郭 骞，吴宪锴，杜海鑫

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 公路养护技术研发中心， 辽宁 沈阳 110111)

浑河大桥嵌岩桩水平加载试验研究

郭 骞，吴宪锴，杜海鑫

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 公路养护技术研发中心， 辽宁 沈阳 110111)

以浑河大桥工程为依托，对大桥的试验桩基进行原位水平加载试验，研究了在水平荷载作用下桩顶的荷载-位移曲线、桩身弯矩分布情况等，并通过有限元软件进行数值模拟验证。研究表明：弯矩沿桩身呈抛物线形分布，在距离桩顶4 m左右的位置达到最大值，深度超过8 m以后数值接近于零；受场地环境和嵌岩桩桩形影响，桩顶水平位移和转角均较小，满足容许水平位移的要求；数值模拟与试验结果的曲线变化形式上大体吻合，弯矩和位移的实测值要较模拟值稍低。所采用的试验方法和得到的试验结果将对类似工程试验提供经验和指导。

嵌岩桩；水平加载；原位试验；数值模拟

当采用天然浅基础不能满足基础设计的承载力和沉降要求时，往往采用桩基础将荷载传至深部土层或岩层。嵌岩桩即桩穿过土层，桩端埋设在一定厚度的岩层中以获得较大的承载力和较小位移的一种桩基基础。正是由于这两个突出特点才使它被广泛的应用在国内外桥梁、公路、港口及重要的工业、民用建筑中。目前，工程界对嵌岩桩竖向荷载下的受力变形机制研究比较深入且成果丰硕[1-6]，而对水平荷载下桩基的受力研究多集中于数值模拟和数学模型的研究[7-8]。现场试验是研究嵌岩桩承载机理最可靠的研究手段，能直接获得嵌岩桩承载特性的宏观表现[9-10]。本文通过在浑河大桥施工前开展大桥嵌岩桩试桩的现场水平加载试验和有限元模拟，研究水平荷载作用下嵌岩桩的受力机理和工作状态，验证设计嵌岩深度的合理性，为大桥的开工提供依据，也为今后类似的工程试验提供经验和指导。

1 工程概况及地质条件

浑河大桥位于辽宁中部环线高速公路铁岭至本溪段，左幅孔径为40 m+30 m+30 m+19×40 m，右幅孔径为40 m+40 m+30 m+19×40 m，上部结构为预制预应力混凝土先简支后结构连续T梁，下部结构为柱式墩、桩基础。桥梁全长867 m(左幅)、877 m(右幅)，桥梁全宽24.0 m，桥面净宽2×10.5 m。设计桩基的桩径有2 m以及2.2 m两种形式，桩长为11 m～16 m，且均按照嵌岩桩设计，嵌岩深度不小于3倍桩径。

桥位区地貌单元为山前冲击平原，地势平坦、开阔。地下水位埋深1.6 m～1.9 m，标准冻深1.20 m。通过对桥位区地质勘察可知，该桥地层主要为素填土、卵石、不同风化程度的变粒岩，地面以下2 m～6 m为中风化变粒岩，主河道内钻孔揭示中风化变粒岩持力层上覆盖卵石厚约2 m～3.5 m。试验选取6号墩的两根桩基，分别为S1桩、S2桩，设计桩长均为12 m，桩径2.2 m，采用桩接柱形式，对顶加载完成水平加载试验。

2 水平荷载试验

2.1 试验装置

试验装置包括加载装置、反力装置、基准装置3个部分[11-12]。利用卧式千斤顶实现水平加载，荷载大小可通过量表读数控制。根据现场试验条件，可采用相邻试验桩提供水平反力，即两根桩对顶来实现反力加载；由于两桩间距较远，且千斤顶长度有限，因此，需浇筑一定长度的系梁作为传力装置；预埋加载垫板以防止加载端系梁混凝土被压碎。采用量程为150 mm的位移计测量桩或柱外侧系梁的水平位移，其中与加载点同一水平面上平行安置3个位移计(间距0.5 m)，在加载点下方0.5 m处安置3个位移计(间距0.5 m)，可根据不同高度位移计的位移差与距离的比值求得基坑底面以上桩身转角。加载试验示意图如图1所示。

图1加载试验示意图

2.2 测点布设

本次试验在试验桩内主钢筋上安置了108个混凝土应变计和68个钢筋应变计，具体布设位置如图2～图4所示。由于桩身截面弯矩不能直接量测，因此可近似通过量测安置于桩内侧的混凝土和钢筋应变计读数，来推算桩身的截面弯矩。

图2 A-A截面立面测点布设图 图3 B-B截面立面测点布设图

图4测点截面选取示意图

2.3 加载工况

加载试验在桩系梁施工完成后进行，水平加载点在桩系梁中心，考虑河床冲刷，加载点到基岩顶面的距离h=1.8 m。根据计算结果，桩基在基岩顶面处弯矩标准组合5 357.8 kN·m。参考《建筑桩基技术规范》[13](JGJ 94—2008)估算桩基水平承载力3 000 kN。要达到试验效率100%，水平加载力已接近桩的水平承载力。因此，考虑满足桩的使用要求，取水平加载力1 200 kN，桩水平推力试验效率为40%。

2.4 循环加载方案

试验采用循环加载方案，水平荷载分级施加[11]。待每级荷载施加完毕后，恒载4 min，测读各传感器读数，然后卸载至零，停2 min，测读残余桩顶水平位移、桩身混凝土和钢筋应变等，至此完成1级加载试验与观测。如此进行多级荷载的试验与观测，完成1次水平加载试验测试。具体循环加载方式如图5所示，加载时间应尽量缩短，测量位移的时间间隔应严格准确，试验不得中途停顿。水平加载力P取1 200 kN，每级荷载增量为100 kN。

图5循环加载方案

2.5 试验结果分析

选取其中的S1桩进行受力分析，根据桩身混凝土应变计测得的桩身混凝土应变值，可推算出桩身弯矩值。试验结果中除去个别误差较大的数据，通过计算得到的分级加载下沿加载方向(A-A截面)和沿桥方向(B-B截面)的桩身弯矩分布情况如图6所示。图中随着水平荷载的增加，桩身弯矩随之增大，A-A截面桩身最大弯矩由292.6 kN·m增加到1 225.8 kN·m，B-B截面弯矩要相对小的多，最大弯矩由18.8 kN·m增加到264.5 kN·m。不同水平荷载下弯矩沿桩身变化曲线基本一致，整体为抛物线型。弯矩沿桩身向下先增大后减小，最大弯矩出现在桩顶向下4 m左右的位置，随荷载增大，最大弯矩距桩顶的位置不会发生明显改变，在抗水平桩的设计过程中，要在这个位置注意桩基的抗弯承载力的满足。当深度超过8 m以后，桩身弯矩值降低到接近于零，证明基岩对桩基的嵌固效果良好，该结果也与黄求顺[14]、许锡宾等[15]在实验基础上提出的3D(D为桩径)为最佳嵌岩深度的结论对应，3倍桩径为6.6 m，加上基岩上部2 m左右的素填土厚度，桩基入土深度8 m以下的深度可认为是安全储备深度。

图6不同水平荷载作用下桩身弯矩分布

桩顶位移随荷载变化曲线如图7所示，位移随荷载的增大而增大，当加载达到1 200 kN时，位移为1.441 mm。根据位移计上、下表测得的读数差，换算得到桩身转角为0.035°。桩顶水平位移和转角值均较小，满足桩的容许水平位移值。

图7不同水平荷载作用下桩顶位移曲线

桩顶位移小，是由现场场地环境和桩的形式共同决定的。现场地质中大块岩石含量较多，土体承压性能较好，使得桩顶位移变化不明显。另外，嵌岩桩桩底部嵌固效果好，也是使桩顶位移不明显的原因。

3 嵌岩桩有限元模拟

3.1 嵌岩桩与周边土体的总体性态

采用有限元软件建立嵌岩桩的数值模型，嵌岩桩考虑混凝土和钢筋建模，土层考虑实际的双层土体卵石和中风化变粒岩。嵌岩桩与土层通过接触单元模拟，周边土体采用全约束。如图8(a)所示，中间为嵌岩桩结构，周边为土层是桩直径的6倍，土层厚度是嵌岩桩深度的3倍，满足边界条件，不影响桩身和桩周土体的性能。分析最大试验荷载1 200 kN作用下，嵌岩桩和周边土体的总体性态，包括嵌岩桩整体变位、桩身混凝土应力、纵向钢筋应力和桩侧土体的土压力分布。

嵌岩桩受水平力作用总体呈现加载方向的弯曲变形，如图8(b)，水平位移最大为2.473 mm，出现在试验加载的桩身顶缘。受基岩嵌固效应，水平位移由上往下均匀减小，底缘位移在0.2 mm级别。

水平力作用下，嵌岩桩第一和第三主应力的分布均分别在试验荷载下的背侧和腹侧，如图8(c)、图8(d)。第一主应力最大值2.09 MPa，拉应力出现在背侧往下2/5位置，区域较小，该区域应力扩散明显。第三主应力最大值为2.05 MPa，压应力出现在腹侧往下2/5位置，区域也较小。桩身拉、压应力低于混凝土的极限强度，表明结构安全性能良好。

桩基纵向受力钢筋的MISES应力分布如图8(e)所示，钢筋背侧和腹侧的应力水平基本相同，MISES应力为11.8 MPa左右，应力很小，受力较安全。

嵌岩桩加载方向桩侧土压力较为显著，如图8(f),最大侧向土压力25.33 kPa，出现在加载方向的桩身背侧顶面区域，为主动土压力；最小侧向土压力为90.58 kPa，出现在加载方向的桩身腹侧顶面区域，为被动土压力。

图8有限元模拟嵌岩桩水平受力性态

3.2 数值模拟与现场试验结果对比

图9为嵌岩桩在水平荷载作用下沿加载方向桩身弯矩的有限元模拟结果与试验实测结果的比较，二者的弯矩沿桩身的变化趋势相似，均为先增大后减小的抛物线形，并且最大弯矩值均出现在距离桩顶4 m附近的位置。模拟得到的最大弯矩值为1 928.03 kN·m，试验实测最大弯矩值为1 225.8 kN·m，模拟值约为实测值的1.6倍，这是因为现场试验的场地环境和试验条件复杂，试验影响因素多，例如千斤顶加载时与垫板的摩擦力、地质中大块岩石的阻力等都会对试验结果产生影响，使得试验实测值更低。

另外，由前所述，模拟得到的最大水平位移出现在桩顶为2.473 mm，实测桩顶最大水平位移为1.441 mm，数值上位移模拟值约为实测值的1.7倍，与弯矩得到的对比结果相近。数值模拟与实测的弯矩沿桩身变化曲线趋势吻合，最大弯矩出现的位置一致，二者的弯矩和位移在数值上也有一定的规律可循，说明有限元模拟能够较准确地反映嵌岩桩在水平荷载作用下的工作性状和受力机理。

图9桩身弯矩的试验与模拟结果对比曲线(1 200 kN)

4 结 论

在浑河大桥工程开工之前先进行试桩工程的水平加载试验和数值模拟，研究了桥梁嵌岩桩在水平荷载作用下的受力变形机理和工作状态，验证了浑河大桥设计嵌岩深度的合理性，具体结论如下：

(1) 弯矩沿桩身变化曲线为先增大后减小的抛物线形，最大弯矩出现在桩顶向下4 m左右的位置。桩基抗水平设计时，要注意这个位置的抗弯承载力满足。8 m以下弯矩值接近于零，证明了基岩嵌固效果良好，并进一步验证3D为“最佳嵌岩深度”。受场地环境和嵌岩桩桩形共同决定，桩顶水平位移和转角值均较小，满足桩的容许水平位移值，证明基岩嵌岩效果好。

(2) 有限元模拟分析了水平受力嵌岩桩和周边土体的总体性态，模拟表明桩身混凝土、钢筋的应力，桩身位移和桩侧土压力均在结构承受范围内，验证嵌岩深度合理。

(3) 数值模拟与实测的弯矩沿桩身变化曲线趋势吻合，最大弯矩出现的位置一致，二者的弯矩和位移在数值上也有一定的规律可循，说明有限元模拟能够较准确地反映嵌岩桩在水平荷载作用下的工作性状和受力机理。

嵌岩桩基础现场原位水平加载试验的试验条件复杂，该工程的试验方法和取得的结果可为类似的嵌岩桩现场试验工程提供经验和指导。

[1] 宋仁乾.嵌岩桩受力性状及嵌岩深度的研究[D].杭州:浙江大学,2003.

[2] 雷 勇.嵌岩桩竖向承载机理及其承载力计算方法研究[D].长沙:湖南大学,2011.

[3] 张建华.大直径嵌岩灌注桩承载性状及桩侧阻力强化效应试验研究[D].兰州:兰州理工大学,2010.

[4] 刘 洋.桥梁嵌岩桩受力机理及最佳嵌岩深度研究[J].交通科技,2015(1):9-12.

[5] Reese L C, Hudson W R, Vijayvergiya V N. An investigation of the interaction between bored piles and soil[C]//Proceeding 7th International Conference on Soil Mechanics Foundation Enginerring.Mexico City, 1969:211-215.

[6] Horvath R G, Kenney T C, Trow W A. Results of tests to determine shaft resisitance of rock-socketed drilled piers[C]//Proceedings of the International Conference on Structural Foundations on Rock. Sydney, 1980:349-361.

[7] 杨校辉,朱彦鹏,黄雪峰.静压桩荷载传递与承载性状试验研究[J].水利与建筑工程学报,2016,14(1):139-143.

[8] 赵会永,张玉洁,钟 涛,等.水平受荷桩的变形性能与承载力的灰色系统法预测[J].水利与建筑工程学报,2015,13(1):114-120.

[9] 李 琨.水平受荷嵌岩桩的静载试验研究及有限元分析[D].太原:太原理工大学,2009.

[10] 柯 学.大直径灌注型嵌岩桩水平受荷特征分析[D].上海:上海交通大学,2006.

[11] 张 雁,刘金波.桩基手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2014：775-780.

[12] 张华华.水平荷载桩的现场试验与数值模拟分析[D].扬州:扬州大学,2007.

[13] 中华人民共和国建设部.建筑桩基技术规范：JGJ94—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[14] 黄求顺.嵌岩桩承载力的试验研究[M].太原:山西高校联合出版社，1992：47-52.

[15] 许锡宾,周 亮,刘 涛.大直径嵌岩桩单桩承载性能的有限元分析[J].重庆交通大学学报,2010,29(6):942-946，977.

HorizontalLoadingTestofPilesEmbeddedinHunRiverBridge

GUO Qian, WU Xiankai, DU Haixin

(LiaoningProvinceCommunicationPlanningandDesignInstituteCo.，LtdforHighwayMaintenanceTechnologyR&DCenter,Shenyang,Liaoning110111,China)

In order to solve the problem of insufficient rock socketed pile in-situ test under horizontal loading, the load-displacement curve and bending moment distribution of piles under horizontal load is analyzed based on the in-situ test of the two rock socketed piles in Hun River Bridge. Finite element method is adopted to verify the numerical simulation. The results show that the bending moment is parabola distribution along the pile body. The maximum value is about 4 meters from the top of the pile and the value is close to zero when depth is more than 8m. The horizontal displacement and the rotation angle of the pile top are small, which can meet the requirements of the allowable horizontal displacement. The numerical simulation results agree with the experimental results, and the measured values of bending moment and displacement are lower than the simulated values. The experimental methods and results could provide experience and guidance for similar projects.

rocksocketedpile;horizontalloading;in-situtest;numericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.025

2017-04-29

2017-06-14

辽宁省高速公路建设项目(201501)

郭 骞(1982—)，男，辽宁沈阳人，高级工程师，主要从事桥梁检测与结构试验方面的研究工作。 E-mail：lndt_gq@163.com

TU473.1

A

1672—1144(2017)05—0144—05