屠海明 徐光 郁蔚

(1.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 上海200092；2.中国铁塔股份有限公司浙江省分公司 杭州310008)

引言

由于具有传力高效、占地面积小、施工便捷等优点，直径大、埋入深度相对较浅的钢桩基础在输电、通信、风力发电等领域的应用日益广泛。 此类基础可看作刚性桩进行受力分析。 应用于高耸结构领域的刚性桩与一般承受水平剪力为主的传统刚性桩相比，弯矩的数值往往是水平剪力的数十倍甚至上百倍，对基础的影响不可忽视。

目前国内外研究刚性桩水平承载性能试验主要以受水平力为主。 大直径刚性桩场地试验数据主要由液压千斤顶和位移计获得，Bhushan[1]及Bierschwale[2]分别对超固结砂质粘土和硬砂质粘土中直径为 0.9m ～1.22m、埋深为 3.8m ～6.1m的5 根钻孔灌注桩进行水平加载，以获得位移与荷载的关系； 杨永垚[3]采用压力传感器获得粉土中直径0.165m、桩长2m 的刚性桩模型桩侧土抗力试验值。 对于大直径钢桩的水平承载力的原型试验研究，目前仅限于水平力加载作用下的柔性长桩。 朱照清[4]对淤泥质软土中直径为1.7m、埋深为64m 的钢管桩水平承载力进行了试验研究。

目前我国输电线路塔和单管通信塔[5]采用极限平衡法计算刚性短柱，该法计算简便，但是计算弯剪共同作用的刚性桩时没有试验数据作为支撑。 此外，极限平衡法也未考虑水平土抗力与桩体转动的变形协调关系。

张明熠等[6，7]在河北地区对两根直径为0.9m ～1.09m、埋深 6.47m 的钢管单桩进行弯剪作用下的荷载试验，获得了桩身弯矩和桩顶位移随荷载的变化情况，探讨了桩周土地基加固对桩的水平承载能力的影响以及刚性短柱法对此类结构的适用性； 并基于刚性桩的结构变位方程，结合弹性地基理论C 值法，提出一种用于软土中高耸结构刚性桩工程设计的简化计算方法。

当前，钢桩基础在浙江、上海等地区也有着广泛的应用。 这些地区，尤其是靠近海边的地方，淤泥或淤泥质土相当普遍，土质条件远远不如河北地区。 本文通过对温州地区淤泥土质下的两个大直径钢桩承受弯剪同时作用下的实测，得到了桩顶弯矩与桩顶位移的关系曲线。并与基于弹性地基理论的C 值法理论值进行了比较。

1 现场试验

1.1 场地

本次试验选择在浙江省温州市鹿城区的一块老旧拆迁区内，该地块场地开阔，周边无重要建筑物，地下无重要管道或管线通过，同时，交通较为方便，是现场试验的理想场地。

根据地勘报告，试验场地内从上到下主要可以分为三层土：第1 层为杂填土，主要为由碎石和块石组成的建筑垃圾，层厚1.30m ～1.40m；第2 层为灰黄色粘土，可塑，饱和，层厚0.60m～0.70m； 第 3 层为灰色淤泥，流塑，饱和，厚度未揭穿。 地下水位埋深1.1m 左右。 地基土主要物理力学性质指标详见表1。

表1 地基土主要物理力学性质指标Tab.1 Main physical and mechanical properties of soil

现场施工时发现，上层1m 左右的建筑垃圾挖除后，下部即为灰色淤泥，即第2 层粘土层缺失。

由于必须先清除由碎石和块石组成的建筑垃圾以后才能打桩，实际施工时，在桩位附近开挖深度2m，打桩完成后周边采用粗砂和碎石回填至地面标高以下1m 处，考虑到回填砂石难以压实，因此本次试验桩的持力层接近于完全的灰色淤泥。

1.2 试验对象

温州地区基本风压较大，同时市区的通信单管塔又有美化要求，30m 左右的单管塔，基础弯矩标准值接近1000kN·m。 根据地勘资料初步计算，选择试验对象为两个相同直径、不同长度的钢桩基础。 试验桩A 桩长9.0m，桩径1400mm，壁厚16mm； 试验桩B 桩长7.5m，桩径1400mm，壁厚16mm； 另外设置一根反力桩，反力桩规格同试验桩A。

为模拟弯剪共同受力情况，在测试桩A、B上部安装30m 高单管塔筒体，离地面20m 处设加载点； 在反力桩桩顶设张拉操作点，以方便测试人员施加拉力，并记录拉力计读数。 拉力与水平地面夹角为45°。

使用位移计测量桩顶位移。 为减少桩侧土变形引起的误差，在试验桩周边设置基准钢架，钢架四角直接打入地下1.5m，离桩净距不小于1.0倍桩身直径，钢架上下两层各对称布置两个水平方向的位移计。

试验总平面布置见图1。

图1 试验总平面布置Fig.1 General layout of the test

1.3 试验设备

(1)水平位移量测设备

位移计(精度为0.1mm)量程分别为0 ～100mm、0 ～200mm，总共4 支，电子全站仪1 台。

(2)加载设备及载荷量测设备

钢丝绳、钢丝绳固定端抱箍、拉力传感器(10t)，电动卷扬机。 由于试验拉力很大，在拉力端设置滑轮组。

(3)其他

测点定位：细线，卷尺，直尺，记号笔，对讲机等。

1.4 试验步骤

在上部塔身安装完毕以后，按照以下顺序进行试验：

(1)安装固定位移计的钢架以及位移计，位移数据调试。

(2)安装拉力钢丝绳，并设置安全措施。

(3)分级加载，每级荷载施加后第5min、第10min 测读桩顶的水平位移和塔身顶部位移，再施加下一级荷载。 根据预估的最大加载量，当加载初期时，分级荷载取20%最大加载量； 加载后期，分级荷载取10%最大加载量。

(4)分级卸载，卸载时每级荷载第5min、第10min 测读桩顶水平位移，再卸下一级荷载。 每级卸载荷载与加载荷载对应。

(5)卸载至零后，维持时间一小时，测读桩顶水平位移，衡量回弹情况。

由于试验时单管塔筒体先安装在试验桩A 上面，故先测试桩A。 试验结果发现，一次加载后桩顶位移较大时，卸载后的残余变形比较大，因此在测试桩B 时，采用两次加载和卸载。

2 试验分析

由于试验时，塔身上的拉点位置不变，因此对于桩顶而言，弯矩与水平剪力的比例为定值。为便于分析，弯剪共同作用的效应以弯矩值表示。

桩顶位移直接取底层两个位移计读数的平均值，由于位移计安装高度比桩顶高约20cm，塔身在弯剪作用下存在一定变形，因此实际桩顶位移小于试验读数。

试验桩桩顶-位移关系如图2 所示。 对试验桩A 进行了一次单调加载和卸载试验，对试验桩B 进行了两次单调加载和卸载试验。

从图2a 可以看出，桩顶位移随着弯矩的增加而增加，并且斜率逐渐变小。 当弯矩为1150kN·m 时，桩顶位移已经达到 16.5mm，卸载后残余变形较大，约有5.5mm。 根据该曲线，加载时桩顶位移为10mm 时，桩顶所受的弯矩约为920kN·m。

从图2b 可以看出，第一次加载到580kN·m时，桩顶位移为9mm，卸载后残余变形较小，再次加载时，加载曲线基本与卸载段曲线一致。 当弯矩为635kN·m 时，桩顶位移达到11mm，此后随着继续加载，桩顶位移明显增加，当弯矩为740kN·m 时，桩顶位移达到 15mm，停止加载；卸载后残余变形达到6mm。 根据该曲线，加载时桩顶位移为 10mm 时，桩顶所受的弯矩约为608kN·m。

试验数据表明，当最大桩顶位移为9mm 时，卸载后实际残余变形约为2mm ～3mm； 最大桩顶位移达到15mm 时，卸载后残余变形达到5mm ～6mm。 结果表明文献[8]采用10mm 作为水平位移控制值比较合理。

3 基于弹性地基理论的C值法

当桩与土的刚度满足一点关系时，可以认为承受弯剪共同作用的桩绕着桩身某一点作刚性转动，桩本身的变形与土体变形相比较可以忽略。这就是刚性桩的基本假定。

在桩顶弯矩M和剪力V的作用下，刚性桩绕埋深处某一点作刚性转动，如图3a 所示，在坐标系OXZ中，刚性桩沿深度方向任一点的侧向位移可表达为：

式中：xz为深度z处桩的横向位移(m)；δ0为桩顶位移(m)；z′为桩顶距刚性转动点距离(m)。

根据Winkler 弹性地基模型，刚性桩转动后，任意深度z处的桩侧土抗力与该点横向位移成正比：

式中：σzx为桩侧土抗力(kN/m2)；Kh为地基反力系数(kN/m3)；C为地基土比例抗力系数(kN/m3.5)。

刚性桩转动、水平土抗力、地基反力系数如图3 所示。 考虑桩身直径D0，任意深度z处的桩身水平土抗力为：

将式(1) ～ 式(3)代入式(4)，可得：

其中：

图3 刚性桩受力状态Fig.3 State of the rigid pile

根据基础弯矩剪力受力平衡条件，基础埋深z处的剪力值Qz和弯矩值Mz分别为：

将式(5)代入式(8)、式(9)，整理可得：

利用边界条件z=H时Mz与Qz等于零，代入式(10)、式(11)，可求解得：

式中：a、b为曲线系数，单位分别为(kN/m2.5)、(kN/m1.5)；H为刚性桩的长度(m)。

这种方法计算简捷，便于工程应用。

4 试验值与理论值的对比

根据地勘条件与实际施工情况，两根试验桩的实际持力层均为灰色粘土，根据公路桥梁关于C 值法的取值规定[9]，取 C 值为 4000kN/m3.5。根据式(12) ～式(14)，可以很方便地计算得到：

对于试验桩A，理论计算桩顶位移为10mm时，单管塔钢桩所能承受的弯矩为834kN·m； 实测桩顶位移为 10mm 时，桩能承受的弯矩为920kN·m，比理论计算值高10%。

对于试验桩B，理论计算桩顶位移为10mm时，单管塔钢桩所能承受的弯矩为530kN·m； 实测桩顶位移为 10mm 时，桩能承受的弯矩为608kN·m，比理论计算值高15%。

由此可见，软土中采用C 值法计算刚性桩的桩顶位移，有一定的安全余量。

5 结论

1.试验桩在一定荷载范围内，桩顶位移小于10mm； 卸载后桩顶位移迅速回弹，残余变形小，这充分说明以抗弯为主的钢桩基础即便在地基土以淤泥等软土为主的地区也是完全适用的。

2.试验得到的位移值均小于C 值理论计算值，单管塔钢桩基础采用C 值法计算安全性高。

对于以淤泥为主的软弱土，为更加有效地提高钢桩基础的抗弯承载能力，应处理好桩身上部硬土层的加固与保护工作。 也可采用其他的地基土加固处理，并进行进一步的试验验证。