桩顶与承台两种连接方式下的桩基水平承载力试验研究（建筑）

李晓勇，高文生，刘金砺

（中国建筑科学研究院，北京100013）

 [摘要]目前国内基桩与承台的连接方式是将桩顶嵌入承台50mm~ 100mm，再将锚筋插入承台一定深度，这是一种偏刚性的连接方式，地震过程中在桩．土，上部结构相互作用下，桩与承台连接部位会产生较大的负弯矩。1995年阪神大地震之后，日本有关学者提出了一种桩与承台的简易连接方式-F．T．Pile构造法（本文称之为臼式连接法），这是一种接近活性的连接方式。本次试验设计了4组试验桩，均是两桩承台，前两组桩与承台连接部位采用臼式连接法，后两组连接部位采用嵌入式连接法，通过现场足尺对比试验研究，发现臼式连接法可以有效降低桩顶负弯矩甚至消除桩顶负弯矩，但同时会增大桩身正弯矩及桩身位移，降低基桩水平承载力。

[关键词]F．T．Pile构造法；刚性连接；半刚性连接；水平承载力；桩身弯矩；桩身位移

[中图分类号]TU473.1⁺1  

0  引言

    桩与承台连接方式分为能传递全部弯矩的刚性连接和能传递部分弯矩的半刚性连接。目前国内基桩与承台的连接方式是将桩顶嵌入承台50mm~100mm，再将锚筋插入承台一定深度，这是一种偏刚性的连接方式，本文称之为嵌入式连接法。1978年日本宫城地震和1995年阪神地震的震害调查发现采用刚性连接的桩与承台连接部位发生大量的破坏。1995年后日本展开了大量桩与承台半刚性连接的模型试验研究工作，而国内还没有相关的报道。在半刚性连接方法中，日本应用较为广泛的是F．T．Pile构造法，本文称臼式连接法。该方法是将桩顶嵌入承台50mm~100mm，但二者之间无锚固钢筋连接，而是在桩顶设置一个上窄下宽的锥形桩帽（用厚度为1. 2mm~3.2mm的钢板制成），使插入承台的桩外围与承台界面之间形成锥形缝隙，降低桩头固定度，提高桩在承台中的转动能力。

    嵌入式连接法和臼式连接法这两种连接方式下基桩的桩顶弯矩、桩身弯矩、桩身位移究竟如何分布，通过对比试验进行测试检验。

1试验概况

1.1  试验场地条件

    试验场地位于天津市汉沽区茶淀镇，场地地层剖面图见图1，土层物理力学参数见表1。钻孔取样试验结果表明，地层水平向分布尚属均匀，垂直向成层明显，水平地面下0. 5m左右见有地下水。

1.2试验内容与构件施工制作

    本次试验设计了4组群桩，每组试件均为两桩承台，共8根桩，桩型为PHC-600-AB-110型管桩，桩长为15m，桩间距分为3倍桩径、6倍桩径，试验桩设计见表2。承台的配筋是将桩的竖向承载力特征值作为竖向压力进行设计，混凝土强度等级为C40。

    1)臼式连接法

    臼式连接法连接节点构造详情见图2。该方法既适用于灌注桩，也适用于各种预制桩。

    施工流程：场地平整压桩桩头平面的确认桩顶安装锥形桩帽，用螺栓固定于桩端板浇混凝土垫层绑扎承台钢筋撤掉螺栓浇筑承台混凝土。锥形桩帽是用厚度为1. 6mm的热轧钢板制成，角度为1/10rad。

    施工过程中须注意两点：①桩帽和管桩端板之间不允许有缝隙，管桩端板表面要平整，确保桩帽紧紧扣在桩头端板上；②为了不让垫层混凝土流人桩帽内部，要确保桩帽的下端低于垫层底部20mm以上。

2)嵌入式连接法    嵌入式连接法：桩顶嵌入承台60mm，管桩填芯1. 8m（3倍桩径），锚固钢筋直接焊接在桩头的端板上，锚固长度为35倍的锚筋直径，锚固角度为75⁰根据《管桩标准图集》( 10G409)锚筋选用620，悬挂托盘钢筋采用38，拖板采用5mm厚钢板制成，连接节点构造图见图3。

1.3试验加载方法

    试验采取单向多循环加载法，取预估水平极限承载力的1/10分级加载（为了准确测得临界荷载，局部调小荷载分级），每级荷载施加后，恒载4min读取加载点水平位移及桩身应变，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移及桩身应变，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次，最后一次再进行桩身测斜，读取桩身位移。

1.4试验反力装置

    试验利用三圈同心环梁为试验桩提供反力，试验桩及反力梁现场布置如图4所示，其中反力梁与试验桩之间的净距及承台之间的净距均大于3.5倍桩径，满足相关规范的要求。

    试验采用液压千斤顶进行加载，千斤顶行程可达1000mm，最大作用力为1000kN。试验加载装置如图5所示，左侧荷载板加载中心距承台底部60mm。

    采用臼式连接法的试验桩是靠桩帽与承台界面之间的摩擦力传递荷载，本次试验承台上部没有竖向荷载，二者之间的摩擦力较小，且桩帽采用薄钢板制成，所以荷载较大的时候可能会导致桩帽右侧（沿加载方向的后侧）薄壁变形，对试验结果有一定的影响。因为实际工程中，承台顶部有上部结构传递的竖向荷载，桩帽与承台界面之间的摩擦力较大，所以试验加载到大荷载阶段时，试验桩荷载的传递机理与实际工程有差距。试验现场观测，加载到极限荷载时才能听到桩帽变形的声音。

1.5测试内容及测试手段

    试验数据的记录与采集，主要包含以下几方面：

    ①桩身位移。在管桩内壁粘贴12. 0m长测斜管，由于管桩内壁沿加载方向布满传感器导线，所以测斜管只能粘贴在与加载方向成900角的方向，一对导槽平行于加载方向。待每级荷载最后一个循环的加载阶段稳定后，用测斜仪进行测试。

    ②加载点荷载及位移。在加载点及左右100mm处各布设一个位移传感器测加载点位移，千斤顶出顶端安装力传感器测试实际荷载值。

    ③桩身应变。ST-1-3d、ST-2-6d沿桩身在受拉侧埋设FBG光纤光栅传感器及100mm长混凝土电阻片，另一侧在管桩成型过程中在桩身内部预埋宽20mm、高10mm、厚2mm的钢槽，在钢槽内粘贴钢筋应变片；ST-3-3d、ST-4.6d在桩身内部预埋宽20mm、高10mm、厚2mm的钢槽，在钢槽内粘贴钢筋应变片，利用光栅解调仪及静态电阻应变仪对应变值进行采集。传感器布置详图见图6。本文为了使试验数据具有统一性，均选取电阻片传感器所采集的数据进行分析。

2  试验数据处理及分析

    本文将从试验桩在两种不同的连接方式下，单桩水平承载力、桩顶及桩身弯矩分布规律、桩身位移分布情况三方面来说明研究内容。

2.1  单桩水平承载力分析

    本文根据荷载．时间一位移曲线、荷载-位移梯度曲线确定出一个总临界荷载Q _{c r}和总极限荷载Q _u（图7～图10，位移值为位移计采集），分别减去承台底部摩阻力( 40kN)再除以2分别得到单桩水平承载力临界值H _{c r}和极限值H _u，具体计算结果见表3。

    由表3可知，采用臼式连接法的试组1单桩水平承载力临界值和极限值均小于采用试组2的单桩承载力临界值和极限值。这是由于试组1桩顶的锥形空隙导致桩头在加载的时候可以发生一定的转动，导致在同样的荷载下，前者桩顶位移比后者大，承载力就会降低，但是降低幅度较小。

2.2桩顶弯矩、桩身弯矩分析对比

    本次试验结束后，将试验桩开挖检查桩身裂缝及破坏特征，结果表明，水平加载条件下，管桩桩头并未剪坏，破坏形式为桩身受弯破坏。以下对比相同荷载下，两组试件桩顶弯矩、桩身弯矩的分布情况。试验桩桩身弯矩分布图见图11，数值见表4。

    桩顶弯矩：试组ST-1.3d（臼式）前侧桩桩顶有负弯矩，但其绝对值与桩身最大弯矩值相比数值很小，ST-1-3d-后侧桩桩顶没有负弯矩；试组ST-2-3d（嵌入式）前、后两根桩桩顶均有较大负弯矩值。这说明采用臼式连接法可以增强桩顶的回转性能，较大程度地减小桩顶负弯矩甚至消除桩顶负弯矩，减少对桩头的损坏。

    桩身弯矩分布规律：试组ST-1-3d（臼式）试验桩桩身弯矩分布符合桩顶自由状态下弹性桩桩身弯矩分布规律，而试组ST-2-3d（嵌入式）桩身分布规律符合桩顶固结状态下弹性桩桩身分布规律。试组ST-1-3d（臼式）试验桩桩身弯矩大于ST-2-3d-前、后（嵌入式）两根桩的桩身弯矩值（图11）。当荷载为120kN时，两组试件前侧桩桩身弯矩最大值之比为1. 27，后侧桩二者比值为1.51；当荷载为140kN时，两组试件前侧桩桩身弯矩最大值之比为1. 47，后侧桩二者比值为1.55。这说明桩与承台连接部位采用臼式连接法在减小桩顶弯矩时会增大桩身的弯矩。

    同时发现，两组连接方式下桩身最大弯矩值的位置都随着荷载的加大会发生下移，这是由于加载过程中上部土体逐渐屈服破坏，荷载逐渐转由下部土体承担；同级荷载下二者前侧桩桩身弯矩均大于后侧桩的桩身弯矩，说明加载时前桩所受土抗力大于后桩，这是因为后桩受前桩土体变形影响，土抗力降低。

2.3桩身位移分析对比

各基桩的桩身水平位移分布情况见图12。

    试验结果表明，试组ST-1-3d（臼式）前、后两根桩的桩身水平位移均大于ST-2-3d（嵌入式）前、后两根桩的水平位移，当荷载为120kN时，两组试件前侧桩桩顶位移之比为1. 63，后侧桩二者比值为1.10；当荷载为180kN时，两组试件前侧桩桩顶位移之比为1.83，后侧桩二者之比为1.70；当荷载为220kN时，两组试件前侧桩桩顶位移之比为2.86，后侧桩二者之比为2. 94，说明随着荷载的增大，二者的位移差值越大。这是试组ST-1-3d（臼式）桩与承台之间的锥形缝隙增加了桩头的回转性能，导致桩身位移增大。    

同时对比两组试件各自前后桩桩身位移，发现后侧桩桩身位移均大于前侧桩桩身位移，说明加载时前侧桩所受土抗力大于后侧桩，后桩受前桩变形影响，土抗力降低，位移增大。

3  结论

    将两种连接方式下的基桩承载力、桩顶及桩身弯矩、桩身位移进行对比，得出以下结论：

    1)采用臼式连接法的试验桩水平承载力临界值和极限值都会降低，但降低幅度较小。

    2)臼式连接法可以有效减小桩顶负弯矩值甚至消除桩顶负弯矩，但同时会增大桩身正弯矩值；在极限荷载作用下，采用臼式连接法的试验桩桩身最大弯矩值约为采用嵌入式连接法试验桩桩身最大弯矩值的1.5倍。

    3)采用臼式连接法连接的试验桩桩身位移会增大，加载到极限荷载时，采用臼式连接法的试验桩桩顶位移可达到嵌入式连接法的2~3倍。