樁頂與承臺兩種連接方式下的樁基水平承載力試驗研究（建筑）

李曉勇，高文生，劉金礪

（中國建筑科學研究院，北京100013）

 [摘要]目前國內基樁與承臺的連接方式是將樁頂嵌入承臺50mm~ 100mm，再將錨筋插入承臺一定深度，這是一種偏剛性的連接方式，地震過程中在樁．土，上部結構相互作用下，樁與承臺連接部位會產生較大的負彎矩。1995年阪神大地震之后，日本有關學者提出了一種樁與承臺的簡易連接方式-F．T．Pile構造法（本文稱之為臼式連接法），這是一種接近活性的連接方式。本次試驗設計了4組試驗樁，均是兩樁承臺，前兩組樁與承臺連接部位采用臼式連接法，后兩組連接部位采用嵌入式連接法，通過現場足尺對比試驗研究，發現臼式連接法可以有效降低樁頂負彎矩甚至消除樁頂負彎矩，但同時會增大樁身正彎矩及樁身位移，降低基樁水平承載力。

[關鍵詞]F．T．Pile構造法；剛性連接；半剛性連接；水平承載力；樁身彎矩；樁身位移

[中圖分類號]TU473.1⁺1  

0  引言

    樁與承臺連接方式分為能傳遞全部彎矩的剛性連接和能傳遞部分彎矩的半剛性連接。目前國內基樁與承臺的連接方式是將樁頂嵌入承臺50mm~100mm，再將錨筋插入承臺一定深度，這是一種偏剛性的連接方式，本文稱之為嵌入式連接法。1978年日本宮城地震和1995年阪神地震的震害調查發現采用剛性連接的樁與承臺連接部位發生大量的破壞。1995年后日本展開了大量樁與承臺半剛性連接的模型試驗研究工作，而國內還沒有相關的報道。在半剛性連接方法中，日本應用較為廣泛的是F．T．Pile構造法，本文稱臼式連接法。該方法是將樁頂嵌入承臺50mm~100mm，但二者之間無錨固鋼筋連接，而是在樁頂設置一個上窄下寬的錐形樁帽（用厚度為1. 2mm~3.2mm的鋼板制成），使插入承臺的樁外圍與承臺界面之間形成錐形縫隙，降低樁頭固定度，提高樁在承臺中的轉動能力。

    嵌入式連接法和臼式連接法這兩種連接方式下基樁的樁頂彎矩、樁身彎矩、樁身位移究竟如何分布，通過對比試驗進行測試檢驗。

1試驗概況

1.1  試驗場地條件

    試驗場地位于天津市漢沽區茶淀鎮，場地地層剖面圖見圖1，土層物理力學參數見表1。鉆孔取樣試驗結果表明，地層水平向分布尚屬均勻，垂直向成層明顯，水平地面下0. 5m左右見有地下水。

1.2試驗內容與構件施工制作

    本次試驗設計了4組群樁，每組試件均為兩樁承臺，共8根樁，樁型為PHC-600-AB-110型管樁，樁長為15m，樁間距分為3倍樁徑、6倍樁徑，試驗樁設計見表2。承臺的配筋是將樁的豎向承載力特征值作為豎向壓力進行設計，混凝土強度等級為C40。

    1)臼式連接法

    臼式連接法連接節點構造詳情見圖2。該方法既適用于灌注樁，也適用于各種預制樁。

    施工流程：場地平整壓樁樁頭平面的確認樁頂安裝錐形樁帽，用螺栓固定于樁端板澆混凝土墊層綁扎承臺鋼筋撤掉螺栓澆筑承臺混凝土。錐形樁帽是用厚度為1. 6mm的熱軋鋼板制成，角度為1/10rad。

    施工過程中須注意兩點：①樁帽和管樁端板之間不允許有縫隙，管樁端板表面要平整，確保樁帽緊緊扣在樁頭端板上；②為了不讓墊層混凝土流人樁帽內部，要確保樁帽的下端低于墊層底部20mm以上。

2)嵌入式連接法    嵌入式連接法：樁頂嵌入承臺60mm，管樁填芯1. 8m（3倍樁徑），錨固鋼筋直接焊接在樁頭的端板上，錨固長度為35倍的錨筋直徑，錨固角度為75⁰根據《管樁標準圖集》( 10G409)錨筋選用620，懸掛托盤鋼筋采用38，拖板采用5mm厚鋼板制成，連接節點構造圖見圖3。

1.3試驗加載方法

    試驗采取單向多循環加載法，取預估水平極限承載力的1/10分級加載（為了準確測得臨界荷載，局部調小荷載分級），每級荷載施加后，恒載4min讀取加載點水平位移及樁身應變，然后卸載至零，停2min測讀殘余水平位移及樁身應變，至此完成一個加卸載循環，如此循環5次，最后一次再進行樁身測斜，讀取樁身位移。

1.4試驗反力裝置

    試驗利用三圈同心環梁為試驗樁提供反力，試驗樁及反力梁現場布置如圖4所示，其中反力梁與試驗樁之間的凈距及承臺之間的凈距均大于3.5倍樁徑，滿足相關規范的要求。

    試驗采用液壓千斤頂進行加載，千斤頂行程可達1000mm，最大作用力為1000kN。試驗加載裝置如圖5所示，左側荷載板加載中心距承臺底部60mm。

    采用臼式連接法的試驗樁是靠樁帽與承臺界面之間的摩擦力傳遞荷載，本次試驗承臺上部沒有豎向荷載，二者之間的摩擦力較小，且樁帽采用薄鋼板制成，所以荷載較大的時候可能會導致樁帽右側（沿加載方向的后側）薄壁變形，對試驗結果有一定的影響。因為實際工程中，承臺頂部有上部結構傳遞的豎向荷載，樁帽與承臺界面之間的摩擦力較大，所以試驗加載到大荷載階段時，試驗樁荷載的傳遞機理與實際工程有差距。試驗現場觀測，加載到極限荷載時才能聽到樁帽變形的聲音。

1.5測試內容及測試手段

    試驗數據的記錄與采集，主要包含以下幾方面：

    ①樁身位移。在管樁內壁粘貼12. 0m長測斜管，由于管樁內壁沿加載方向布滿傳感器導線，所以測斜管只能粘貼在與加載方向成900角的方向，一對導槽平行于加載方向。待每級荷載最后一個循環的加載階段穩定后，用測斜儀進行測試。

    ②加載點荷載及位移。在加載點及左右100mm處各布設一個位移傳感器測加載點位移，千斤頂出頂端安裝力傳感器測試實際荷載值。

    ③樁身應變。ST-1-3d、ST-2-6d沿樁身在受拉側埋設FBG光纖光柵傳感器及100mm長混凝土電阻片，另一側在管樁成型過程中在樁身內部預埋寬20mm、高10mm、厚2mm的鋼槽，在鋼槽內粘貼鋼筋應變片；ST-3-3d、ST-4.6d在樁身內部預埋寬20mm、高10mm、厚2mm的鋼槽，在鋼槽內粘貼鋼筋應變片，利用光柵解調儀及靜態電阻應變儀對應變值進行采集。傳感器布置詳圖見圖6。本文為了使試驗數據具有統一性，均選取電阻片傳感器所采集的數據進行分析。

2  試驗數據處理及分析

    本文將從試驗樁在兩種不同的連接方式下，單樁水平承載力、樁頂及樁身彎矩分布規律、樁身位移分布情況三方面來說明研究內容。

2.1  單樁水平承載力分析

    本文根據荷載．時間一位移曲線、荷載-位移梯度曲線確定出一個總臨界荷載Q _{c r}和總極限荷載Q _u（圖7～圖10，位移值為位移計采集），分別減去承臺底部摩阻力( 40kN)再除以2分別得到單樁水平承載力臨界值H _{c r}和極限值H _u，具體計算結果見表3。

    由表3可知，采用臼式連接法的試組1單樁水平承載力臨界值和極限值均小于采用試組2的單樁承載力臨界值和極限值。這是由于試組1樁頂的錐形空隙導致樁頭在加載的時候可以發生一定的轉動，導致在同樣的荷載下，前者樁頂位移比后者大，承載力就會降低，但是降低幅度較小。

2.2樁頂彎矩、樁身彎矩分析對比

    本次試驗結束后，將試驗樁開挖檢查樁身裂縫及破壞特征，結果表明，水平加載條件下，管樁樁頭并未剪壞，破壞形式為樁身受彎破壞。以下對比相同荷載下，兩組試件樁頂彎矩、樁身彎矩的分布情況。試驗樁樁身彎矩分布圖見圖11，數值見表4。

    樁頂彎矩：試組ST-1.3d（臼式）前側樁樁頂有負彎矩，但其絕對值與樁身最大彎矩值相比數值很小，ST-1-3d-后側樁樁頂沒有負彎矩；試組ST-2-3d（嵌入式）前、后兩根樁樁頂均有較大負彎矩值。這說明采用臼式連接法可以增強樁頂的回轉性能，較大程度地減小樁頂負彎矩甚至消除樁頂負彎矩，減少對樁頭的損壞。

    樁身彎矩分布規律：試組ST-1-3d（臼式）試驗樁樁身彎矩分布符合樁頂自由狀態下彈性樁樁身彎矩分布規律，而試組ST-2-3d（嵌入式）樁身分布規律符合樁頂固結狀態下彈性樁樁身分布規律。試組ST-1-3d（臼式）試驗樁樁身彎矩大于ST-2-3d-前、后（嵌入式）兩根樁的樁身彎矩值（圖11）。當荷載為120kN時，兩組試件前側樁樁身彎矩最大值之比為1. 27，后側樁二者比值為1.51；當荷載為140kN時，兩組試件前側樁樁身彎矩最大值之比為1. 47，后側樁二者比值為1.55。這說明樁與承臺連接部位采用臼式連接法在減小樁頂彎矩時會增大樁身的彎矩。

    同時發現，兩組連接方式下樁身最大彎矩值的位置都隨著荷載的加大會發生下移，這是由于加載過程中上部土體逐漸屈服破壞，荷載逐漸轉由下部土體承擔；同級荷載下二者前側樁樁身彎矩均大于后側樁的樁身彎矩，說明加載時前樁所受土抗力大于后樁，這是因為后樁受前樁土體變形影響，土抗力降低。

2.3樁身位移分析對比

各基樁的樁身水平位移分布情況見圖12。

    試驗結果表明，試組ST-1-3d（臼式）前、后兩根樁的樁身水平位移均大于ST-2-3d（嵌入式）前、后兩根樁的水平位移，當荷載為120kN時，兩組試件前側樁樁頂位移之比為1. 63，后側樁二者比值為1.10；當荷載為180kN時，兩組試件前側樁樁頂位移之比為1.83，后側樁二者之比為1.70；當荷載為220kN時，兩組試件前側樁樁頂位移之比為2.86，后側樁二者之比為2. 94，說明隨著荷載的增大，二者的位移差值越大。這是試組ST-1-3d（臼式）樁與承臺之間的錐形縫隙增加了樁頭的回轉性能，導致樁身位移增大。    

同時對比兩組試件各自前后樁樁身位移，發現后側樁樁身位移均大于前側樁樁身位移，說明加載時前側樁所受土抗力大于后側樁，后樁受前樁變形影響，土抗力降低，位移增大。

3  結論

    將兩種連接方式下的基樁承載力、樁頂及樁身彎矩、樁身位移進行對比，得出以下結論：

    1)采用臼式連接法的試驗樁水平承載力臨界值和極限值都會降低，但降低幅度較小。

    2)臼式連接法可以有效減小樁頂負彎矩值甚至消除樁頂負彎矩，但同時會增大樁身正彎矩值；在極限荷載作用下，采用臼式連接法的試驗樁樁身最大彎矩值約為采用嵌入式連接法試驗樁樁身最大彎矩值的1.5倍。

    3)采用臼式連接法連接的試驗樁樁身位移會增大，加載到極限荷載時，采用臼式連接法的試驗樁樁頂位移可達到嵌入式連接法的2~3倍。