梁大偉

我國是世界上黃土分布最廣泛的地區(qū),濕陷性黃土是一種特殊性質(zhì)的土,由于黃土濕陷變形具有突變性,非連續(xù)性和不可逆性,在一定的壓力下,下沉穩(wěn)定后,受水浸濕,土結(jié)構(gòu)迅速破壞,并產(chǎn)生顯著附加下沉,可能會對工程產(chǎn)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(qū)的工程設(shè)計、施工具有重要的意義。抗壓灌注樁是指通過樁側(cè)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(jié)穩(wěn)定的土層中,樁受荷產(chǎn)生向下的位移,這時樁周土體對樁產(chǎn)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(qū),當(dāng)抗壓灌注樁周圍土體浸水后,樁周土層發(fā)生明顯沉降且其沉降超過樁的沉降時,樁周土體則對樁產(chǎn)生向下的摩阻力,稱為負摩阻力。負摩阻力相當(dāng)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(qū),根據(jù)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(nèi)力測試,由于施工時間限制,本次試驗未采用預(yù)先浸水,而是根據(jù)GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范附錄 H,在加載至預(yù)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(xù)進行試驗,并加載至破壞。

2 場地工程地質(zhì)條件

根據(jù)相關(guān)單位提供《巖土工程勘察報告》,場地地貌單元屬某河?xùn)|岸Ⅲ級階地。試樁樁端分別位于第⑤層和第⑦層粉質(zhì)粘土層;工程樁樁端位于第⑦層粉質(zhì)粘土層。勘察深度范圍內(nèi)未見地下水,勘察深度范圍內(nèi)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(cè)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(tài)。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(tài)。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(jié)果

試驗采用慢速維持荷載法逐級加載,試驗結(jié)果見表 1。

根據(jù)表 1試驗結(jié)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(guī)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(guān)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(guān)系,但不成線性關(guān)系。

根據(jù) GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)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(yù)估值后,開始浸水,觀測在恒壓下的附加下沉量,直至穩(wěn)定,并繼續(xù)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(yù)估特征值并達到穩(wěn)定后,開始浸水,浸水維持 0.3m高水頭,靜置一段時間后,繼續(xù)開始試驗,在原荷載浸水條件下,再次達到穩(wěn)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(jié)果

4 內(nèi)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(shè)傳感器。

在試驗開始前,用 406A讀數(shù)儀測讀各傳感器頻率,作為初始數(shù)據(jù),以后每級加載穩(wěn)定后,測讀各傳感器頻率,通過率定系數(shù)換算成力,再計算成與鋼筋計斷面處的混凝土應(yīng)變相等的鋼筋應(yīng)變量。在數(shù)據(jù)處理過程中,應(yīng)將零漂大、變化無規(guī)律的測點刪除,求出同一斷面有效測點的應(yīng)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(yīng)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(yīng)的各斷面軸力值計算樁側(cè)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(cè)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(jié)果

根據(jù)對 10根豎向抗壓靜載荷試驗試樁的內(nèi)力測試結(jié)果,依照上述計算方法和數(shù)據(jù)處理方式,計算出在最大荷載作用下的各層土側(cè)阻力及端阻力見表 2。

表2 土層側(cè)摩阻力 kPa

負摩阻力的產(chǎn)生和發(fā)展要經(jīng)歷一段時間,其長短取決于樁側(cè)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(wěn)定的時間越長。根據(jù)一般工程經(jīng)驗,負摩阻力的發(fā)揮是一個逐漸變化的過程,在浸水過程中呈遞增,當(dāng)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(tài)變化的過程。

根據(jù)表2測試結(jié)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(shù)據(jù)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(dǎo)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(fā)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(fā)揮。同時由于采用鋼筋計進行內(nèi)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(tǒng)的經(jīng)驗值相比較,所測試數(shù)據(jù)較大。

4.3 減少負摩阻力的措施

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

4.3.1 預(yù)防措施

1)提高防水設(shè)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(jié)構(gòu)適應(yīng)地基變形,建筑平面布置力求簡單,建筑上部采取有效結(jié)構(gòu)措施調(diào)整結(jié)構(gòu)整體剛度。

4.3.2 成樁措施

1)在濕陷性土層內(nèi)插入比鉆孔直徑小 5 cm～10 cm的預(yù)制混凝土樁段,預(yù)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(yù)制混凝土樁段。

2)干作業(yè)成樁條件下,可采用雙層筒形塑料薄膜預(yù)先置于鉆孔沉降土層范圍內(nèi),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(jié)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(fā)揮不一定與樁長成正比關(guān)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(qū)的浸水靜載荷試驗中,當(dāng)采用規(guī)范建議的第二種方法進行浸水靜載荷試驗,其產(chǎn)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(tài)。

3)實驗中的浸水過程要結(jié)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(fā)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(tài)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(fā)揮。

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

[1]劉金礪.樁基礎(chǔ)設(shè)計與計算[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990.

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