摩擦型樁表面劣化時(shí)的沉降特性室內(nèi)模擬試驗(yàn)

閆　楠, 楊俊杰, 董猛榮, 宋文峰

(1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)海洋大學(xué))，266100 山東 青島; 2.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，266100 山東 青島; 3.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，250100 濟(jì)南)

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摩擦型樁表面劣化時(shí)的沉降特性室內(nèi)模擬試驗(yàn)

閆楠1,2, 楊俊杰1,2, 董猛榮1,2, 宋文峰3

(1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)海洋大學(xué))，266100 山東 青島; 2.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，266100 山東 青島; 3.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，250100 濟(jì)南)

摘要:為研究工作荷載作用下，摩擦型樁(端承摩擦樁和摩擦樁)在腐蝕地基中發(fā)生表面劣化時(shí)的沉降特性，通過(guò)制作以硫酸銅溶液為腐蝕性介質(zhì)的飽和砂土地基模型，開(kāi)展了加速劣化試驗(yàn)，得到工作荷載作用下摩擦型樁表面發(fā)生劣化時(shí)的沉降規(guī)律.結(jié)果表明：腐蝕地基中，樁表面劣化程度隨時(shí)間不斷增大，沉降量隨劣化程度的增大而增大；端承摩擦樁和摩擦樁的荷載-沉降曲線發(fā)展規(guī)律不同；在工作荷載作用下，經(jīng)過(guò)17 360 min，端承摩擦樁的沉降量達(dá)到樁徑的28.5%，其中表面劣化引起的沉降量為10.6%，大于摩擦樁的7%；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，端承摩擦樁和摩擦樁的沉降量均達(dá)到了各自極限承載力對(duì)應(yīng)的沉降量.表面劣化導(dǎo)致摩擦型樁的沉降量顯著增加，表面劣化引起的附加沉降可能影響樁的正常使用.

關(guān)鍵詞:腐蝕地基；工作荷載；端承摩擦樁；表面劣化；沉降特性；室內(nèi)模擬試驗(yàn)

隨著城市建設(shè)步伐的加快，土地的稀缺性特點(diǎn)更加突出，有效利用一些含有腐蝕性介質(zhì)的土地成為城市建設(shè)的一個(gè)發(fā)展方向.然而，長(zhǎng)期處于腐蝕地基中的樁會(huì)不可避免地受到侵蝕，給工程安全帶來(lái)隱患.目前針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的室內(nèi)試驗(yàn)研究主要集中在樁身材料的劣化方面[1-6]，結(jié)果表明，侵蝕性環(huán)境會(huì)導(dǎo)致金屬或水泥基等成樁材料發(fā)生劣化，降低了樁身強(qiáng)度.文獻(xiàn)[7]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了黃河三角洲咸水區(qū)水泥土樁復(fù)合地基的沉降特性，結(jié)果顯示，含鹽土引起的水泥土劣化導(dǎo)致了復(fù)合地基的沉降量增大，承載性能降低.為了突出表面劣化這一影響因素，并避免制樁過(guò)程對(duì)試驗(yàn)的影響，文獻(xiàn)[8]采用硫酸銅溶液實(shí)現(xiàn)了樁的加速劣化，探討了腐蝕環(huán)境引起的摩擦樁表面劣化對(duì)承載性狀的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，表面劣化可導(dǎo)致樁的沉降量增大，并可能影響樁的正常使用.

按承載性狀分，端承摩擦樁和摩擦樁均屬于摩擦型樁，而端承摩擦樁在工程實(shí)踐中更為常見(jiàn).本文利用室內(nèi)加速劣化試驗(yàn)方法，探討了工作荷載作用下，端承摩擦樁在腐蝕地基中發(fā)生表面劣化時(shí)的沉降性狀，并通過(guò)對(duì)比分析端承摩擦樁與摩擦樁的試驗(yàn)結(jié)果，闡述了表面劣化對(duì)摩擦型樁沉降特性的影響.

1試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)裝置及加載方式

試驗(yàn)裝置[8]見(jiàn)圖1.模型筒采用耐酸堿的有機(jī)玻璃材料，壁厚10 mm，內(nèi)徑230 mm，內(nèi)高395 mm.加載方式為應(yīng)力控制，通過(guò)增加砝碼實(shí)現(xiàn)逐級(jí)加載，利用機(jī)械式百分表量測(cè)沉降量.

圖1　試驗(yàn)裝置

1.2模型樁

模型樁由材料均勻性好、易實(shí)現(xiàn)腐蝕的純鋁棒制成，通過(guò)車(chē)制螺紋模擬樁表面的粗糙程度[8](圖2)，為防止鋁棒氧化，加工后立即用塑料膜密封.模型樁樁長(zhǎng)290 mm，有效樁長(zhǎng)(從地基表面到樁端的長(zhǎng)度)200 mm，樁徑16.4 mm，長(zhǎng)徑比約12.2，模型筒內(nèi)徑與樁徑之比約14，可忽略模型筒的邊界效應(yīng).樁表面螺紋螺距4.0 mm，螺紋深度0.2 mm，螺紋深度與地基土平均粒徑之比為0.96.樁端平面光滑無(wú)缺陷，邊緣無(wú)螺紋.

圖2　鋁質(zhì)模型樁

1.3模型地基制作及模型樁的埋設(shè)

模型地基由粒徑0.1～1.0 mm的砂[8]制作.地基制作及模型樁埋設(shè)方法(圖3)如下：

1) 固定塑料進(jìn)水管(外徑8 mm、內(nèi)徑4.5 mm).由模型筒底部依次鋪設(shè)濾紙、10 mm厚礫砂、濾紙和試驗(yàn)用砂，加砂至預(yù)設(shè)樁端位置.

2) 安裝模型樁，保證樁端與砂土地基充分接觸.

3) 將砂土逐層加至模型筒的泄水口，加砂時(shí)應(yīng)貼近砂層表面并避免碰觸模型樁.

4) 連接進(jìn)水管與供水系統(tǒng)，利用毛細(xì)作用使地基從下部逐步飽和[9].

圖3　模型樁的埋設(shè)

模型地基為飽和砂土地基，總高度320 mm，通過(guò)控制地基土中液相物質(zhì)的種類(lèi)和濃度實(shí)現(xiàn)地基的腐蝕性，達(dá)到加速劣化的目的.試驗(yàn)采用自來(lái)水和濃度為0.2 mol/L的硫酸銅溶液對(duì)砂土地基進(jìn)行飽和，分別模擬非腐蝕性地基和腐蝕性地基.這兩種地基地的飽和重度相差甚微，可以忽略[8].此外，鋁棒與硫酸銅溶液發(fā)生置換反應(yīng)會(huì)使硫酸銅溶液濃度不斷降低，為確保模型地基能夠保持穩(wěn)定飽和狀態(tài)持續(xù)發(fā)揮劣化作用，試驗(yàn)過(guò)程中保持水頭差為455 mm，流量控制約為10 mL/min，以持續(xù)穩(wěn)定地供給硫酸銅溶液.

1.4試驗(yàn)方案

如圖4所示，共3組試驗(yàn).第一組為模型樁的極限承載力試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)自來(lái)水飽和地基中的模型樁逐級(jí)施加荷載，得到荷載-沉降曲線，確定樁的極限承載力.根據(jù)極限承載力確定模型樁的工作荷載.第二組和第三組為工作荷載作用下，樁在硫酸銅溶液飽和地基與自來(lái)水飽和地基中沉降特性的對(duì)比試驗(yàn).

圖4　試驗(yàn)方案

2極限承載力試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5是由模型樁極限承載力試驗(yàn)得到的荷載-沉降-時(shí)間曲線.在逐級(jí)加載過(guò)程中，每一級(jí)荷載施加后沉降穩(wěn)定所需時(shí)間不同，樁的沉降量隨時(shí)間呈階梯狀增加，且在施加荷載45.08 N后明顯增大，沉降量達(dá)到樁徑的181.3%，認(rèn)為此時(shí)樁已破壞，停止加載.

圖5　極限承載力試驗(yàn)得到的荷載-沉降-時(shí)間曲線

圖6是根據(jù)圖5得到的荷載-沉降曲線.沉降量隨荷載的增加而增大，曲線沒(méi)有出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，為確定極限承載力，采用擬合方法對(duì)曲線進(jìn)行分析.將荷載-沉降曲線擬合為雙曲線，將雙曲線的初始切線與漸近線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載作為極限承載力Qu[10-13].

圖6　極限承載力的確定

如圖6所示，將荷載-沉降曲線回歸為

(1)

式中：Q為荷載，s為沉降量；a、b為回歸系數(shù)，a=0.071 6，b=0.022.圖6中初始切線的斜率為1/a，漸近線為1/b.

由圖6可得初始切線和漸近線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為

(2)

將橫坐標(biāo)su代入到式(1)，得到極限承載力

(3)

將a、b代入式(2)和式(3)可得，樁的沉降量為3.3 mm，極限承載力為22.54 N.根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，單樁豎向承載力特征值為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的1/2，因此設(shè)定工作荷載為11.76 N，為極限承載力的52.2%.

試驗(yàn)中模型樁與文獻(xiàn)[8]中摩擦樁的材料、半徑、有效長(zhǎng)度、粗糙程度和模型地基完全相同，只有樁端支撐狀況不同.圖7為本試驗(yàn)樁與摩擦樁的荷載-沉降曲線，樁端支撐情況變化后，樁的承載性狀出現(xiàn)較大差異.本試驗(yàn)樁的極限承載力為22.54 N，摩擦樁極限承載力約為12.74 N，較摩擦樁極限承載力大76.9%.在極限承載能力狀態(tài)下，可以認(rèn)為該模型樁的極限側(cè)摩阻力近似為12.74 N，占極限承載力的56.5%；由此可得，本試驗(yàn)樁的端阻力約為9.8 N，占極限承載力的43.5%.可見(jiàn)，在飽和砂土地基中，本試驗(yàn)樁的樁頂荷載由樁側(cè)阻力和樁端阻力共同承擔(dān)，且大部分由樁側(cè)阻力承擔(dān)，端阻力不可忽略，可以認(rèn)為該模型樁屬于端承摩擦樁[14-15].

圖7　荷載-沉降曲線

3工作荷載作用下樁的沉降特性

端承摩擦樁的工作荷載為11.76 N，分6級(jí)加載，經(jīng)過(guò)51 min完成加載.圖8為工作荷載作用下，自來(lái)水飽和地基和硫酸銅溶液飽和地基中端承摩擦樁的荷載-沉降-時(shí)間曲線.在工作荷載作用下，兩種飽和砂土地基中樁的沉降量都有所增加.在初期階段，兩種地基中樁的沉降量差別不大，當(dāng)工作荷載施加完成約60 min后，硫酸銅溶液飽和地基中樁沉降量的增大趨勢(shì)更加明顯，超過(guò)自來(lái)水飽和地基中樁的沉降量，且二者的差異隨時(shí)間逐漸增大.

圖9為硫酸銅溶液飽和地基中端承摩擦樁和摩擦樁的沉降-時(shí)間曲線.端承摩擦樁和摩擦樁的工作荷載分別為11.76 N和6.86 N.在工作荷載作用下，端承摩擦樁的沉降量總體上較摩擦樁的沉降量大.經(jīng)過(guò)5 900 min(98.4 h)，端承摩擦樁的沉降量與樁外徑之比達(dá)到18.1%，此沉降量在荷載-沉降曲線中(圖7)中與其對(duì)應(yīng)的荷載為22.54 N，達(dá)到極限承載力.摩擦樁經(jīng)過(guò)1 290 min后的沉降量達(dá)到樁徑的15.4%，在荷載-沉降曲線中與其對(duì)應(yīng)的荷載約為11.0 N，接近極限承載力.由此可見(jiàn)，工作荷載作用下的端承摩擦樁和摩擦樁，在腐蝕性地基中經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，其沉降量都直接影響了樁的正常使用.此外，摩擦樁和端承摩擦樁的荷載-沉降曲線皆呈增加趨勢(shì).摩擦樁的沉降量在經(jīng)過(guò)1 290 min后驟增，樁發(fā)生瞬時(shí)破壞，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的沉降量達(dá)到樁徑的16.4%.端承摩擦樁的沉降量無(wú)突變，樁未發(fā)生瞬時(shí)破壞，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的沉降量達(dá)到樁徑的28.5%，可見(jiàn)，在工作荷載作用下，雖然端承摩擦樁的樁端阻力發(fā)揮了作用，改變了荷載-沉降曲線的走向，但樁的沉降量未能有效減小.由此表明，腐蝕性地基中，根據(jù)承載性狀分類(lèi)的不同樁型，在工作荷載作用下的荷載-沉降曲線發(fā)展規(guī)律存在明顯差異.

圖8　工作荷載作用下端承摩擦樁的荷載-沉降-時(shí)間曲線

圖9　端承摩擦樁和摩擦樁的沉降-時(shí)間曲線

圖10顯示了試驗(yàn)后模型樁的腐蝕情況.硫酸銅溶液飽和地基中的模型樁樁體腐蝕嚴(yán)重，表面大部分螺紋已被破壞，局部表面的腐蝕深度已經(jīng)超過(guò)螺紋深度.其中，端承摩擦樁樁端平面已凹凸不平，邊緣模糊不清，棱角盡失，樁徑由16.4 mm變?yōu)?5.9 mm，有效長(zhǎng)度由200 mm變?yōu)?99.2 mm，樁的尺寸有所減小.而自來(lái)水飽和地基中樁的有效樁長(zhǎng)部分只是顏色變暗，螺紋清晰可見(jiàn)，樁的尺寸無(wú)明顯變化.端承摩擦樁在腐蝕性地基中的腐蝕時(shí)間為17 360 min，長(zhǎng)于摩擦樁的3 239 min，根據(jù)樁的表面劣化程度可以說(shuō)明，劣化程度隨時(shí)間不斷增大.

圖10　模型樁腐蝕情況

圖11是根據(jù)工作荷載作用下樁的荷載-沉降-時(shí)間關(guān)系整理所得的荷載-沉降曲線.在工作荷載(11.76 N)作用下，硫酸銅溶液飽和地基中的端承摩擦樁經(jīng)過(guò)17 360 min(約12 d 2 h)，沉降量達(dá)到樁徑的28.5%，比自來(lái)水飽和地基中樁的沉降量增加10.6%，可以認(rèn)為，增加的這部分沉降量是由樁的表面劣化(包括樁側(cè)和樁端表面)引起的.由文獻(xiàn)[8]可知，在工作荷載(6.86 N)作用下，經(jīng)過(guò)3 239 min時(shí)，摩擦樁沉降量達(dá)到了模型樁徑的16.4%，表面劣化引起的沉降量達(dá)到樁徑的7%.可見(jiàn)，在工作荷載作用下，端承摩擦樁由劣化引起的沉降量較摩擦樁大，該部分沉降量隨表面劣化程度的增大而增大.由此可知，表面劣化是產(chǎn)生沉降的重要原因之一，劣化導(dǎo)致樁的尺寸變小，可能會(huì)使樁側(cè)阻力和樁端阻力得不到充分發(fā)揮，導(dǎo)致樁沉降量增加，并嚴(yán)重影響了摩擦型樁的正常使用.

圖11　工作荷載作用下的荷載-沉降曲線

4結(jié)論

1) 腐蝕地基中端承摩擦樁的沉降量隨時(shí)間增大，工作荷載施加約60 min后，其沉降量開(kāi)始超過(guò)非腐蝕地基中樁的沉降量，二者的差異隨時(shí)間增大.

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，工作荷載作用下，表面劣化引起的端承摩擦樁的沉降量達(dá)到樁徑的10.6%，大于摩擦樁的7%，二者均達(dá)到了各自極限承載力對(duì)應(yīng)的沉降量.表面劣化致使摩擦型樁產(chǎn)生顯著的附加沉降，影響了樁的正常使用.

3) 腐蝕地基中，樁表面劣化程度隨時(shí)間不斷增大，沉降量隨劣化程度的增大而增大.

4) 在工作荷載作用下，按承載性狀區(qū)分的不同類(lèi)型的樁發(fā)生劣化后，其荷載-沉降曲線的發(fā)展規(guī)律不同，沉降特性存在差異.

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(編輯趙麗瑩)

Laboratory model tests on settlement characteristics of friction pile with surface deterioration

YAN Nan1,2, YANG Junjie1,2, DONG Mengrong1,2, SONG Wenfeng3

(1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology (Ocean University of China), Ministry of Education, 266100 Qingdao,Shangdong, China; 2.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, 266100 Qingdao,Shandong, China; 3.Shandong Zhengyuan Construction Engineering Co. Ltd., 250100 Jinan, China)

Abstract:A series of model tests on friction piles in corrosive foundation model were conducted to investigate the settlement characteristics of friction piles (end-bearing friction pile and friction pile) under working load in corrosive foundation. The copper sulfate solution as the corrosive medium was adopted to make the foundation model, which could accelerate surface deterioration speed. Then the settlement law of friction piles with surface deterioration under working load was investigated. The results indicated that the deterioration degree around pile surface increases with time, and the settlements increase with the deterioration degree. The load-settlement curves of end-bearing friction pile and friction pile were different. After 17 360 minutes under working load, the percentage of settlement on end-bearing friction pile reaches 28.5% of pile diameter. The settlement caused by skin deterioration is 10.6% which is larger than the settlement of friction pile with 7%. By the end of the test, the settlements of two types of piles reach the settlements corresponding to the ultimate bearing capacities respectively. Surface deterioration can cause significant incensement of friction pile settlement. This may affect the pile normal function.

Keywords:corrosive foundation; working load; end-bearing friction pile; surface deterioration; settlement characteristics; laboratory model test

中圖分類(lèi)號(hào):TU47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)02-0147-05

通信作者:楊俊杰，jjyang@ouc.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介:閆楠(1982—)，女，博士研究生；楊俊杰(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

收稿日期:2015-02-01.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.025