各试验桩的H-t-Y0曲线均由缓慢增长段、弯曲段和陡降段组成。在达到水平临界荷载（Hcr）之前，四根试验桩的受力呈明显的线性关系，循环加、卸载的残余变形量小，大部分变形可恢复。同级荷载内，桩的水平位移随加、卸载次数增加而增大的幅度很小。然而，当桩顶受力大于水平临界荷载后，在相同的荷载增量下，桩的水平位移增量明显大于前一级，并且在同级荷载内，桩的水平位移随加、卸载次数增加而增大的幅度逐渐变大。在最大试验荷载作用下，复合桩桩头产生的水平位移分别为47.1mm、46.9mm、46.0mm和27.1mm。当采用位移控制时，水泥土复合管桩的水平承载力特征值取加载处桩水平位移6mm所对应荷载的0.75倍，即为42 kN。

4.2 桩顶水平力-位移梯度曲线

为了明确试验桩的水平承载能力临界值和极限值，根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106）的规定，我们绘制了试验桩的水平力-位移梯度（H-t-Y0）曲线，具体结果如图4所示。依据规范的原则，我们在桩顶水平荷载-位移梯度关系图中，取第一条直线段的终点所对应的荷载值为单桩水平承载能力的临界值，而第二条直线段的终点所对应的荷载值则为单桩水平极限承载能力。因此，4根试验桩的水平承载能力临界值均为42 kN，而水平极限承载能力则在56至70 kN之间。

（a）R045-32                    （b）R045-26

（c）R045-30                     （b）R045-29

图4 各试桩的水平力-位移梯度曲线

4.3桩顶水平力-转角曲线

各试验桩的桩顶水平力-转角曲线如图5所示。从图中可以看出，各试验桩的曲线形态均由缓慢增长段、弯曲段和陡降段组成。在水平力未达到水平临界荷载之前，四根试验桩的桩顶转角均缓慢增长；当水平力超过水平临界荷载后，桩顶转角迅速增加；当水平力超过极限荷载后，转角发生突变。

（a）R045-32                      （b）R045-26

（c）R045-30                      （b）R045-29

图5 各试桩荷载-转角曲线

表1汇总给出了各试桩水平静载荷试验结果。

表1 各试桩水平静载试验结果

5、结论

（1）共进行了4根试桩的试验，结果表明这4根试验桩的水平荷载临界值均为42 kN，水平荷载极限值在56~70 kN之间。

（2）在试验过程中，各试桩的水平力小于水平荷载临界值时，桩顶水平力-时间-水平位移H-t-Y0曲线呈现较为明显的线性关系，变形量较小且大部分变形可恢复。当桩顶受力值超过水平临界荷载后，桩顶水平位移增量显著增加，随加、卸载次数的增加其幅度逐渐增大，直至桩体破坏。

（3）桩顶水平力-位移梯度曲线可用于确定桩体的水平荷载临界值和极限值。通过绘制水平力-位移梯度曲线，可以很容易地确定桩体的水平荷载临界值和极限值，为设计和施工提供了可靠的依据。

综上所述，本次现场水平载荷试验结果表明水平荷载临界值均为42 kN，水平荷载极限值在56~70 kN之间。试验还揭示了桩体在不同受力阶段的变形特征，以及如何通过桩顶水平力-位移梯度曲线来确定桩体的水平荷载临界值和极限值。

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