可液化地基處理前后單樁水平承載動力響應特征

李洪江　 楊昊坤　 劉松玉　 童立元　 顧琴芬

(1東南大學巖土工程研究所, 南京 210096)(2東南大學江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室,南京 210096)(3南京大學地理與海洋科學學院,南京 210093)(4江蘇省建設工程設計施工圖審核中心,南京 210036)

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可液化地基處理前后單樁水平承載動力響應特征

李洪江1,2楊昊坤3劉松玉1,2童立元1,2顧琴芬4

(1東南大學巖土工程研究所, 南京 210096)(2東南大學江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室,南京 210096)(3南京大學地理與海洋科學學院,南京 210093)(4江蘇省建設工程設計施工圖審核中心,南京 210036)

為了研究可液化地基處理前后單樁水平承載動力響應問題,以宿遷金鷹工程可液化場地為依托,采用基于CPTU測試的p-y(土抗力-樁撓度)曲線法,構建了單樁水平動力承載數(shù)值計算模型．分析了不同加載振幅和振動次數(shù)下的單樁水平循環(huán)加載特征,比較了可液化地基處理前后的單樁水平承載動力響應規(guī)律．結果表明:可液化地基處理后單樁水平動力承載能力增強,樁周土抗液化能力提升,樁身截面最大彎矩上移,樁頂荷載傳遞深度降低;在樁頂水平循環(huán)加載作用下,樁身變形和彎矩隨加載振幅和振動次數(shù)的增加而增大;十字翼共振法處理可液化場地對提升樁基水平承載力具有顯著效果．

液化;樁基;p-y曲線;孔壓靜力觸探(CPTU);水平承載力

樁基的水平承載動力分析是巖土工程界和地震工程領域關注的熱點問題之一．在傳統(tǒng)樁基設計方法中,多采用規(guī)范中涉及的擬靜力法對液化土樁基水平承載特性進行評價[1]．然而,該方法并未考慮液化土-樁的相互作用問題,對樁基的水平承載動力設計也較為粗糙．目前,p-y曲線折減法是液化場地樁基設計的主流方法,國內(nèi)外學者已圍繞液化地層中樁基動力p-y曲線折減問題進行了大量研究[2-9]．

目前，對可液化地基處理前后的樁基水平承載動力響應問題研究較少．本文基于CPTU測試p-y曲線法對采用共振處理的宿遷金鷹試驗場地開展研究,比較了液化處理前后單樁水平動力承載特征的異同,并為同類液化場地樁基水平承載動力設計提供借鑒．

1　工程概述與場地處理

宿遷金鷹天地住宅項目位于洪澤湖路與青年路交叉路口西南,由1棟17層、10棟18層住宅樓及4棟1層商業(yè)用房組成,高層住宅間設1層地下車庫．主樓基礎采用直徑為600 mm鉆孔灌注樁,樁身混凝土標號C35,樁長30 m．由于地基土層松軟,自然地面以下20 m內(nèi)普遍分布著埋深及厚度不等的可液化粉土(夾粉砂),液化程度為嚴重液化．20 m以上的各土層分布及具體土性指標見表1．

表1　土體物理力學性質指標

注:φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力.

試驗場地位于黃泛平原高烈度區(qū),建筑抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度為0.30g,地震分組為第1組．為滿足建設要求,采用東南大學自主研發(fā)的十字翼共振法[10]對場地進行了液化地基加固處理.后期經(jīng)標貫試驗和孔壓靜力觸探(CPTU)聯(lián)合測試表明,場地處理效果良好,地基土液化等級由嚴重液化降為不液化[11]．

2　CPTU測試樁基水平承載模型

可液化場地開展樁基工程建設時,如何明確動力荷載(地震荷載、風荷載等)下液化土層單樁的p-y曲線參數(shù),是客觀評價水平受荷樁動力承載特性的關鍵．CPTU原位測試提供的是最原始、近似非擾動的土性參數(shù),可為動力荷載下單樁初始p-y曲線參數(shù)提供技術支撐．針對以上問題,文獻[12]提出了一種基于CPTU測試的樁基p-y曲線分析法,獲得了良好的應用效果．

文獻[12]中建議的基于CPTU測試的Matlockp-y曲線(適于黏性土)表達式為

(1)

基于CPTU測試的雙曲線型p-y曲線(適于無黏性土)表達式為

(2)

式中,p(z)為樁側土抗力,MPa;y(z)為深度z處的樁身撓度,m;Rp為錐尖貫入塑性影響區(qū)半徑,m;D為樁直徑,m;qc為實測錐尖阻力,MPa;qe為有效錐尖阻力,MPa;E為土的彈性模量,kPa;ν為土體泊松比;Ne為有效錐尖系數(shù);Nc為樁側土極限承載力系數(shù),取值方法見文獻[12].

在場地液化處理前后分別開展CPTU原位測試．CPTU測試孔位嚴格鄰近試樁位置,測試深度zc=16m(26倍樁徑),與十字翼共振法加固深度一致．根據(jù)CPTU測試結果,將測試深度范圍內(nèi)土層分為素填土、粉土、粉土夾粉砂和黏土層,并將勘察報告中的②-1粉土(夾粉砂)層細分為粉土和粉土夾粉砂2層．CPTU測試參數(shù)曲線見圖1.圖中,有效錐尖阻力qe=qt-u2,其中, qt為孔壓修正錐尖阻力, u2為錐肩位置處量測的孔壓力，qt與qc的換算關系為

qt=qc+u2(1-a)

(3)

式中,a為探頭有效面積比,且本文取a=0.8．

圖1　樁基水平承載所需CPTU測試參數(shù)曲線

由圖1可知,液化地基處理后CPTU測試所得的錐尖阻力和側壁摩阻力都明顯增加,土層密實度提高,孔隙水壓力降低,說明十字翼共振法獲得了良好的處理效果．

圖2　單樁水平承載模型及土層分布

3　水平承載動力特征分析

文獻[11]開展了液化場地的單樁水平靜力學分析,通過與試樁結果進行比對,驗證了CPTU測試p-y曲線法的可行性．本文在文獻[11]的基礎上,著重考察了該液化場地處理前后單樁水平承載動力響應特征．本文對以下2個工況進行了模擬:① 加載振幅H=136kN,振動次數(shù)N=5,20,100,1 000;② 振動次數(shù)N=100,加載振幅H=25,50,75,100,125,150,175kN．

在如圖2所示的水平承載模型中,采用正弦波作為樁頂循環(huán)荷載輸入項,荷載周期T=2s,考察2個模擬工況下的單樁水平承載動力特性,并對比分析了液化地基處理前后的單樁水平承載差異．液化地基處理前后水平靜力載荷試驗得到的單樁臨界水平承載力分別為102和136kN[11]．數(shù)值計算過程中,采用文獻[7]建議的動力p-y 曲線衰減因子,對土抗力p進行折減,折減系數(shù)取0～0.9．對循環(huán)加載過程中的初始CPTU測試p-y曲線進行調(diào)整,以模擬樁周土的循環(huán)弱化效應．

工況1下計算獲得的樁頂位移Y隨振動次數(shù)的變化曲線見圖3．取每一級振動次數(shù)結束后的累積位移作為該級的最終加載位移．由圖可知,液化地基處理前后樁頂位移隨振動次數(shù)的增加均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢．液化處理前, N=1 000時樁頂位移達38.0mm,已超出《建筑基樁檢測技術規(guī)范》[13]中規(guī)定的30mm加載終止條件,樁身發(fā)生塑性破壞．而液化地基處理后, N=1 000時樁頂位移為7.6mm,僅為處理前的1/5，表明經(jīng)十字翼共振法處理后的可液化地基會使樁周土的水平土抗力增加,土體的抗液化能力增強．同時注意到,由于H=136kN高于液化處理前的單樁臨界水平承載力,因此,當加載的振動次數(shù)較少(N=5)時,樁頂起始位移較大(Y=16mm),而液化處理后單樁水平位移則變?yōu)閅=4.2mm．這與文獻[11]中靜力加載條件下的結果一致,由此驗證了本文計算模型的合理性．

圖3　工況1下樁頂位移隨振動次數(shù)的變化曲線

由圖3的分析結果可知,N=100時樁頂位移存在較大變化,因此選擇N=100作為固定振次，考察不同加載振幅下的樁頂位移變化規(guī)律．工況2下計算獲得的樁頂位移隨加載振幅的變化曲線見圖4．由圖可知,隨著加載振幅的增加,樁頂位移發(fā)生顯著的非線性變化．液化處理前,單樁在H=90kN時位移顯著增加;液化處理后,樁頂位移的快速增加出現(xiàn)在H=120kN以后,說明液化處理使樁基臨界水平承載力得到提高,較處理前提高約33%．而且從整個動力加載過程來看,每一級加載振幅下,液化處理后單樁的樁頂加載位移均低于液化處理前．

圖4　工況2下樁頂位移隨加載振幅的變化曲線

為進一步考察液化地基處理前后的樁基動力響應特征,研究了單樁在循環(huán)動力加載條件下的深部樁體受力變形規(guī)律．如圖5所示,H=136kN時,振動次數(shù)越多,則樁身彎矩M越大．究其原因在于,隨著振動次數(shù)的增加,土層循環(huán)弱化嚴重,樁周土抗力衰減程度加大,樁側土抗力降低后樁體自身需承擔的彎矩就會增加．此外,土層弱化后,樁身整體變形增加,液化處理后的樁身變形小于液化處理前樁身變形．

H=136kN高于液化處理前單樁的臨界水平承載力,在樁頂施加高循環(huán)荷載作用,未處理地層的土抗力衰減嚴重且迅速．因此,當N=5,1 000時,液化處理前樁身彎矩、變形均大于液化處理后樁身彎矩、變形．同時注意到,液化處理后,上部粉土層和粉土夾粉砂層對樁體的控制作用加強,樁身截面最大彎矩位置上移(見圖5(a)),樁頂水平荷載的傳遞深度降低．

N=100時的樁身受力變形曲線見圖6．由圖可知,隨著加載振幅的增加,樁身彎矩和位移也增加．與圖5中單純受振動次數(shù)影響不同,當振動次數(shù)固定時,加載振幅改變所引起的樁身彎矩增加,是由荷載加大引起的彎矩增加與土體循環(huán)弱化致使的彎矩增加2部分疊加而成的．在同一級別的振幅條件下,液化處理后的土層水平土抗力更大,分擔的樁體荷載應力更大,因此,液化處理后的樁身彎矩和變形均小于液化處理前．此外,液化處理后的樁身截面最大彎矩位置上移,樁頂水平荷載的影響深度下降．

(a) 樁身彎矩

(b) 樁身變形

(a) 樁身彎矩

(b) 樁身變形

4　結論

1) 可液化地基處理前后土體的動力特性發(fā)生改變,循環(huán)荷載作用下的單樁水平承載能力也發(fā)生改變．

2) 采用十字翼共振法處理可液化地基達到了良好的效果．在2種工況下,液化處理后的樁頂位移明顯小于液化處理前的樁頂位移．當H=136kN, N=1 000時,前者樁頂位移僅為后者的1/5．當N=100時,液化處理后單樁臨界水平承載力較處理前提高約33%．

3) 深部樁體受力變形研究結果表明,固定振幅時,振動次數(shù)越多,則樁身彎矩和變形越大;固定振動次數(shù)時,振幅越大,則樁身彎矩和變形越大．整體而言,液化處理后的樁身彎矩和變形小于液化處理前．

4) 經(jīng)過可液化地基處理后,在水平循環(huán)荷載作用下,單樁樁身截面最大彎矩位置上移,樁頂水平荷載的影響深度下降．

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Lateral dynamic bearing response properties of single pile before and after liquefaction ground treatment

Li Hongjiang1,2Yang Haokun3Liu Songyu1,2Tong Liyuan1,2Gu Qinfen4

(1Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Southeast University, Nanjing 210096, China) (3School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China) (4Jiangsu Provincial Construction Drawing Examination and Verification Center, Nanjing 210036, China)

To investigate the lateral dynamic bearing response properties of single pile before and after liquefaction ground treatment, the numerical calculation model for single pile under lateral dynamic loadings was proposed by using thep-y(soil resistance-pile deflection)curve method from piezocone penetration test (CPTU)data based on the liquefaction ground of the Golden Eagle project in Suqian. The horizontal bearing capacities of single pile under cyclic loading conditions with different vibration amplitudes and times were studied, and the corresponding dynamic response rules of single pile before and after liquefaction ground treatment were compared. The results show that after liquefaction ground treatment, both the horizontal bearing capacity of single pile and the soil liquefaction resistance increase, and the location of the pile maximum bending moment is up but the transfer depth of the pile top loading decreases. Both the pile deflection and the bending moment increase with the increase of the vibration amplitude and the vibration time under lateral cyclic load applied in pile top. Using the resonant compaction method with a criss cross section vibratory probe in liquefied foundation exhibits obvious effect for increasing the lateral bearing capacity of the pile.

liquefaction;pile foundation;p-ycurve;piezocone penetration test(CPTU);lateral bearing capacity

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.034

2016-03-20.作者簡介: 李洪江(1989—)，男，博士生；劉松玉(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導師，liusy@seu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(41572273，51279032)、“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ01B02)、江蘇省建設系統(tǒng)科技計劃資助項目(2014ZD66).

TU473

A

1001-0505(2016)05-1098-05

引用本文: 李洪江,楊昊坤,劉松玉,等.可液化地基處理前后單樁水平承載動力響應特征[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(5):1098-1102. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.034.