濕陷性黃土地區灌注樁豎向抗壓浸水試驗研究

梁大偉

我國是世界上黃土分布最廣泛的地區,濕陷性黃土是一種特殊性質的土,由于黃土濕陷變形具有突變性,非連續性和不可逆性,在一定的壓力下,下沉穩定后,受水浸濕,土結構迅速破壞,并產生顯著附加下沉,可能會對工程產生嚴重的危害。了解濕陷性黃土浸水后的變形特性和破壞機理對濕陷性黃土地區的工程設計、施工具有重要的意義。抗壓灌注樁是指通過樁側壁與樁周土的摩擦力和樁端抗力來抵抗豎向荷載的樁。在固結穩定的土層中,樁受荷產生向下的位移,這時樁周土體對樁產生向上的摩阻力,稱為正摩阻力。與此相反,在濕陷性黃土地區,當抗壓灌注樁周圍土體浸水后,樁周土層發生明顯沉降且其沉降超過樁的沉降時,樁周土體則對樁產生向下的摩阻力,稱為負摩阻力。負摩阻力相當于在豎向抗壓樁樁頂原有荷載作用下又對樁身施加豎直向下的壓力,對樁身受力有較大影響,同時,樁周土體的沉降對建筑也有很大不利影響[1]。本文在不同樁長、樁徑條件下,對不同的抗壓灌注樁進行浸水試驗,并在樁身安裝傳感器測定負摩阻力。

1 試驗概況

某工程位于濕陷性黃土地區,根據地勘資料擬建場地上部為非新近堆積黃土,整個場地自西向東濕陷土層厚度逐漸增大,基坑開挖后,局部場地濕陷土層已基本挖除,其余大部分場地為自重Ⅱ,Ⅲ級濕陷性。本次試驗共進行不同樁長、樁徑條件下的多組浸水破壞性試驗,同時配合內力測試,由于施工時間限制,本次試驗未采用預先浸水,而是根據GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范附錄 H,在加載至預估荷載值后,開始對試坑晝夜浸水,并保持一定的水頭高度,靜置一段時間后,繼續進行試驗,并加載至破壞。

2 場地工程地質條件

根據相關單位提供《巖土工程勘察報告》,場地地貌單元屬某河東岸Ⅲ級階地。試樁樁端分別位于第⑤層和第⑦層粉質粘土層;工程樁樁端位于第⑦層粉質粘土層。勘察深度范圍內未見地下水,勘察深度范圍內場地地基土巖性如下:

①-1人工填土。靜力觸探錐尖阻力qc=0.73MPa～1.94MPa,側阻力 fs=25.7 kPa～111.3 kPa。平均厚度 1.83m。

⑥-1粉土(Q3al+pl)。局部夾有粉細砂,稍濕,稍密～中密狀態。中等～高壓縮性。標貫試驗實測平均值 N=34擊～62擊。平均厚度 7.88m,層底標高 766.76m～770.72m。該層地基土承載力特征值為 230 kPa。

⑥-2細中砂。局部夾有礫石、碎石及粉土團塊等,標貫試驗實測平均值 N=28擊～50擊,呈中密～密實狀態。平均厚度 10.68m,該層地基土承載力特征值為 280 kPa。

3 承載力試驗結果

試驗采用慢速維持荷載法逐級加載,試驗結果見表 1。

根據表 1試驗結果,在樁徑為800mm的 5根試驗樁中,試驗樁長在 61.74m～74.50m,平均樁長 67.30m,樁長極差 12.76m,極差為其平均值的 19%。最大的極限承載力為試樁 4的 14000 kN,在 5根樁徑為 800mm的試樁中,樁長僅為 64.07m,小于平均樁長;最小的極限承載力為試樁 4a的 10800 kN,樁長為61.74m;樁長最長的試樁 2,樁長為 74.50m,但其極限承載力僅為 11000 kN,在 5根試樁中樁長僅列第 4位。5根試樁極限承載力平均值為12160 kN,極差為 3200 kN,極差為其平均值的 26%。其極限承載力相差不大,且呈無規律變換,其樁長越長、承載力不一定越高,極限承載力大小與樁長不成正比例關系,在樁長較長時,樁長不是承載力的主要控制因素。

在樁徑為 700mm的 4根試驗樁中,樁長大致分為 2類,試樁5,6的平均樁長為 36.03m,極限承載力平均值為 6375 kN,試樁7,8的平均樁長為 47.13m,極限承載力平均值為 7100 kN。與試樁 5,6相比,試樁 7,8的平均樁長增加 11.1m,為 30.8%,但其承載力僅提高 725 kN,為 11.4%。其樁長與其極限承載力成正比例關系,但不成線性關系。

根據 GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范附錄 H,由于施工工期較緊,選用第H.0.2條第 2種試驗方法,在土的天然濕度下分級加載,加載至預估值后,開始浸水,觀測在恒壓下的附加下沉量,直至穩定,并繼續在浸水條件下加載至極限荷載。試樁2,3a,4,4a均在加載至大于預估特征值并達到穩定后,開始浸水,浸水維持 0.3m高水頭,靜置一段時間后,繼續開始試驗,在原荷載浸水條件下,再次達到穩定,附加沉降量均不大,最小的為0.41mm,最大的為 0.85mm,平均為 0.63 mm。試樁 2,3a,4,4a在浸水荷載作用下,本級總沉降平均值為 3.55mm,平均附加下沉量占本級荷載沉降量的17.7%。

表1 單樁豎向抗壓靜載荷試驗結果

4 內力測試

4.1 測試方法

在試驗樁施工過程中,在樁頂以下 0.5m,以及各土層層底以及樁端埋設傳感器。

在試驗開始前,用 406A讀數儀測讀各傳感器頻率,作為初始數據,以后每級加載穩定后,測讀各傳感器頻率,通過率定系數換算成力,再計算成與鋼筋計斷面處的混凝土應變相等的鋼筋應變量。在數據處理過程中,應將零漂大、變化無規律的測點刪除,求出同一斷面有效測點的應變平均值,并按下式計算樁身軸力:

其中,Qi為樁身第 i斷面處軸力,kN為第 i斷面處應變平均值;Ei為第 i斷面處樁身材料彈性模量,kPa;Ai為第 i斷面處樁身截面面積,m2。

樁頂極限荷載下對應的各斷面軸力值計算樁側土的分層極限摩阻力和極限端阻力分別按下式計算:

其中,qsi為樁第 i斷面與 i+1斷面間側摩阻力,kPa;qp為樁的端阻力,kPa;i為樁檢測斷面序號,i=1,2,3,…,n,并自樁頂以下從小到大排列;u為樁身周長,m;li為第 i斷面與第 i+1斷面之間的樁長,m;Qn為樁端的軸力,kN;A0為樁端面積,m2。

4.2 測試結果

根據對 10根豎向抗壓靜載荷試驗試樁的內力測試結果,依照上述計算方法和數據處理方式,計算出在最大荷載作用下的各層土側阻力及端阻力見表 2。

表2 土層側摩阻力 kPa

負摩阻力的產生和發展要經歷一段時間,其長短取決于樁側土濕陷完成的時間和樁自身沉降完成的時間[2]。濕陷土層越厚、滲透性越低,負摩阻力離穩定的時間越長。根據一般工程經驗,負摩阻力的發揮是一個逐漸變化的過程,在浸水過程中呈遞增,當達到一定峰值后,負摩阻力又逐漸減小,整個試驗測試過程中,其實是正摩阻力和負摩阻力動態變化的過程。

根據表2測試結果,在最大荷載作用下,各試樁均測出負摩阻力,最小值為試樁 5的 -9.2 kPa,最大值為試樁 3a的 -48.2 kPa,極差為 39.0 kPa,平均值為 -22.48 kPa。測試數據較離散,考慮主要是由于各試樁所處位置濕陷性土層厚度不均勻,在浸水過程中,水頭高度保持一致,浸水后靜置時間大致相同,導致在濕陷性土層較厚的試樁周圍土層浸水未達到飽和,負摩阻力未達到充分發揮,而在濕陷性土層較薄的試樁周圍土層浸水達到飽和,可能浸水還滲透至濕陷性土層下部的粉土層,影響粉土層正摩阻力的發揮。同時由于采用鋼筋計進行內力測試,測試元件和測試手段精度也存在一定誤差,故與傳統的經驗值相比較,所測試數據較大。

4.3 減少負摩阻力的措施

由于負摩阻力的發揮其實相當于對樁基施加了附加的下曳荷載,對樁基有一定影響,故應采取有效措施減少負摩阻力的影響,一般包括預防措施和成樁措施。

4.3.1 預防措施

1)提高防水設計標準,施工及使用過程中做好防水、排水措施,以免水滲入地基。

2)減少建筑物不均勻沉降,使結構適應地基變形,建筑平面布置力求簡單,建筑上部采取有效結構措施調整結構整體剛度。

4.3.2 成樁措施

1)在濕陷性土層內插入比鉆孔直徑小 5 cm～10 cm的預制混凝土樁段,預制樁段外圍充填稠度較高的膨潤土泥漿形成隔離層。泥漿護壁成孔的情況下,可在澆筑完下段混凝土后,填入高稠度膨潤土泥漿,然后插入預制混凝土樁段。

2)干作業成樁條件下,可采用雙層筒形塑料薄膜預先置于鉆孔沉降土層范圍內,然后在其中澆筑混凝土,使塑料薄膜在樁身與孔壁之間形成可自由滑動的隔離層[2]。

5 結語

1)在樁徑不變條件下,樁長達到一定長度后,增加樁長并不能有效的提高承載力,單樁極限承載力的發揮不一定與樁長成正比關系,可能還受到樁身強度、局部缺陷位置、周圍土層等情況影響。

2)在濕陷性黃土地區的浸水靜載荷試驗中,當采用規范建議的第二種方法進行浸水靜載荷試驗,其產生的附加沉降量并不大,濕陷性黃土不一定達到完全飽和狀態。

3)實驗中的浸水過程要結合場地的濕陷性土層厚度不均引起的土層濕陷性完成情況而確定。負摩阻力的發揮過程是樁體的沉降過程與樁周圍土體的下沉過程的相對動態變化過程,受兩方面因素的制約,一般很難確定其是否達到充分發揮。

4)對于在濕陷性黃土地區的建筑,在設計、施工和使用過程中,應采取有效措施,防止由于基礎浸水濕陷下沉對建筑物整體穩定性的影響和負摩阻力的發揮對建筑樁基工程的影響。

[1]劉金礪.樁基礎設計與計算[M].北京:中國建筑工業出版社,1990.

[2]許日雄.濕陷性黃土地區樁基的負摩阻力計算[J].山西建筑,2005,31(15):95-96.