硅藻土層水平抗力系數的比例系數m試驗研究

康銀庚, 高 磊, 羅 易, 高明軍, 王 權

(1.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024)

近年來，隨著中國高鐵建設的迅猛發展，難以避免地遇到一些特殊的、復雜的地質情況，特殊巖土的物理力學特性及其對工程建設的影響必須得到重視。硅藻土是一種含有較多有機質的特殊土，具有孔隙大、密度小、結構松散、抗剪強度較低和壓縮性較高等特點；硅藻土的成分復雜，通常含黏土礦物、碳質、鐵質、碳酸鹽等礦物，遇水容易軟化，力學性質急劇下降，呈軟塑狀態，工程性質較差[1]?，F有的巖土工程技術標準、規程規范以及研究文獻等涉及硅藻土方面的很少。

硅藻土作為地基土，其水平抗力系數的比例系數m在橋梁樁基設計時是一個必不可少的參數，然而地基水平抗力系數的比例系數m的確定是工程界的一大難題。夏云金和吳向濤[2]針對城市軌道交通工程中的地基土提出了水平抗力系數m取值的幾種方法；樓曉明等[3]基于p-y曲線，結合p-y曲線法與m法，確定了飽和黏性土的比例系數；范秋雁等[4]通過收集廣西南寧盆地泥巖抗滑樁的現場水平靜載試驗資料，反算出了泥質軟巖的水平抗力系數的比例系數m；鐘鳴等[5]采用位移反分析法，推導出計算函數，求得了水平受力樁的比例系數m；黃曉亮等[6]通過對組合樁的水平承載力載荷試驗和計算分析，得出了組合樁地基土水平抗力系數的比例系數m的計算方法；賈慶山[7]根據不同類型的抗滑樁編制了地基水平抗力系數的比例系數m表。目前中外關于硅藻土比例系數m的研究幾乎未見報道，在現有研究基礎上開展硅藻土橋梁樁基現場水平靜載試驗，進行水平抗力系數的比例系數m研究，對于工程設計與應用具有重要的指導意義。

現依托杭紹臺高鐵項目，通過對硅藻土層的3根灌注樁進行水平靜載荷試驗，得到樁側地基土水平抗力系數的比例系數m，進而根據試驗路段的勘察資料和單樁水平靜載試驗結果，對白色、蘭色和黑色三類硅藻土的比例系數m進行推定，以期為橋梁樁基的設計計算提供取值參考。

1 硅藻土層灌注樁現場水平靜載試驗

1.1 工程概況

試驗依托工程位于浙江省紹興市嵊州市，擬建上碑山特大橋與若水特大橋為高速鐵路橋梁，基礎采用樁基礎。試驗共分A、B、C三組樁，其中A組位于上碑山特大橋3-4號墩間，試樁編號AS5，B組位于若水特大橋26-27號墩間，試樁編號BS1，C組位于上碑山特大橋1號墩間，試樁編號CS1。三根試驗樁主要設計參數見表1。

表1 單樁水平靜載試驗參數表

1.2 水平靜載現場試驗

水平靜載試驗加荷與位移量測系統主要采用RS-JYC樁基靜載荷測試分析儀以及100 t、320 t液壓千斤頂，試驗裝置如圖1所示。

為了模擬實際樁基的受力形式，試驗采用目前較為廣泛使用的單向多循環水平加載法。設計容許水平承載力為864 kN。首先試驗的AS5樁按86 kN分級加載，后續試驗的BS1、CS1樁按50 kN分級加載以提高測試精度。每級荷載施加后，恒載4 min測讀水平位移，然后卸載至零，停2 min測讀殘余水平位移，至此完成一次加卸載循環，如此循環5次便完成一級荷載的試驗觀測；當加載至水平位移量超過30～40 mm時，終止試驗；試驗現場如圖2所示。

圖1 單樁水平靜載試驗裝置示意圖

圖2 現場加載

試驗結果中水平力用變量H表示，時間用變量t表示，位移用變量Y0表示，位移梯度用變量式ΔY0/ΔH表示，最終單樁水平臨界承載力Hcr按下列兩種方法確定：①取水平力-時間-位移(H-t-Y0)曲線出現拐點的前一級水平荷載值；②取水平力-位移梯度(H-ΔY0/ΔH)曲線第一個拐點對應的水平荷載值。單樁水平極限承載力Hu按下列兩種方法確定：①取水平力-時間-位移(H-t-Y0)曲線出現明顯陡降的前一級水平荷載值；②取水平力-位移梯度(H-ΔY0/ΔH)曲線上第二拐點(第二直線段的終點)對應的水平荷載值。

1.3 試驗結果

A組和C組試樁試驗時，天氣情況多以小雨、中雨天氣為主，導致淺層土體濕潤；B組試樁試驗時多以晴到多云天氣為主，淺層土體較為干燥。3根單樁水平靜載試驗結果匯總如表2所示，單樁H-t-Y0、H-ΔY0/ΔH關系曲線如圖3所示。

表2 單樁水平靜載試驗結果匯總表

圖3 單樁H-t-Y0、H-ΔY0/ΔH關系曲線

2 地基土水平抗力系數的比例系數m計算

當樁頂自由且水平力作用位置位于地面處時，m可按下列公式確定：

(1)

(2)

式中：vy為樁頂位移系數；H為水平力；b0為樁身計算寬度；Y0為位移；α為樁的水平變形系數；EI為抗彎剛度。

同時繪制三根試樁的水平力、水平力作用點水平位移-地基土水平抗力系數的比例系數的關系曲線(H-m、Y0-m)，如圖4所示。

分別按樁頂水平位移6 mm(鐵路橋涵地基與基礎設計規范》(TB10093—2017)，要求結構在地面處水平位移不超過6 mm)和水平承載力特征值(按樁身強度控制時，水平臨界荷載值Hcr為水平承載力特征值)兩種方法計算綜合比例系數(m)見表4。

3 硅藻土層比例系數m的推求計算

上述比例系數m根據單樁水平靜載試驗的荷載-位移曲線推求得到的，是一個反映樁長范圍內地基土層水平抗力的綜合值，與水平臨界荷載相對應。m是一個反映樁土水平相互作用的綜合因素值，對于同一根樁并非定值，不僅與地基土有關，而且與樁基的長度、剛度以及荷載條件等均有重要的相關性。m與荷載呈非線性關系，低荷載水平下，m較高；隨荷載增加，樁側土的塑性區逐漸擴展而降低。因此，m取值與實際荷載、允許位移相適應。

表3 不同試樁m的計算結果

圖4 不同試樁測試結果

表4 綜合比例系數m

土的比例系數m確定在工程界和學術界都是一個難題，目前尚無一致公認成熟的方法，研究資料甚少?，F有規范[8-10]給出了缺乏試驗實測值時依據土層類別、潮濕、密實和軟硬狀態而確定m范圍，文獻[11]給出了依據土的黏聚力c和內摩擦角φ來計算m的經驗公式?，F依據勘察報告試驗數據、單樁水平靜載試驗結果和相關規范提供的方法，對三類硅藻土的m進行計算分析。

3.1 三類硅藻土黏聚力c和內摩擦角φ的統計值

硅藻土剪切試驗指標統計如表5所示。由表5可知，白色硅藻土黏聚力c為12.2～87.0 kPa，平均值為49.67 kPa；黑色硅藻土黏聚力c為25.0～59.74 kPa，平均值為52.44 kPa；蘭色硅藻土黏聚力c為15.0～136.17 kPa，平均值為88.96 kPa。按黏聚力大小排序為：白色硅藻土<黑色硅藻土<蘭色硅藻土。三類硅藻土黏聚力c和內摩擦角φ試驗值的差異性較大，說明不同地質環境條件下硅藻土強度特性存在較大的差別。

表5 硅藻土剪切試驗指標統計表

3.2 三類硅藻土比例系數m的計算

為簡化起見，取黏聚力c和內摩擦角φ的平均值，根據文獻[11]提供的m值計算公式(水平位移量按6 mm取值)，分別得到三類硅藻土的比例系數m，見表6。

表6 硅藻土比例系數m計算表

由表6可知，白色硅藻土的比例系數m為12.3～20.9 MN/m4，平均值為15.0 MN/m4；黑色硅藻土的比例系數m為17.1～29.5 MN/m4，平均值為22.7 MN/m4；蘭色硅藻土的比例系數m為22.0～52.1 MN/m4，平均值為34.3 MN/m4。按大小排序為：白色硅藻土<黑色硅藻土<蘭色硅藻土。三類硅藻土m的大小排序與強度指標是一致的。

3.3 試驗樁地基土綜合比例系數m的計算對比

根據勘察資料，3根水平測試樁AS5、BS1和CS1對應的主要影響深度范圍內的土層分布如下：

AS5：上層為粉質黏土(厚度0.86 m)，下層為白色硅藻巖(厚度8.5 m)。

BS1：上層為粗角礫土(厚度2.26 m)，下層為白色硅藻巖(厚度7.0 m)。

CS1：上層為粗角礫土(厚度1.62 m)，下層為蘭色硅藻巖(厚度9.0 m)。

當計算深度范圍內存在兩層或三層不同土時，地基土綜合m的計算公式不同。

(1)當存在兩層不同土時(計算深度hm=h1+h2)，計算式為

(3)

(2)當存在三層不同土時(計算深度hm=h1+h2+h3)，計算式為

(4)

式中：h1、h2、h3為各層土的深度；m1、m2、m3為各層土的比例系數。

根據規范，粉質黏土的比例系數m取15.0 MN/m4，粗角礫土比例系數m取55.0 MN/m4，各試樁的計算結果見表7。

3.4 結果對比與分析

根據表7的計算結果，可知三根測試樁綜合m值的計算值與試驗值吻合較好，其中AS5和BS1兩根樁的比值取一位小數為1.0，CS1樁的比值取一位小數為0.9。CS1的計算值與試驗值差距稍大，CS1樁的水平靜載試驗是在該樁完成豎向抗壓靜載試驗之后進行的，在經歷近千噸的豎向加載作用后，樁與地基土構成的共同體在整體抵抗水平作用方面的能力得到增強，導致試驗值較大，說明樁基在承受豎向荷載作用后的水平承載能力得到加強。根據上述計算結果及分析，白色硅藻土的比例系數m為12.3～20.9 MN/m4，平均值為15.0 MN/m4；黑色硅藻土的m為17.1～29.5 MN/m4，平均值為22.7 MN/m4；蘭色硅藻土的比例系數m為22.0～52.1 MN/m4，平均值為34.3 MN/m4。

4 結論

通過現場水平靜載試驗首次獲得了硅藻土地基中橋梁灌注樁比例系數m，在現有規范要求和文獻研究的基礎上，基于土工試驗強度指標對硅藻土比例系數m進行了計算，并得到以下結論。

(1)計算得到白色硅藻土的比例系數m為12.3～20.9 MN/m4，平均值為15.0 MN/m4；黑色硅藻土的比例系數(m)為17.1～29.5 MN/m4，平均值為22.7 MN/m4；蘭色硅藻土的比例系數m為22.0～52.1 MN/m4，平均值為34.3 MN/m4。

表7 計算深度內考慮分層的地基土綜合比例系數m計算結果

(2)上述推求得到的地基土綜合m經比較與測試樁水平靜載試驗結果是一致的，驗證了硅藻土m值的計算是可靠的，橋梁樁基設計時可根據實際情況參考使用。