劉增榮，武世剛，姜培軍，賈福興，張珊珊

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055;2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064;3.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

灌注樁是指利用鉆孔機(jī)械在樁孔中鉆進(jìn)，在鉆頭的作用下，通過泥漿正循環(huán)或反循環(huán)破碎土體，并把土渣帶出孔外，然后在孔內(nèi)吊入鋼筋骨架，灌注混凝土而成的樁［1］。擴(kuò)底灌注樁就是在成孔后，利用擴(kuò)底器進(jìn)行擴(kuò)孔形成擴(kuò)大頭再放置鋼筋籠［2，3］。為了能夠順利鉆孔、成樁，需采用一定的措施，包括制備適宜的泥漿、提高孔內(nèi)泥漿水位以及灌注水下混凝土等。鉆孔灌注樁的特點(diǎn)是施工設(shè)備簡單，操作方便，適用于各種砂性土、粘性土，也適用于碎石類土層和巖層［4］。王端端等［5］通過對旋挖鉆孔灌注樁的荷載傳遞規(guī)律和樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性進(jìn)行分析，認(rèn)為旋挖鉆成孔時(shí)無需護(hù)壁泥漿，不但可以避免樁側(cè)泥皮的形成，而且形成的孔壁粗糙，加強(qiáng)了樁土的咬合作用，提高了樁側(cè)阻力的發(fā)揮。茅燕兵等［6］通過單樁靜荷載試驗(yàn)的Q-S曲線推算各級(jí)荷載下土體的等效彈性模量，建立單樁樁頂位移與等效彈性模量的函數(shù)關(guān)系，并利用Mindlin位移解計(jì)算群樁相互作用。陳新澤等［7］結(jié)合濕陷性黃土地區(qū)樁基浸水載荷試驗(yàn)實(shí)例，對樁基的負(fù)摩阻力形成機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到黃土濕陷后樁身中性點(diǎn)上移，負(fù)摩阻力增大的結(jié)論。目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對擴(kuò)底鉆孔灌注樁的承載力性狀及荷載傳遞機(jī)制以及樁側(cè)負(fù)摩阻力估算方法進(jìn)行了研究，尤其是進(jìn)行樁底擴(kuò)孔后的荷載傳遞規(guī)律等均取得了一定的成果［8，9］。由于黃土地區(qū)風(fēng)電灌注樁基礎(chǔ)的單樁承載特性研究不足，本文結(jié)合陜北地區(qū)實(shí)際工程的試樁過程，通過試驗(yàn)對大厚度濕陷性黃土地區(qū)的單樁承載特性進(jìn)行分析，為擴(kuò)底鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)。

1 工程背景及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

擬選風(fēng)電場場址位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，丘陵、溝壑、梁、峁交錯(cuò)縱橫。黃土梁地貌在風(fēng)電場范圍內(nèi)廣泛分布，走向清晰可辨，延伸較遠(yuǎn)，頂部寬度變化不大，其兩側(cè)坡度較大，梁頂和半坡多為耕地，梁坡中下部沖蝕較嚴(yán)重，坡腳處沖溝發(fā)育，有崩塌、滑塌等不良地質(zhì)作用，地形條件一般。典型的黃土峁在風(fēng)電場分布少，其上部存在大厚度的全新世濕陷性黃土。風(fēng)場區(qū)內(nèi)沖溝較多，沖溝內(nèi)邊坡陡立，土質(zhì)均勻，沖溝局部岸坡陡峭，存在崩塌可能，地勢較低處常發(fā)育有黃土落水洞，且厚層黃土濕陷強(qiáng)烈，并且承載力較低，風(fēng)場內(nèi)的所有建(構(gòu))筑物均需進(jìn)行地基處理?？紤]風(fēng)場內(nèi)建(構(gòu))筑物自身不使用水或使用水量極少，且本地區(qū)降水量相對較少，有條件做好地面防排水的措施，在此完善的地面防排水條件下地基處理方案可選擇鉆孔樁［10，11］。

1.1 試樁的樁位及錨樁的布置

試樁施工自2016年7月11日至2016年7月16日，試樁測試自2016年8月12日至2016年9月7日。試樁布置如圖1所示。施工鉆具采用機(jī)械洛陽鏟，干作業(yè)Φ800 mm成孔，鉆至設(shè)計(jì)樁深，采用擴(kuò)孔器擴(kuò)底至設(shè)計(jì)值Φ1 400 mm，成孔后采用高1.6 m、直徑0.6 m、重量為0.8 t的夯錘提升3 m的高度自由落體式夯擊5～7次。鋼筋籠采用吊車安裝，混凝土灌注采用商業(yè)混凝土，運(yùn)輸采用混凝土罐車，無混凝土斷運(yùn)情況。干作業(yè)灌注樁混凝土充盈系數(shù)平均值為1.08。試樁擬采用Ф800 mm擴(kuò)底鉆孔灌注樁，樁端持力層為黃土層，樁長約27 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，坍落度為160～180 mm，預(yù)估單樁豎向承載力特征值為2 000 kN。

圖1 試樁布置示意(單位:mm)

1.2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

單樁豎向承載力試驗(yàn)采用錨樁橫梁反力裝置進(jìn)行加載，該裝置由反力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、位移測量系統(tǒng)3部分組成，試驗(yàn)加載裝置見圖2。荷載從小至大由千斤頂(型號(hào)為QF-630T，編號(hào)為630-1)逐級(jí)施加，其量值由標(biāo)準(zhǔn)壓力表讀取油壓，根據(jù)千斤頂?shù)穆识ㄇ€換算荷載。樁頂在加載過程中的沉降量采用4個(gè)百分表(量程為0～30 mm，編號(hào)分別為A248227、A243089、A211463、A200090)測量，百分表通過磁性表座支撐在基準(zhǔn)梁上。

圖2 單樁靜載試驗(yàn)裝置示意

加載采用慢速維持荷載法，即每級(jí)荷載施加后，按第5、15、30、45、60 min測讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測讀一次樁頂沉降量，直至試樁沉降達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為止(試樁沉降相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為1 h內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)2次樁頂沉降量不超過0.1 mm)，當(dāng)樁頂沉降速率達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可施加下一級(jí)荷載。卸載時(shí)，每級(jí)荷載應(yīng)維持1 h，分別按第15、30、60 min測讀樁頂沉降量后，即可卸下一級(jí)荷載;卸載至0后，應(yīng)測讀樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間不得少于3 h，測讀時(shí)間分別為第15、30 min，以后每隔30 min測讀一次樁頂殘余沉降量。

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可終止加載:①某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍，且樁頂總沉降量超過40 mm;②某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達(dá)到試樁沉降相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn);③已達(dá)到實(shí)際要求的最大加載值，且樁頂沉降達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn);④工程樁做錨樁時(shí)，錨樁上拔量已達(dá)到允許值;⑤荷載-沉降曲線呈緩變形時(shí)，可加載至樁頂累計(jì)沉降量60～80 mm，當(dāng)樁端阻力尚未充分發(fā)揮時(shí)，可加載至樁頂累計(jì)沉降量超過80 mm。

1.3 樁身內(nèi)力測試

本次試驗(yàn)采用鋼筋計(jì)法進(jìn)行內(nèi)力測試，鋼筋內(nèi)力測試與沉降觀測同步進(jìn)行。鋼筋計(jì)型號(hào)為TYGJJ-100。每級(jí)加載沉降達(dá)到相對穩(wěn)定后，在加下一級(jí)荷載之前對鋼筋計(jì)進(jìn)行測讀，該讀數(shù)為本級(jí)荷載下鋼筋內(nèi)力測試值。測試值與標(biāo)定值進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算，并對初值進(jìn)行修正，即得到每級(jí)荷載下各測試點(diǎn)的鋼筋內(nèi)力值。鋼筋內(nèi)力值取每一斷面2個(gè)內(nèi)力的平均值，即式中，σi為i斷面鋼筋內(nèi)力值;f1i、f2i分別為i斷面2個(gè)鋼筋內(nèi)力初值;F1、F2分別為i斷面2個(gè)鋼筋內(nèi)力修正值。

按鋼筋與混凝土變形協(xié)調(diào)原則及平衡條件可以得到樁身軸力，即

式中，Ni為i斷面樁身軸力值;Agi為i斷面單根鋼筋截面面積;n為鋼筋根數(shù);Ahi為i斷面混凝土截面面積;Eh、Eg分別為混凝土、鋼筋的彈性模量。

由相鄰兩斷面樁身軸力差和該土層樁側(cè)表面積求得樁側(cè)阻力，即

式中，qfi為 i斷面樁側(cè)摩阻力值;Ni、Ni－1分別為 i、i－1斷面樁身軸力值;Si為i斷面樁身周長;Li為i與i－1斷面間的樁長。

由樁底軸力和樁底面積求得樁端阻力，即

式中，qd為樁端阻力值;Nb為樁底軸力值;Ab為樁底面積。

1.4 浸水試驗(yàn)

觀測地基浸水5～8 d的沉降量以揭示天然地基浸水試驗(yàn)的水浸深度。試驗(yàn)方法為以A3樁為中心，開挖深500～600 mm、尺寸為3 m×5 m的浸水基坑，標(biāo)桿底座采用厚1.2 mm、尺寸為1 000 mm×1 000 mm的鋼板，觀測采用DSC232水準(zhǔn)儀。浸水8 d后開挖浸水基坑，采用探鏟觀測水浸深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試樁的豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果見表1，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制P-S和S-lg(t)關(guān)系曲線，如圖3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，A1、A2、A3樁的單樁豎向極限承載力分別為4 400、4 800、3 600 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 試樁的豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

圖3 試樁的豎向抗壓靜載試驗(yàn)曲線(以A1樁為例)

當(dāng)荷載超過該荷載后，樁底下土體達(dá)到破壞階段發(fā)生大量塑性變形，引起樁發(fā)生較大或較長時(shí)間的沉降，在P-S曲線上表現(xiàn)為出現(xiàn)明顯的下彎轉(zhuǎn)折點(diǎn)，將此點(diǎn)所對應(yīng)的荷載作為承載極限荷載。如圖3a所示，A1樁的單樁豎向極限承載力為4 400 kN。

大量試樁資料分析表明，樁在破壞前的每級(jí)沉降量與時(shí)間的對數(shù)呈線性關(guān)系，直線的斜率記為m(如圖3b所示)，即S=mlg(t)。m不是常數(shù)，m在某種程度上反映了樁的沉降速率，隨著樁頂荷載的增大m也增大，m越大則表明樁的沉降速率越大。當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增大時(shí)，若發(fā)現(xiàn)S-lg(t)曲線不是直線而變成折線時(shí)，則表明地基土塑性變形驟增，樁呈現(xiàn)破壞，S-lg(t)曲線由直線變?yōu)檎劬€的那級(jí)荷載前一級(jí)荷載即為樁的極限荷載。

3 結(jié)果分析

3.1 灌注樁內(nèi)力計(jì)算

圖4 A1、A3試樁內(nèi)力測試結(jié)果

樁身內(nèi)力測試根據(jù)灌注樁應(yīng)力測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，繪制成樁身軸力分布圖和側(cè)摩阻力分布圖。A1、A2樁規(guī)律相似，本文只給出A1樁(非浸水樁)和A3樁(浸水樁)規(guī)律，如圖4所示。由圖4可知:①樁身軸力發(fā)揮性狀及荷載傳遞規(guī)律為隨著荷載等級(jí)的不斷增加，同一水平斷面處樁身軸力逐漸增加，在同一荷載等級(jí)的情況下，隨著樁入土深度的增加，樁身軸力由上到下逐步減小。②樁側(cè)阻力發(fā)揮性狀及荷載傳遞規(guī)律為施加荷載的過程中，在荷載3 200 kN以下時(shí)，樁側(cè)阻力隨著樁入土深度的增加而略微減小，在荷載＞3 200 kN時(shí)，樁側(cè)阻力隨著樁入土深度的增加而增大。隨著荷載等級(jí)的增加，同一水平斷面處，樁側(cè)阻力逐級(jí)增加，增加到一定程度后，趨于穩(wěn)定。

3.2 模擬工況浸水試驗(yàn)

工況浸水8 d，累計(jì)水位沉降2 000 cm，地面累計(jì)沉降量為1.8 cm，最終水浸深度揭示為735 cm。

A3樁是浸水樁，一般情況下，樁受軸向荷載時(shí)，樁相對于樁側(cè)土體產(chǎn)生向下的位移，土對樁產(chǎn)生向上作用的摩阻力，稱正摩阻力，但當(dāng)樁周土體因某種原因(黃土的濕陷性)發(fā)生下沉，其沉降變形超過樁身的沉降變形時(shí)，在樁側(cè)表面將出現(xiàn)向下作用的摩阻力，即負(fù)摩阻力。由圖4d可知，A3樁在水的作用下于樁深0～6 m段產(chǎn)生了負(fù)摩阻力，隨著深度的增加，樁側(cè)負(fù)摩阻力值也隨著增大;在樁深6～8 m段，隨著深度的增加，樁側(cè)負(fù)摩阻力逐漸減小;在樁深8 m時(shí)，樁側(cè)負(fù)摩阻力為0，此時(shí)達(dá)到正負(fù)摩阻力都為0的中性點(diǎn);在樁深8～27 m段，樁側(cè)阻力由上至下逐步發(fā)揮，隨著荷載的增加，樁側(cè)阻力的發(fā)揮程度逐步增大。

由A1、A3樁對比可知，A3樁的承載力明顯比A1樁的承載力要低，原因?yàn)棰僭谒淖饔孟?，黃土的濕陷性使樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力不但不能成為樁承載力的一部分，反而變成施加在樁上的外荷載，減小樁的極限承載力;②水的作用會(huì)改變土體參數(shù)，降低土的側(cè)摩阻力，從而降低了樁的極限承載力。

4 結(jié)論

針對大厚度濕陷性黃土地區(qū)地質(zhì)特征，本文結(jié)合陜北定邊縣某擬建風(fēng)電場項(xiàng)目工程，在工程試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行擴(kuò)底鉆孔灌注樁靜載試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論:

(1)樁身軸力發(fā)揮性狀及荷載傳遞規(guī)律。隨著荷載等級(jí)的不斷增加，同一水平斷面處樁身軸力逐漸增加，在同一荷載等級(jí)的情況下，隨著樁入土深度的增加，樁身軸力由上到下逐步減小。

(2)樁側(cè)阻力發(fā)揮性狀及荷載傳遞規(guī)律。施加荷載的過程中，在荷載＜3 200 kN時(shí)，樁側(cè)阻力隨著樁入土深度的增加而略微減小，在荷載＞3 200 kN時(shí)，樁側(cè)阻力隨著樁入土深度的增加而增大。隨著荷載等級(jí)的增加，同一水平斷面處，樁側(cè)阻力逐級(jí)增加，增加到一定程度后變?yōu)榉€(wěn)定值。

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