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基桩横向静载试验

进行基桩的横向静载试验的目的是通过试验确定试桩的横向承载能力、推求桩周土的横向地基系数，以确定实际工程桩在水平荷载作用下的受力特性。因为试验桩一般设置为竖直方向，施加的荷载便成为水平，故也称为水平荷载试验或水平推力试验。通过试验一般可以获得下列成果：
（1）确定试桩的承载能力。检验和确定试桩的承载能力是试验的主要目的之一。试桩的承载力可直接由试验施加的荷载和其作用点的位移的关系曲线来判断，也可根据实测的桩身应变来判定。
（2）确定试桩在各级荷载作用下的弯矩分布规律。桩身弯矩是判断和检验桩身强度的依据，同时也是推求地基不同深度处地基系数的依据。因此要求通过试验能尽量精确求得试桩在各级荷载作用下的弯矩分布图。一般来讲试桩的条件（如桩顶约束、自由长度、抗弯刚度等）很难和工程桩的情况完全保持一致，所以要确定工程桩在水平荷载作用下的受力特性，必须把试桩成果进行转化，而利用试桩求得的地基反力系数是实现这种转化的关键。
（3）弹性地基系数的确定。目前国内常用弹性地基系数法来近似确定水平荷载作用下桩的受力特性，最常用的方法有张法、C法、m法、K法等。它们各自假定了地基反力系数沿深度的不同分布图式，因此都有一定的适用范围。通过试验能选择一种比较符合实际的计算图式及相应的地基系数，以供设计使用。
（4）推求实际地基反力系数。实际地基反力系数沿深度的分布图式是比较复杂的，且随侧向位移的变化是非线性的。弹性地基系数法虽然使用比较方便，但误差较大，其值往往受到不同试验条件的影响，取值困难。因此，最好的方法是通过试验直接获得地基不同深度处的土抗力和侧向位移之间的关系，并用它来分析工程桩在水平荷载作用下的受力特性。
总之，进行桩的横向静载试验的目的之一是确定试验区域的地基，特别是浅层地基的力学性能，因此试验场地必须具有代表性，尤其是试桩区的浅层地基必须能代表实际工程的情况。
一. 试验设备与方法
（一）试验设备
试验设备应根据现场的具体条件灵活采用，其原则是合理、安全、简便。它通常包括加载系统、反力系统和基准系统三个部分。图6-19示出了常用的单循环加载方式和往复式多循环加载方式的现场试验设备布置。图6-20是某现场试验的方案设计，该方案按照相应规范的要求设置了较长的传力柱。

图6-20 横向静载试验设备布置示意图
1．加载系统
试桩时一般都采用卧式千斤顶加载，用测力环或测力传感器测定施加的荷载值，或采用联于千斤顶的标准压力表测定油压，根据千斤顶率定曲线换算施加的荷载。对往复式循环试验可采用双向往复式油压千斤顶。水平荷载试验，特别是悬臂较长的试桩，其作用点的位移较大，所以要求千斤顶有较大的行程。在试桩时，为防止力作用点处产生局部挤压破坏，须用钢垫块进行局部补强。
2．反力系统
反力系统的选用应充分利用试桩周围的现有条件，但必须满足其承载能力应大于最大预估荷载的1.2~1.5倍，其作用力方向上的刚度不应小于试桩本身的刚度。最常用的方法是利用试桩周围的工程桩或竖向静载试验用的锚桩作为反力墩。可根据需要把二根甚至四根桩连成整体作为反力墩，有条件时也可利用周围现有结构物作反力座，必要时可浇筑专门的支墩作为反力架。
3．基准系统
设置基准系统是为了量测桩在力作用点处的截面位移和转角，在陆上试桩时可用人土1.5m以上的钢纤或型钢作为基准桩。在港口码头设置基准桩时，因为水深较大，可采用专门设置的桩作基准桩。同组试桩的基准桩一般不少于2个。搁置在基准桩上的基准梁要有一定的刚度，以减少晃动。整个基准系统应保持相对独立。为减少温度对量测的影响，基准梁应采取简支形式，并应能避免日光直晒。
无论基准系统还是反力系统均应设置在试桩的影响范围之外。试桩的影响范围可参考图6-21，同时应注意遵循相关规范的规定。

a） 单循环（单向）加载时 b） 多循环加载时
图6-21 水平试桩的影响范围
（二）试验方法
对于试验桩，目前国内、外大多采用桩顶自由的形式。为了模拟实际工程桩的受力状态，也可采用桩顶固结的形式。但这种方法比较复杂，受力状态也不容易控制，同时还受到其它条件的限制，故试验条件很难达到理想的状态。因此采用桩顶自由的形式是比较现实和合理的方法。对不同的约束形式，可由桩顶自由状态下试桩得到的地基反力系数推算求得。
1．加载方法
试验证明，荷载稳定时间、循环形式、周期、加荷速率等因素直接影响到桩的承载力。在实际结构物中，工程桩所受到的水平荷载形式十分复杂。为了模拟实际荷载的形式，国内外出现了众多加载方法，仅美国规范（ASTM D3966-81，1980）规定可选用的加载方法就有八种之多。国内各相关规范采用的方法也很不统一。总的说来，可分为单循环连续加载法和多循环加载法两大类。
上海市标准《地基基础设计规范》DBJ-08-11-89规定试验采用单循环连续加载法。每级荷载加载量为预估最大荷载的1/10，每级卸载量为加载量的二倍。加载每级维持20min，卸载每级维持10min，都是间隔5min测读一次。卸到零荷载时维持30min，间隔10min测读一次。此方法和‘ASTM’同类加载方法相类似，并更简单、明了。也有少数部门采用类似于垂直荷载的慢速加载试验方法，其方法可参考垂直承载力试验方法。
我国行业标准《工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程》JGJ4-80和《天津市建筑地基基础设计规范》JBJ l-88还推荐了一种多循环加载方法，规定每级荷载加载量为预估最大荷载的1/10~1/15，先加载到规定荷载，稳定4min后测读，再卸载到零，停2min后测读，此为一循环，每级荷载循环5次，便进入下一级荷载，一直到桩发生破坏，或达到预定荷载为止。
采用多循环加载方法是为了模拟实际结构物的受力形式，但由于实际荷载的情况异常复杂，很难达到预期目的。此外循环荷载的施加给位移特别是内力的测试带来许多不稳定因素，大大影响测试精度。因此目前最为大家所接受的方法是单循环连续加载法。至于循环次数多少和荷载稳定时间长短的影响，可通过专门的对比试验来推求。图6-22是日本进行的单循环和多循环对比试验成果。图6-23是我国三航局科研所进行的力作用点处的位移随时间变化的情况。从这两个试验实例中可看出位移随荷载的稳定时间及循环次数增加而增加，地基系数则随之而减小。由于循环次数和稳定时间对位移和地基系数的影响是非常复杂的，荷载水平及地基性质的差异都会影响到它们的关系，因此，此规律仅供分析研究时参考。
图6-22 地面位移与荷载循环次数的关系 图6-23 地面位移随稳定时间的变化
2．量测方法
（1）水平位移的量测
位移量测一般使用电测位移计，它具有量测较大水平位移的特点，且能与数据自动采集装置连机使用。有时也可使用百分表量测位移。量测时，将位移计用磁性表座固定在基准架上。在施力点、施力点上方一米及地面附近（尽量接近地面）的桩截面两侧共安置六只位移计，可分别取其平均值求得这三个截面在水平力作用下的位移。
（2）桩身截面弯矩的量测
弯矩不能直接通过量测得到，它要借助于量测得到的桩身应变来推算求得，故试验得到的弯矩实质上是推算弯矩。根据大量试验证明，钢筋表面粘贴电阻应变片制成应变计来量测预制桩和灌注桩桩身应变效果较好。有时也采用钢弦式钢筋计或差动式钢筋计，其稳定性较好，但灵敏度较差，适合于长期观测试验。钢桩可直接把电阻片粘贴在桩表面，为防止打桩时引起应变片和导线的损坏，必须把它们设置在保护槽内。保护槽要尽量做到密封、不透水，应变片表面要采取严格的防潮措施。对闭口钢管桩，也可把桩剖开，把应变片粘贴在内壁，再焊接起来。此法可省去保护槽，但应变片表面仍需经过严格的防潮处理。为量测和弯矩有关的弯曲应变，各测试截面测点应成对布置在远离中性轴的地方。在地面下10~15倍桩径的主要受力部份必须加密测试截面，截面间距一般不超过1~1.5倍桩径。大于此深度，间距可适当加大。另外必须严格注意贴片工艺，保证各测点的质量和成活率。由实测桩身应变推算弯矩的方法请参考相关书籍。
（3）桩挠曲变形量测
量测桩的挠曲变形，可在桩内预埋测斜管，用测斜仪量测不同深度处桩截面倾角，利用桩顶实测水平位移值，即可推出桩在各级水平荷载作用下的挠曲线。对长桩来说，在横向荷载作用下桩端的转角和位移可看作为零，即可利用该边界条件及实测各截面倾角自下而上地求得桩的挠曲变形，而桩顶实测水平位移可供校核使用。一般情况下，由于测斜管埋设难度大，系统误差也大，因而将会引起较大的量测误差。较好的方法是利用应变片测得的各截面的弯曲应变推算桩轴线的挠曲变形。因为各测试截面成对布置的应变计，实质上就是一个固定式的微形测斜仪。由弯曲应变推算桩的挠曲变形精度较高，具体方法可参阅相关书籍。
（4）桩侧土抗力的测量
桩侧土抗力的大小直接反映了横向地基系数的大小和形式。最直接的测定方法是在桩侧壁埋设土压力盒。但由于桩侧土压力的分布比较复杂，同时影响土压力量测值的因素很多，实际上很难能测出实际土抗力的大小和分布规律。比较有效的方法是根据桩身弯矩的两次微分来推求桩周的土抗力。
此外在试验过程中，要随时观测记录地表面变形和桩身裂缝的开展情况。
二. 试验成果的整理分析
1．绘制水平荷载与力作用点位移关系曲线
绘制该图时，对单循环连续加载法试验，其荷载作用点的位移可取荷载稳定时间内的最后一次读数。对多循环加载可取各级荷载作用下最后一次循环的位移值，有了该曲线即可判断该桩的承载力。中、长桩在水平荷载作用下，随着荷载增加，桩前土体开始出现塑性区，并不断向前、向深度方向扩展，一直到桩身破坏为止，因此其承载力主要取决于桩本身的材料强度。
2．绘制在各级荷载作用下弯矩图
从实测应变推求弯矩的方法（略）。
3．确定试桩的特征荷载与极限承载力
（1）临界荷载
混凝土桩（包括预制桩和灌注桩）的最大弯矩截面的受拉区开始出现微小裂纹时的状态称为临界状态，所对应的荷载为临界荷载，在力和位移（H-YH）关系曲线上，该级荷载引起的位移增量将比上级有明显增加，如图6-24所示；如绘制在双对数坐标系中，lgH-lgYH图上将出现第一个折线交点，如图6-25所示。该图是上海某工程的试验曲线，相应的临界荷载为96kN。
（2）极限荷载
当混凝土桩的最大弯矩截面的受拉区混凝土全部退出工作，钢筋发生屈服时，或钢桩该截面最大应力达到屈服应力时，相应的状态称为极限状态。对应的水平荷载称为极限荷载。在H-YH曲线上该荷载作用下的位移急剧增加，并出现明显转折点。在lgH-lgYH图中将出现第二个折线交点。上例中的极限荷载为144kN。对钢桩则仅出现对应于极限荷载的第二个转折点。国内有些部门考虑到上部建筑物不允许产生较大位移。对这类试桩可根据各部门相应规范规定的允许地面位移来确定其承载力，并和桩身强度确定的承载力相比较，取其小值为该桩的极限承载力。由于试桩和实际工程桩的桩顶约束、自由长度等很难完全保持一致，所以试验得到的承载力仅代表试桩的承载力。
三. 《建筑桩基技术规范》JGJ 94-94关于测试工作的规定
为便于学习和比较，现将《建筑桩基技术规范》JGJ 94-94附录E的条文列出于下：
图E-1 水平静载试验装置
E.0.1 试验目的：采用接近于水平受力桩的实际工作条件的试验方法确定单桩的水平承载力和地基土的水平抗力系数或对工程桩的水平承载力进行检验和评价；当埋设有桩身应力测量元件时，可测定出桩身应力变化，并由此求得桩身弯矩分布。
E.0.2 试验设备与仪表装置（图E-1）
E.0.2.1 采用千斤顶施加水平力，水平力作用线应通过地面标高处（地面标高应与实际工程桩基承台底面标高一致）。在千斤顶与试桩接触处宜安置一球形铰座，以保证千斤顶作用力能水平通过桩身轴线；

图6-25 lgH-lgYH曲线
E.0.2.2 桩的水平位移宜采用大量程百分表测量。每一试桩在力的作用水平面上和在该平面以上50cm左右各安装一或二只百分表（下表测量桩身在地面处的水平位移，上表测量桩顶水平位移，根据两表位移差与两表距离的比值求得地面以上桩身的转角）。如果桩身露出地面较短，可只在力的作用水平面上安装百分表测量水平位移；
E.0.2.3 固定百分表的基准桩宜打设在试桩侧面靠位移的反方向，与试桩的净距不少于1倍试桩直径。
E.0.3 试验加载方法：宜采用单向多循环加卸载法，对于个别受长期水平荷载的桩基也可采用慢速维持加载法（稳定标准可参照竖向静载试验）进行试验。
E.0.4 多循环加卸载试验法，按下列规定进行加卸载和位移观测：
E.0.4.1 荷载分级：取预估水平极限承载力的1/10~1/15作为每级荷载的加载增量。根据桩径大小并适当考虑土层软硬，对于直径300~1000mm的桩，每级荷载增量可取2.5~20kN；
E.0.4.2 加载程序与位移观测：每级荷载施加后，恒载4min测读水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次便完成一级荷载的试验观测。加载时间应尽量缩短，测量位移的间隔时间应严格准确，试验不得中途停歇；
E.0.4.3 终止试验的条件：当桩身折断或水平位移超过30~40mm（软土取40mm）时，可终止试验。
E.0.5 单桩水平静载试验报告内容及资料整理
E.0.5.1 单桩水平静载试验概况：整理成表格形式（宜按表C-2）（略）。对成桩和试验过程发生的异常现象应作补充说明；
E.0.5.2 单桩水平静载试验记录表（宜按表E-1）（略）。
E.0.5.3 绘制有关试验成果曲线：一般应绘制水平力-时间-位移（H0-t-x0）、水平力-位移梯度（H0-）或水平力-位移双对数（lgH0-lgx0）曲线，当测量桩身应力时，尚应绘制应力沿桩身分布和水平力-最大弯矩截面钢筋应力（H0-σg）等曲线。
E.0.6 单桩水平临界荷载（桩身受拉区混凝土明显退出工作前的最大荷载）按下列方法综合确定：
E.0.6.1 取H0-t-x0曲线出现突变（相同荷载增量的条件下，出现比前一级明显增大的位移增量）点的前一级荷载为水平临界荷载（图E-2a）；
E.0.6.2 取H0-曲线第一直线段的终点（图E-2b）或lgH0-lgx0曲线拐点所对应的荷载为水平临界荷载；
E.0.6.3 当有钢筋应力测试数据时，取H0-σg第一突变点对应的荷载为水平临界荷载（图E-2c）。
E.0.7 单桩水平极限荷载可根据下列方法综合确定：
E.0.7.1 取H0-t-x0曲线明显陡降的前一级荷载为极限荷载（附图E-2a）；
E.0.7.2 取H0-曲线第二直线段的终点对应的荷载为极限荷载（图E-2b）；
E.0.7.3 取桩身折断或钢筋应力达到流限的前一级荷载为极限荷载。
有条件时，可模拟实际荷载情况、进行桩顶同时施加轴向压力的水平静载试验。
E.0.8 地基土水平抗力系数的比例系数m可根据试验结果按下列公式确定：

图E-2 单桩水平静载试验成果曲线
（E-1）
式中 m——地基土水平抗力系数的比例系数（MN/m4），该数值为地面以下2（d+1）m深度范围内各土层的综合值；
Hcr——单桩水平临界荷载，kN；
xcr——单桩水平临界荷载对应的位移；
vx——桩顶位移系数，可按（该规范）表5.4.2采用（先假定m，试算α）；
b0——桩身计算宽度，m，按（该规范）第5.4.5条计算确定。