基于原型试验的单桩水平承载力分析
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目前，地基基础的抗震验算一般还是将上部结构 传至基础顶面的动力作用与原来的静荷载迭加，进行 地基基础的拟静力强度验算。各抗震设计规范或地基 基础规范中针对地基基础的抗震设计、有关场地的选 择、液化的判别和处理等地基抗震的关键问题都有明 确规定。在基础抗震方面，对于竖向抗震验算包括地 震作用、天然地基或桩基竖向抗震承载力的提高、液 化土层中竖向承载力的折减等都要有比较明确的规 定。但是对于基础水平抗震验算，各规范相应规定并
Abstract: With the uncertainty of constraint condition of pile top, the lateral capacity of a single pile is hard to be evaluated precisely by theoretical computation or by routine static load tests when the horizontal earthquake action of pile foundations is checked. By investigating the calculation of the lateral capacity of a single pile of an existing building and testing through prototype tests, the lateral capacity of single pile under the constraint condition of pile top is acquired, which matches with the one under real working condition. The conclusion and methodology will be useful for the relevant calculation of lateral capacity of piles. Key words: lateral capacity of single pile; lateral load test; pile top restriction
依据上海市工程建设规范《建筑基桩检测技术规 程》[5]、国家行业标准《建筑基桩检测技术规范》[6]。 加载方式选用单向多循环加卸载法。
为了考察桩顶约束条件不同，以及地梁侧边土体 对桩基水平承载力的影响。本次试验，采用单桩连同 顶端地梁一起做水平试验。试验中根据布桩的间距截 取 1.3 m 地梁做对比试验，经核算，各栋建筑物长边 方向（即东西方向）分配至每根桩的地梁长度约 1.7～ 2.0 m 左右，能满足水平载荷试验的边界条件。
⑤2 粉质黏土
21.5
⑤3 粉质黏土
26.5
⑥粉质黏土
29.7
⑦1-1 黏质粉土
32.8
⑦1-2 粉砂
42.0
⑦2 粉细砂
60.3
19.1
28.1 0.76
17.7
40.4 0.48
16.8
49.8 0.35
16.6
51.5 0.42
17.7
36.2 1.15
18.4
29.2 2.29
18.0
33.4 0.96
采用薄壁钻机按图 1 示意进行基础梁及底板切 割，并通过原基础梁或底板作为水平静载试验的反力 进行单桩水平静载荷试验。
图 1 试验装置示意图 Fig. 1 Test device
本次共完成 5 组单桩水平静载荷试验，根据试验 边界条件的不同，分为以下 3 种类型：①#8 楼的 S1、 S2，保持试桩桩顶上部 1.3 m 长的基础梁，梁背侧土 体保留（即考虑梁侧土体共同作用），水平荷载作用点 为梁底以上 10 cm（即作用点与桩顶平）；②#9 楼的 S1（1）、S2，保持试桩桩顶上部 1.3m 长的基础梁， 梁背侧土体脱离，水平荷载作用点为梁底以上 10 cm （即作用点与桩顶平）；③#9 楼的 S1（2），完成 S1（1） 边界条件下单桩水平静载荷试验后，凿除桩顶上部基 础梁，再次进行单桩水平静载荷试验，水平荷载作用 点直接作用在桩顶（模拟桩顶自由）。 3.2 试验成果
水平静载荷试验结果汇总表详见表 3。 根据现场检测时各试桩的工况及 H0-t-Y0 曲线产
生明显陡降的前一级荷载或 H0-△Y0/△H0 曲线第二 直线段的终点对应的荷载、各荷载下的总位移量，综 合确定试桩临界荷载、极限荷载见表 4。
表 3 水平静载荷试验结果汇总表
Table 3 Results of lateral static load tests
/(MN·m-4)
2
水平位移系数 νx
2.441（铰接、自由）
22.0
2.5
2.441（铰接、自由）
50.0
2
0.94（固接）
57.2
2.5
0.94（固接）
由表 2 可见，土体的 m 值对计算结果有一定的影
响，桩顶铰接（自由）与固接条件下的计算值则相差
非常之大。而对于建筑物桩基的实际所处工况而言，
又是介于桩顶铰接（自由）与固接之间，这就带来了
实际工程使用中发现，采用载荷试验方法时，几 乎所有的载荷试验都是在桩顶是自由状态下进行的。 但实际上，在固接状态下的单桩水平承载力总是远远 大于在自由状态下的，有的甚至高达 2～3 倍。那么， 如将由自由状态载荷试验直接确定的水平承载力用于 群桩基础的设计显然是偏于保守的。当采用计算方法 估算时，桩顶的约束情况（铰接、自由，还是固结） 对计算结果影响非常大，大约有 2.6～3.2 倍的差异。
数。
（2）计算结果分析
桩顶允许水平位移取 10 mm，根据不同的桩顶约 束条件，按式（1）计算，结果见表 2。
表 2 单桩水平承载力计算值
Table 2 Values of calculated lateral capacity of single pile
水平承载力特征值 Rha/kN 19.3
m
─────── 收稿日期：2011–08–08
292
岩土工程学报
2011 年
然而，实际情况是单桩多处于半固接状态，很难以定 量来分析。因此，无论是载荷试验还是理论计算，单 桩水平承载力的确定必须要在与实际工作状态相匹配 的桩顶约束工况下来确定。
本文拟通过对某已建建筑物单桩水平承载力确定 的探讨，从中得出的一些结论供相关的桩基水平承载 力计算作参考与借鉴。
19.7
22.2 2.68
19.0
26.3 4.27
18.7
28.1 10.03
19.2
24.5 19.77
2 单桩水平承载力计算
桩水平承载力的分析方法，大体可分为弹性地基
反力法、弹性理论法、极限地基反力法、数值计算及
p–y 曲线法、NL 法等经验分析方法。目前用得最普
遍的是弹性地基反力法，采用文克尔（Winkler）地基
场地位于东海之滨、长江三角洲入海口东南前缘， 地貌形态单一，属上海地区四大地貌单元中的滨海平 原类型，地势较平坦。场地自地面以下 60.3 m 深度范 围内的土层按其成因可分为 7 层，约 26.5 m 以上各 土层均为第四系全新世（Q4）土层，约 26.5 m 以下至 60.3 m 均为上更新世（Q3）土层。详见表 1。
Leabharlann Baidu
1 工程概况
受工程事故的影响，需对上海某在建住宅小区已 建建筑物的桩基抗震性能进行评估，需确定桩基水平 承载力进行水平抗震验算。 1.1 结构情况
该小区住宅楼为 11 层或 13 层的高层住宅，部分 住宅楼设有一层地下室。基础采用 PHC 管桩+条形地 基梁，部分设有地下室的建筑物为梁板式基础。桩型 为高强混凝土管桩（PHCAB 型），采用《先张法预 应力混凝土管桩》[3]上海地方图集。桩端持力层均为 第⑦1-2 层粉砂层，单桩承载力特征值为 1040 kN。PHC 管桩具体参数：桩长 33 m，管径 400 mm，壁厚 80 mm， 混凝土强度等级为 C80。 1.2 工程地质条件
第 33 卷 增刊 2 2011 年 10 月
岩土工程学报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.33 Supp.2 Oct. 2011
基于原型试验的单桩水平承载力分析
徐枫
(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200070)
摘 要：桩基水平抗震验算时，由于桩顶约束条件的不确定性，无论是理论计算还是常规的静载荷试验，都很难准确
不是十分明确。 对于桩基水平抗震验算，一般都考虑承台或地下
室正侧面土体与桩共同承担水平地震作用。目前，中 国规范对于单桩水平承载力的确定，首选是根据单桩 的水平静载荷试验确定，在没有静载荷试验时可按相 关规范的水平承载力计算方法确定。对于一般的公用 民用建筑而言，主要都依据现行建筑桩基技术规范条 文公式来估算。
估算单桩水平承载力。拟通过对某已建建筑物单桩水平承载力确定的探讨，通过原型试验的方法，取得与实际工作状
态相匹配的桩顶约束条件下的单桩水平承载力，从中得出的一些结论供相关的桩基水平承载力验算作参考与借鉴。 关键词：单桩水平承载力；水平载荷试验；桩顶约束
中图分类号：TU473
文献标识码：A
文章编号：1000–4548(2011)S2–0291–04
0引 言
汶川地震之后，社会各界对建筑物的抗震能力尤 为关注，国家也根据此次的震害调查，对原抗震设计 规范进行了局部修订[1-2]。
中国的各次大地震的震害调查表明，地基基础的 震害与上部结构相比只占很小比例（10%以下）。而且， 即使是地基基础震害也都由土体液化、软土震陷、不 均匀地基、滑坡和地裂等场地原因造成的。纯粹由于 地基或基础强度破坏而造成的震害事例绝无仅有。
作者简介：徐 枫(1977– )，男，上海人，高级工程师，主要从事岩土工程设计、咨询与科研工作。E-mail:
13701991852@139.com。
Lateral capacity of single pile based on prototype tests
XU Feng
(Shanghai Geotechnical Investigations & Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200070, China)
表 1 土层物理力学参数表
Table 1 Physical and mechanical parameters of soils
土层名称
层底深 重度
度/m /(kN·m-3)
含水 率/%
Ps值 /MPa
②1 粉质黏土
2.5
②2 黏土
3.5
③淤泥质粉质黏土
7.5
④淤泥质黏土
13.5
⑤1 粉质黏土夹
19.2
实际应用的困难。所以，定量地确定单桩水平承载力
还是需要明确实际工况的约束条件。
3 原型静载荷试验
根据建筑物的基础结构设计情况，基本上都采用
增刊 2
徐 枫. 基于原型试验的单桩水平承载力分析
293
剪力墙下布桩，各栋住宅楼仅有个别工程桩的布置不 在剪力墙下。为防止对剪力墙的整体性构成损坏，综 合现场条件及桩基施工资料，同时根据工程事故的影 响程度，工程桩抽样检测选择具有代表性的#8 楼（地 梁基础）、#9 楼（地下室基础）各 2 根不在剪力墙下 的工程桩进行现场静载荷试验。 3.1 试验依据与方法
平承载力特征值；当缺少单桩水平荷载试验资料时，
可按下式估算预制桩、钢桩、桩身全截面配筋率不小
于 0.65％的灌注桩单桩水平承载力特征值：
Rha
=
α 3EI 0.75
νX
χ0a
。
(1)
式中 EI 为桩身抗弯刚度，α 为桩的水平变形系数，
α = 5 mb0 / EI ； χ0a 为桩顶允许水平位移；ν X 为桩顶 水平位移系数； b0 为桩身的计算宽度，圆形桩当直径 d≤1 m时， b0 = 0.9(1.5d + 0.5) ；对于钢筋混凝土桩， EI = 0.85Ec I0 ，其中 Ec 为混凝土弹性模量， I0 为桩身 换算截面惯性距；m为桩侧土水平抗力系数的比例系
模型，现行建筑桩基技术规范就是采用此方法进行桩
的水平承载力分析与计算。
（1）规范计算方法 根据我国行业标准《建筑桩基技术规范》[4]的规
定，对于钢筋混凝土预制桩、钢桩、桩身全截面配筋
率不小于 0.65%的灌注桩，可根据静载荷试验结果取
地面处水平位移为 10 mm（对于水平位移敏感的建筑
物取水平位移 6 mm）所对应的荷载的 75%为单桩水
Abstract: With the uncertainty of constraint condition of pile top, the lateral capacity of a single pile is hard to be evaluated precisely by theoretical computation or by routine static load tests when the horizontal earthquake action of pile foundations is checked. By investigating the calculation of the lateral capacity of a single pile of an existing building and testing through prototype tests, the lateral capacity of single pile under the constraint condition of pile top is acquired, which matches with the one under real working condition. The conclusion and methodology will be useful for the relevant calculation of lateral capacity of piles. Key words: lateral capacity of single pile; lateral load test; pile top restriction
依据上海市工程建设规范《建筑基桩检测技术规 程》[5]、国家行业标准《建筑基桩检测技术规范》[6]。 加载方式选用单向多循环加卸载法。
为了考察桩顶约束条件不同，以及地梁侧边土体 对桩基水平承载力的影响。本次试验，采用单桩连同 顶端地梁一起做水平试验。试验中根据布桩的间距截 取 1.3 m 地梁做对比试验，经核算，各栋建筑物长边 方向（即东西方向）分配至每根桩的地梁长度约 1.7～ 2.0 m 左右，能满足水平载荷试验的边界条件。
⑤2 粉质黏土
21.5
⑤3 粉质黏土
26.5
⑥粉质黏土
29.7
⑦1-1 黏质粉土
32.8
⑦1-2 粉砂
42.0
⑦2 粉细砂
60.3
19.1
28.1 0.76
17.7
40.4 0.48
16.8
49.8 0.35
16.6
51.5 0.42
17.7
36.2 1.15
18.4
29.2 2.29
18.0
33.4 0.96
采用薄壁钻机按图 1 示意进行基础梁及底板切 割，并通过原基础梁或底板作为水平静载试验的反力 进行单桩水平静载荷试验。
图 1 试验装置示意图 Fig. 1 Test device
本次共完成 5 组单桩水平静载荷试验，根据试验 边界条件的不同，分为以下 3 种类型：①#8 楼的 S1、 S2，保持试桩桩顶上部 1.3 m 长的基础梁，梁背侧土 体保留（即考虑梁侧土体共同作用），水平荷载作用点 为梁底以上 10 cm（即作用点与桩顶平）；②#9 楼的 S1（1）、S2，保持试桩桩顶上部 1.3m 长的基础梁， 梁背侧土体脱离，水平荷载作用点为梁底以上 10 cm （即作用点与桩顶平）；③#9 楼的 S1（2），完成 S1（1） 边界条件下单桩水平静载荷试验后，凿除桩顶上部基 础梁，再次进行单桩水平静载荷试验，水平荷载作用 点直接作用在桩顶（模拟桩顶自由）。 3.2 试验成果
水平静载荷试验结果汇总表详见表 3。 根据现场检测时各试桩的工况及 H0-t-Y0 曲线产
生明显陡降的前一级荷载或 H0-△Y0/△H0 曲线第二 直线段的终点对应的荷载、各荷载下的总位移量，综 合确定试桩临界荷载、极限荷载见表 4。
表 3 水平静载荷试验结果汇总表
Table 3 Results of lateral static load tests
/(MN·m-4)
2
水平位移系数 νx
2.441（铰接、自由）
22.0
2.5
2.441（铰接、自由）
50.0
2
0.94（固接）
57.2
2.5
0.94（固接）
由表 2 可见，土体的 m 值对计算结果有一定的影
响，桩顶铰接（自由）与固接条件下的计算值则相差
非常之大。而对于建筑物桩基的实际所处工况而言，
又是介于桩顶铰接（自由）与固接之间，这就带来了
实际工程使用中发现，采用载荷试验方法时，几 乎所有的载荷试验都是在桩顶是自由状态下进行的。 但实际上，在固接状态下的单桩水平承载力总是远远 大于在自由状态下的，有的甚至高达 2～3 倍。那么， 如将由自由状态载荷试验直接确定的水平承载力用于 群桩基础的设计显然是偏于保守的。当采用计算方法 估算时，桩顶的约束情况（铰接、自由，还是固结） 对计算结果影响非常大，大约有 2.6～3.2 倍的差异。
数。
（2）计算结果分析
桩顶允许水平位移取 10 mm，根据不同的桩顶约 束条件，按式（1）计算，结果见表 2。
表 2 单桩水平承载力计算值
Table 2 Values of calculated lateral capacity of single pile
水平承载力特征值 Rha/kN 19.3
m
─────── 收稿日期：2011–08–08
292
岩土工程学报
2011 年
然而，实际情况是单桩多处于半固接状态，很难以定 量来分析。因此，无论是载荷试验还是理论计算，单 桩水平承载力的确定必须要在与实际工作状态相匹配 的桩顶约束工况下来确定。
本文拟通过对某已建建筑物单桩水平承载力确定 的探讨，从中得出的一些结论供相关的桩基水平承载 力计算作参考与借鉴。
19.7
22.2 2.68
19.0
26.3 4.27
18.7
28.1 10.03
19.2
24.5 19.77
2 单桩水平承载力计算
桩水平承载力的分析方法，大体可分为弹性地基
反力法、弹性理论法、极限地基反力法、数值计算及
p–y 曲线法、NL 法等经验分析方法。目前用得最普
遍的是弹性地基反力法，采用文克尔（Winkler）地基
场地位于东海之滨、长江三角洲入海口东南前缘， 地貌形态单一，属上海地区四大地貌单元中的滨海平 原类型，地势较平坦。场地自地面以下 60.3 m 深度范 围内的土层按其成因可分为 7 层，约 26.5 m 以上各 土层均为第四系全新世（Q4）土层，约 26.5 m 以下至 60.3 m 均为上更新世（Q3）土层。详见表 1。
Leabharlann Baidu
1 工程概况
受工程事故的影响，需对上海某在建住宅小区已 建建筑物的桩基抗震性能进行评估，需确定桩基水平 承载力进行水平抗震验算。 1.1 结构情况
该小区住宅楼为 11 层或 13 层的高层住宅，部分 住宅楼设有一层地下室。基础采用 PHC 管桩+条形地 基梁，部分设有地下室的建筑物为梁板式基础。桩型 为高强混凝土管桩（PHCAB 型），采用《先张法预 应力混凝土管桩》[3]上海地方图集。桩端持力层均为 第⑦1-2 层粉砂层，单桩承载力特征值为 1040 kN。PHC 管桩具体参数：桩长 33 m，管径 400 mm，壁厚 80 mm， 混凝土强度等级为 C80。 1.2 工程地质条件
第 33 卷 增刊 2 2011 年 10 月
岩土工程学报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.33 Supp.2 Oct. 2011
基于原型试验的单桩水平承载力分析
徐枫
(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200070)
摘 要：桩基水平抗震验算时，由于桩顶约束条件的不确定性，无论是理论计算还是常规的静载荷试验，都很难准确
不是十分明确。 对于桩基水平抗震验算，一般都考虑承台或地下
室正侧面土体与桩共同承担水平地震作用。目前，中 国规范对于单桩水平承载力的确定，首选是根据单桩 的水平静载荷试验确定，在没有静载荷试验时可按相 关规范的水平承载力计算方法确定。对于一般的公用 民用建筑而言，主要都依据现行建筑桩基技术规范条 文公式来估算。
估算单桩水平承载力。拟通过对某已建建筑物单桩水平承载力确定的探讨，通过原型试验的方法，取得与实际工作状
态相匹配的桩顶约束条件下的单桩水平承载力，从中得出的一些结论供相关的桩基水平承载力验算作参考与借鉴。 关键词：单桩水平承载力；水平载荷试验；桩顶约束
中图分类号：TU473
文献标识码：A
文章编号：1000–4548(2011)S2–0291–04
0引 言
汶川地震之后，社会各界对建筑物的抗震能力尤 为关注，国家也根据此次的震害调查，对原抗震设计 规范进行了局部修订[1-2]。
中国的各次大地震的震害调查表明，地基基础的 震害与上部结构相比只占很小比例（10%以下）。而且， 即使是地基基础震害也都由土体液化、软土震陷、不 均匀地基、滑坡和地裂等场地原因造成的。纯粹由于 地基或基础强度破坏而造成的震害事例绝无仅有。
作者简介：徐 枫(1977– )，男，上海人，高级工程师，主要从事岩土工程设计、咨询与科研工作。E-mail:
13701991852@139.com。
Lateral capacity of single pile based on prototype tests
XU Feng
(Shanghai Geotechnical Investigations & Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200070, China)
表 1 土层物理力学参数表
Table 1 Physical and mechanical parameters of soils
土层名称
层底深 重度
度/m /(kN·m-3)
含水 率/%
Ps值 /MPa
②1 粉质黏土
2.5
②2 黏土
3.5
③淤泥质粉质黏土
7.5
④淤泥质黏土
13.5
⑤1 粉质黏土夹
19.2
实际应用的困难。所以，定量地确定单桩水平承载力
还是需要明确实际工况的约束条件。
3 原型静载荷试验
根据建筑物的基础结构设计情况，基本上都采用
增刊 2
徐 枫. 基于原型试验的单桩水平承载力分析
293
剪力墙下布桩，各栋住宅楼仅有个别工程桩的布置不 在剪力墙下。为防止对剪力墙的整体性构成损坏，综 合现场条件及桩基施工资料，同时根据工程事故的影 响程度，工程桩抽样检测选择具有代表性的#8 楼（地 梁基础）、#9 楼（地下室基础）各 2 根不在剪力墙下 的工程桩进行现场静载荷试验。 3.1 试验依据与方法
平承载力特征值；当缺少单桩水平荷载试验资料时，
可按下式估算预制桩、钢桩、桩身全截面配筋率不小
于 0.65％的灌注桩单桩水平承载力特征值：
Rha
=
α 3EI 0.75
νX
χ0a
。
(1)
式中 EI 为桩身抗弯刚度，α 为桩的水平变形系数，
α = 5 mb0 / EI ； χ0a 为桩顶允许水平位移；ν X 为桩顶 水平位移系数； b0 为桩身的计算宽度，圆形桩当直径 d≤1 m时， b0 = 0.9(1.5d + 0.5) ；对于钢筋混凝土桩， EI = 0.85Ec I0 ，其中 Ec 为混凝土弹性模量， I0 为桩身 换算截面惯性距；m为桩侧土水平抗力系数的比例系
模型，现行建筑桩基技术规范就是采用此方法进行桩
的水平承载力分析与计算。
（1）规范计算方法 根据我国行业标准《建筑桩基技术规范》[4]的规
定，对于钢筋混凝土预制桩、钢桩、桩身全截面配筋
率不小于 0.65%的灌注桩，可根据静载荷试验结果取
地面处水平位移为 10 mm（对于水平位移敏感的建筑
物取水平位移 6 mm）所对应的荷载的 75%为单桩水