自重濕陷性黃土中灌注樁水平向載荷試驗研究★

張 磊 羅少鋒 魯 潔

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

由于風荷載、流水壓力、汽車的制動力和牽引力、離心力、船只或汽車的撞擊力等作用，樁基礎承受水平荷載。現(xiàn)場載荷試驗是研究樁土相互作用最有效的手段，目前水平荷載作用下樁基現(xiàn)場試驗研究大多針對不同樁型在砂土地層或軟土地層開展[1,2]。黃土在一定的壓力下受水浸濕后結構迅速破壞，發(fā)生顯著下沉，這被稱為黃土的濕陷性。因此黃土是一種在特定環(huán)境中形成的具有特殊性質(zhì)的土[3]，而濕陷性黃土地區(qū)樁基水平承載現(xiàn)場試驗研究目前還較為少見。費利婭等[4]通過現(xiàn)場靜載荷試驗研究了非飽和黃土中大直徑嵌巖樁的水平承載性狀，試驗采用單向多循環(huán)加載法，并用鋼筋應力計量測樁身內(nèi)力。滕延京等[5]開展了大直徑擴底灌注樁現(xiàn)場水平靜載荷試驗，采用滑動測微計測量樁身應變并換算成樁身內(nèi)力，分析了樁徑、樁長、樁頂豎向荷載、浸水等對樁基水平承載性狀的影響，驗證了幾種線彈性地基反力法應用于自然及浸水飽和狀態(tài)下濕陷性黃土地層中樁身側向響應計算的適用性。蔡軍[6]開展了天然和浸水兩種條件下自重濕陷性黃土場地上人工挖孔灌注樁現(xiàn)場水平承載試驗，分析試驗結果后指出樁周土的物理狀態(tài)是樁基水平承載力的首要影響因素，樁頂施加一定的豎向荷載可提高樁基水平承載力。由研究現(xiàn)狀可以看出，目前濕陷性黃土地區(qū)樁基水平承載現(xiàn)場試驗研究還不充分，天然條件下和浸水條件下的樁基水平承載規(guī)律尚未被設計人員和研究人員掌握。因此，有必要對不同的樁型在不同的黃土場地繼續(xù)開展現(xiàn)場水平靜載荷試驗研究。

本文對自重濕陷性黃土場地中的2根鉆孔灌注樁開展浸水飽和狀態(tài)下的水平向靜載荷試驗，分析了樁基水平承載性狀，所得結論可為同類工程設計施工提供參考。

1 試驗概況

1.1 地質(zhì)條件

試驗場地位于陜西省銅川市的董家河循環(huán)經(jīng)濟示范園。地貌單元屬渭北黃土塬，塬面開闊、平坦，呈臺階狀。地下水位較深，本試驗不受其影響。鉆孔揭露地表以下45 m范圍內(nèi)為黃土與古土壤的互層，其中上部6.8 m為Q3黃土，下部38.2 m為Q2黃土。自地表向下，各土層的物理力學性質(zhì)指標如表1所示。F5層及以下地層的濕陷性可不考慮。試樁附近濕陷量的計算值為1 814 mm，自重濕陷量的計算值為635 mm，因此場地的濕陷類型判定為自重濕陷性場地，地基的濕陷等級為Ⅳ級。

1.2 實驗方案

試驗反力系統(tǒng)采用反力樁橫梁反力架裝置。共安排試樁2根，編號為A2和A3，樁長均為41.5 m，直徑為800 mm，中心距為5 m。安排反力樁3根，排成一排并與試樁平行，中心距為5 m，樁長為41 m，直徑為800 mm。試樁與相鄰反力樁之間的距離為3 536 mm。試樁和反力樁均為干作業(yè)旋挖鉆孔灌注樁，樁身均采用42.5 MPa普通硅酸鹽水泥。試樁主筋為14Φ16，配筋率為0.56%，沿樁身通長布置。螺旋箍筋靠近樁頂3 m范圍內(nèi)為Φ10@100，3.0 m～7.5 m范圍內(nèi)為Φ10@150，以下為Φ10@250。反力樁主筋為22Φ25，沿樁身通長布置，結構配筋形式與試樁類似。試樁和反力樁的樁身混凝土強度等級不低于C35，樁頭混凝土強度等級不低于C40。低應變測試結果表明樁身基本完整，也即樁身缺陷輕微，不會對樁身結構承載力的正常發(fā)揮產(chǎn)生影響。

表1 地基土層的物理力學性質(zhì)指標

以試樁為中心各設置一個直徑為2 m、深度為1 m的試坑?？觾?nèi)布置深度為20 m、直徑為78 mm的滲水孔4個，孔內(nèi)填充砂礫石；坑底鋪設30 cm厚的卵礫石層。試驗加載前向坑內(nèi)注水，以研究樁周土體浸水飽和時樁基水平承載性狀。

試驗采用千斤頂施加水平力，在千斤頂與試樁接觸處安置球形鉸座，以保證千斤頂作用力水平通過樁身軸線。在水平力作用平面的受檢樁兩側安裝位移計，以量測樁身水平位移。采用單向多循環(huán)加載法，按15 kN～25 kN的荷載增量逐級施加，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，至此完成一個加卸載循環(huán)，如此循環(huán)5次便完成一級荷載的試驗觀測。試驗中途不停歇。當樁身折斷或樁身水平位移超過30 mm～40 mm時，終止加載。

2 試驗結果及分析

A2和A3試樁的水平力—時間—作用點位移曲線如圖1所示，水平力—位移梯度曲線如圖2所示，圖中H表示水平力，t表示時間，Y0表示水平力作用點處樁身水平位移，ΔH表示水平荷載增量，ΔY0表示某級水平荷載增量下荷載作用點處樁身水平位移增量，(ΔY0/ΔH)表示位移梯度。由圖1可見，當采用單向多循環(huán)加載法時，如果荷載較小，加載后樁身水平位移較小，卸載后位移可全部恢復，樁身和樁周土均處于彈性狀態(tài)。隨著水平荷載的增加，每級荷載增量下樁身水平位移增量增加，卸載后出現(xiàn)不可恢復的殘余水平位移，且卸載后恢復的樁身水平位移和殘余位移均逐漸增加。當水平荷載超過200 kN，A2和A3試樁的水平力—時間—作用點位移曲線均出現(xiàn)拐點，說明兩個試樁的樁身受拉區(qū)混凝土明顯退出工作，因此A2試樁和A3試樁的單樁水平臨界荷載均為200 kN。臨界荷載作用下A3試樁的荷載作用點處樁身水平位移為0.80 mm，比A2試樁的3.22 mm小得多，這有可能是由于A3試樁浸水后樁周土飽和度較低造成土體抵抗側向變形的能力較高，致使荷載作用點以下樁身水平位移較小造成的。當施加于A2試樁的水平荷載超過300 kN，施加于A3試樁的水平荷載超過360 kN，水平力—時間—作用點位移曲線均出現(xiàn)陡降，說明A2試樁和A3試樁的水平極限承載力分別為300 kN和360 kN，對應的水平荷載作用點處樁身水平位移分別為13.84 mm和10.94 mm。由圖2可見，兩根試樁的水平力—位移梯度曲線均大體上呈三段折線形，且每段折線的斜率隨水平荷載的增加而增大。第一個拐點對應的水平荷載為臨界荷載，因此A2試樁和A3試樁的水平臨界荷載均為200 kN，這與水平力—時間—作用點位移曲線確定的水平臨界荷載一致。第二個拐點對應的水平荷載為極限承載力，因此A2試樁和A3試樁的水平極限承載力分別為300 kN和360 kN，這也與水平力—時間—作用點位移曲線確定的水平極限承載力一致。

按JGJ 106—2003建筑樁基檢測技術規(guī)范的規(guī)定，當水平承載力按樁身強度控制時，單樁水平承載力特征值為200 kN，也即取為水平臨界荷載的統(tǒng)計值；當樁受長期水平荷載作用且樁不允許開裂時，單樁水平承載力特征值為160 kN，也即取為水平臨界荷載統(tǒng)計值的0.8倍。由于樁身配筋率小于0.65%，按JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范的規(guī)定，單樁水平承載力特征值為150 kN，也即取為臨界荷載的0.75倍。

3 結語

本文針對自重濕陷性黃土場地中的2根鉆孔灌注樁開展了樁周黃土浸水飽和狀態(tài)下的水平向靜載荷試驗，通過分析樁頂水平位移及各級荷載增量下的水平位移增量等的發(fā)展變化規(guī)律，得到以下主要結論：

1)荷載作用點處樁身水平位移隨水平荷載的增加而增大。水平荷載較小時，相同水平荷載增量下的樁身水平位移增量較小，卸載后可完全恢復；隨著水平荷載的增加，水平荷載增量下的樁身水平位移增量逐漸增大，卸載后恢復的樁身水平位移和殘余位移均逐漸增加。

2)水平力—位移梯度曲線大體上呈三段折線形，且每段折線的斜率隨水平荷載的增加而增大。

3)水平力—時間—作用點位移曲線出現(xiàn)拐點的前一級荷載為單樁的水平臨界荷載，產(chǎn)生明顯陡降的前一級荷載為單樁的水平極限承載力。水平力—位移梯度曲線的第一個拐點對應的荷載為水平臨界荷載，第二個拐點對應的荷載為水平極限承載力。兩種方法確定的臨界荷載和極限承載力一致。