单桩水平静载试验在万州体育中心工程中的应用

1 工程概况

万州体育中心（图1）位于重庆市万州区龙宝片区内，东邻滨江大道，隔绿化带与长江相望，南、北、西三侧均为规划道路，周围社区住宅楼地势高出施工场地，并离施工现场较近。该工程为钢筋混凝土框架和空间管桁架结构，屋盖采用拱跨约250m的超限大跨度巨拱结构。建筑层数为4层，总用地面积140670m ² ，总建筑面积32550m ² 。地基基础设计等级为甲级，属重要的大型公共建筑。

图1 万州体育中心效果

2 工程地质条件

该场地原始地形起伏较大，现经大面积回填平场，未按规范要求进行分层碾压，回填时间短，未完成自然沉降、固结，地质条件较为复杂，据钻探揭示，地层分布情况如下。

（1）素填土：紫红、黄褐色，主要由粉质粘土、碎石组成，含块石，碎石直径22~200mm，块石直径200~810mm，松散~稍密，层厚0~27.80m。

（2）杂填土：灰色、杂色，主要由炭渣、砖瓦砾、砂等组成，松散～稍密。

（3）粉质粘土：紫红、黄褐色，粘粒及粉粒为主，夹碎石，土石结合紧密，层厚0~11.85m。

（4）泥岩：紫红、暗紫色，由粘土矿物组成，泥质结构，层状构造，岩芯强风化呈碎块状，中风化呈短柱状，岩质较软，失水易干裂，该层为场内主要岩性，单层厚度较大。

（5）砂岩：灰、青灰色，石英、长石为主，中细粒结构，层状构造，岩芯强风化呈短柱状，岩质较软，中风化呈长柱状，岩质较硬。

3 现场试验

3.1 桩位布置

依据设计要求，在万州体育中心主体育场北侧钢结构基础部位设置3根试验桩（桩号：1号、2号、3号），6根反力桩（桩号：4号、5号、6号、7号、8号、9号）。桩位布置如图2所示。

图2 试验桩位布置示意

3.2 试验桩情况

采用机械冲孔混凝土灌注成型，桩端持力层为中风化砂岩，设计地基岩石单轴抗压强度标准值天然为45.3MPa、饱和为34.7MPa。 试验桩基本情况见表1。

表1 试验桩基本情况

3.3 仪器设备及安装

采用3000kN油压千斤顶加载，水平推力的反力由专门设置的2根反力桩提供，千斤顶和试验桩接触处安置球形铰支座。桩顶水平位移通过对称安装于试验桩两侧的百分表测量，百分表采用磁性表座固定于基准梁，基准梁安装于基准桩上，基准桩与试桩净距不小于1.5m。

3.4 加载方式及终止条件

根据试验目的以及工程桩的实际受力特性，加载方法选用慢速维持荷载法。依据设计要求，本次单桩水平静载试验加载至桩身结构破坏或桩顶水平位移超过40mm。

3.5 试验荷载

试验荷载取值依据JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》进行估算，单桩预估极限承载力为2140kN。

4 试验数据及分析

4.1 1号试验桩

加载至1400kN，当水平位移速率达到相对稳定标准时，其桩顶水平总位移为45.94mm，终止加载。根据JGJ106—2014《建筑基桩检测技术规范》规定，当采用慢速维持荷载法加载时，取水平力–力作用点位移（ H – Y ₀ ）曲线出现拐点的前一级水平荷载值为单桩的水平临界荷载。

由试验曲线综合分析，单桩水平临界荷载为1000kN，按设计要求的水平允许位移10mm控制的单桩水平承载力特征值为540kN，桩顶水平位移40mm对应的单桩水平极限荷载为1310kN。实测水平力–力作用点位移（ H – Y ₀ ）关系曲线、水平力–力作用点位移双对数（lg H –lg Y ₀ ）关系曲线如图3、图4所示；水平力、水平力作用点水平位移–地基土水平抗力系数的比例系数（ H – m 、 Y ₀ – m ）关系曲线如图5、图6所示。

图3 1号桩 H – Y ₀ 曲线

图4 1号桩lg H –lg Y ₀ 曲线  

图5 1号桩 H – m 曲线

图6 1号桩 Y ₀ – m 曲线

4.2 2号试验桩

加载至1600kN，当水平位移速率达到相对稳定标准时，其桩顶水平总位移为41.78mm，终止加载。由试验曲线综合分析，单桩水平临界荷载为700kN，按设计要求的水平允许位移10mm控制的单桩水平承载力特征值为800kN，桩顶水平位移40mm对应的单桩水平极限荷载为1560kN。 H – Y ₀ 关系曲线、 lg H –lg Y ₀ 关系曲线如图7、图8所示； H – m 、 Y ₀ – m 关系曲线如图9、图10所示。

图7 2号桩 H – Y ₀ 曲线

图8 2号桩lg H –lg Y ₀ 曲线

图9 2号桩 H – m 曲线

图10 2号桩 Y ₀ – m 曲线

4.3 3号试验桩

加载至1600kN，当水平位移速率达到相对稳定标准时，其桩顶水平总位移为40.99mm，终止加载。由试验曲线综合分析，单桩水平临界荷载为700kN，按设计要求的水平允许位移10mm控制的单桩水平 承载力特征值为780kN，桩顶水平位移40mm对应的单桩水平极限荷载为1570kN。 H – Y ₀ 关系曲线、lg H –lg Y ₀ 关系曲线如图11、图12所示； H – m 、 Y ₀ – m 关系曲线如图13、图14所示。

图11 3号桩 H – Y ₀ 曲线

图12 3号桩lg H –lg Y ₀ 曲线

图13 3号桩 H – m 曲线

图14 3号桩 Y ₀ – m 曲线

4.4 试验成果汇总

依据JGJ106—2014《建筑基桩检测技术规范》条文说明，单桩水平承载力特征值的取值不应超过水平临界荷载。经对试验数据的计算、分析和整理，结合该工程的地基条件、基础形式及施工工艺等具体情况，综合确定该工程的单桩水平承载力特征值为525kN，单桩水平极限承载力为1480kN，地基土抗力系数的比例系数m值为9.5MN/m ⁴ 。单桩水平静载试验结果汇总见表2。

表2 单桩水平静载试验结果

5 结论

（1）试验结果验证了特殊地质条件下的桩基施工工艺，给出了桩基水平承载力与位移的设计计算参数。试验推定m值与规范推荐m值基本吻合，适用于松散、稍密填土类别，但试验m值之间的差异较大，设计应予以充分考虑。对于类似桩基工程的设计与施工，该试验数据可作为一定参考。

（2）终止加载时，3根试验桩的桩身均未发生结构破坏，但其水平位移已超过40mm，符合松散软土地基大直径桩的水平受力特征。建议综合考虑经济与安全因素，对场内填土进行强夯处理，与桩身强度和刚度相互协调，优化设计，均衡发挥桩基与地基土的综合承载能力。

（3）单桩水平临界荷载和水平位移10mm对应荷载的统计值计算，其极差均超过平均值的30%，表明试验结果的离散性偏大，究其原因，主要在于地质条件相对复杂，桩周填土不均，桩侧土基抗力差异较大所致。单桩水平承载力和位移与桩的材料强度、截面刚度、入土深度及土质条件等诸多因素密切相关，试验表明，对于受水平荷载较大的建筑桩基，通过单桩水平静载试验确定其相关设计参数确有必要。