過厚層填土嵌巖樁承載力性狀試驗(yàn)研究

(廣西瑞宇建筑科技有限公司,南寧 530003)

引言

近些年來，在社會經(jīng)濟(jì)和國家政策的指引下，我國土木工程基建事業(yè)快速發(fā)展，其中高層和超高層建筑物的發(fā)展尤為迅速，從而使我國的深基礎(chǔ)工程不斷面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。樁基礎(chǔ)由于其承載能力高、適用范圍廣、歷史久遠(yuǎn)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于深基礎(chǔ)工程中[1-4]。而嵌巖樁因?yàn)槠鋯螛冻休d力高且擁有良好的抗震性能和良好的沉降收斂性能而被施工單位運(yùn)用到深基坑工程中[5-8]，正逐漸往大直徑、深長嵌巖樁的研究方向發(fā)展[9-13]，但由于嵌巖樁的高承載力導(dǎo)致其試驗(yàn)破壞過程較困難，所以現(xiàn)行關(guān)于嵌巖樁的工程試樁實(shí)測資料匱乏，極大地影響了人們對于嵌巖樁承載性狀的相關(guān)了解[14-18]。且目前應(yīng)用于工程實(shí)際中的嵌巖樁穿過填土層的厚度一般較小，更加缺乏對過厚填土層嵌巖樁的承載力性狀的試驗(yàn)研究。本文通過對南寧市第三中學(xué)國際學(xué)校過厚層填土三根嵌巖樁進(jìn)行現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，研究討論其在靜載作用下的承載特性，以此為嵌巖樁在今后類似地質(zhì)條件下的實(shí)際工程施工過程提供相關(guān)應(yīng)用參考依據(jù)。

1 工程概況及試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

該工程為南寧市第三中學(xué)國際學(xué)校工程，場地地形屬南寧盆地邊緣低丘地貌，位于南寧向斜構(gòu)造盆地東南部邊緣，從南至北呈斜坡狀，起伏較大，高差約10 m～34m，地面標(biāo)高約為105.62 m～157.77m。場地內(nèi)大部分區(qū)域存在回填土，厚約0.5 m～43.1m。下伏巖土層主要為古近系內(nèi)陸湖相沉積的半成巖軟質(zhì)巖類地層，由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖互層夾褐煤、鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r等組成。兩根試樁Z1(長21.6m，樁徑1m)和Z2(長16m，樁徑1m)樁位處地層分布如表1-2。

表1 試驗(yàn)樁Z1地質(zhì)情況表

表2 試驗(yàn)樁Z2地質(zhì)情況表

1.2 試驗(yàn)方案

測試采用慢速維持荷載法。

1)加載前對樁進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓值為按勘察報告參數(shù)計算的極限荷載的10%。

2)加載分級進(jìn)行，每一級極限荷載的10%，首次加載極限荷載的20%，加載至極限荷載后按極限荷載的5%進(jìn)行加載，加載至破壞。

3)加時應(yīng)使荷載傳遞均勻、連續(xù)、無沖擊，每級荷載在維持過程中的變化幅度不得超過分級荷載的±10%。

加載分級見表3。

表3 試驗(yàn)樁Z1、Z2加載分級表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 荷載—沉降(Q—s)關(guān)系曲線

根據(jù)以上試驗(yàn)所得結(jié)果，Z1、Z2試樁所得的荷載—沉降(Q—s)曲線如圖1所示。

圖1 Z1樁荷載—沉降(Q—s)關(guān)系曲線圖

圖2 Z2樁荷載—沉降(Q—s)關(guān)系曲線圖

由圖1知，Z1試樁預(yù)估單樁豎向抗壓極限承載力值為10900kN，當(dāng)加載至第10級已達(dá)到本試樁預(yù)估單樁豎向抗壓極限承載力值為10900kN時，測得樁頂沉降量為25.3mm，沉降數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，遠(yuǎn)小于試樁破壞極限s=80.00mm。為了使試樁達(dá)到極限破壞繼續(xù)加載，至15805kN時樁頂位移超過8000mm，已超過試樁破壞值，停止了加載。根據(jù)規(guī)范對緩變型Q～s曲線可取s=0.05D(D為樁徑，s=50mm)對應(yīng)的荷載值作為單樁豎向抗壓極限承載力，第2根試樁取s小于50mm的上一級做為單樁豎向抗壓極限承載力，即13625kN，對應(yīng)的位移為49.00mm。

由圖2知，Z2試樁預(yù)估單樁豎向抗壓極限承載力值為7090kN，當(dāng)加載至第10級已達(dá)到本試樁預(yù)估單樁豎向抗壓極限承載力值為7090kN時，測得樁頂沉降量為35.00mm，沉降數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，遠(yuǎn)小于試樁破壞極限s=80.00mm，為了使試樁達(dá)到極限破壞繼續(xù)加載至7865kN時樁頂位移s=80.34mm，已達(dá)到試樁破壞值，停止了加載。根據(jù)規(guī)范對緩變型Q～s曲線可取s=0.05D(D為樁徑，s=50mm)對應(yīng)的荷載值作為單樁豎向抗壓極限承載力，第3根試樁取s小于50mm的上一級做為單樁豎向抗壓極限承載力，即7507kN，對應(yīng)的位移為47.00mm。

2.1 樁軸向力

樁的軸向荷載傳遞，就是指在樁頂軸向荷載作用下，樁身產(chǎn)生內(nèi)力和變形，通過樁壁和土的相對位移(簡稱樁土位移)產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力，同時樁端對土的貫入產(chǎn)生樁端阻力，作用在樁頂?shù)妮S向荷載就是通過樁側(cè)摩阻力和樁端阻力傳遞到土中的。

均質(zhì)土體中的一根等截面的單樁(樁周土不動，樁在荷載下往下壓)，在樁頂荷載Q作用下：樁頂位移δ0、樁身任意深度z處的軸力NZ和樁土位移δz以及樁端的軸力N1和位移Z1。以樁頂(地面)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，離樁頂深度為 處的樁身軸力為：

(1)

通過靜載試驗(yàn)和內(nèi)力測試可以得到軸力分布情況，如圖3、4所示。

圖3 Z1樁軸力—埋深(N—s)關(guān)系曲線圖

由圖4可以看出，隨著埋深增大，樁身截面的軸力將隨之減小，是因?yàn)樵谪Q向荷載的作用下，嵌巖樁的樁體會產(chǎn)生一定的軸向壓縮，將會與嵌巖樁周圍的土體產(chǎn)生縱向相對位移，在樁和周圍土體間就會形成摩阻力，會阻礙樁頂荷載沿嵌巖樁身往下部的傳遞，所以會使得樁身截面的軸力隨著深度的增大而減小。對于某一個試樁來說，當(dāng)其樁頂?shù)暮奢d越大時，相應(yīng)軸力遞減速率也更快，這表明了樁頂荷載越大時，樁側(cè)阻力的阻礙作用就越明顯。對于Z1和Z2試樁來說，其樁端截面仍殘余一定軸力，表明了該嵌巖樁的樁端阻力也起著一定的作用。

圖4 Z1樁軸力—埋深(N—s)關(guān)系曲線圖

2.2 樁側(cè)摩阻力

由側(cè)摩阻力的計算公式f=Qi-QI+1(kN)和單位摩阻力公式fi=(Qi-Qi+1)/(πDh)(kPa)[19],可以得出相應(yīng)荷載下各個土層的單位摩阻力和總摩阻力，并整理繪制沿嵌巖樁埋深變化的摩阻力圖如圖5所示。

圖5 Z1樁摩阻力—埋深關(guān)系曲線圖

由圖5知，加載量較小時，上部荷載由素填土側(cè)阻力承擔(dān)較大一部分；隨著加載量的增加，強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化泥巖側(cè)阻力逐漸增加。加載接近極限承載力13625kN時，素填土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層側(cè)阻力增加量減小，說明該土層側(cè)阻力得到了較充分發(fā)揮，而中風(fēng)化泥巖側(cè)阻力隨加載的增加側(cè)阻力仍繼續(xù)增大。由圖6知，加載量較小時，上部荷載由素填土、粉質(zhì)粘土側(cè)阻力承擔(dān)較大一部分；隨著加載量的增加，強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化砂巖層側(cè)阻力逐漸增加。當(dāng)荷載在4290kN～6435kN之間達(dá)到最大值，隨荷載的增加側(cè)阻力有減小的趨勢。

總體來說，對于嵌巖樁來說，當(dāng)其樁頂荷載越大時，樁側(cè)摩阻力就越大，其阻礙作用就越明顯。

圖6 Z2樁摩阻力—埋深關(guān)系曲線圖

2.3 樁端阻力

由圖7知，加載超過5450kN樁端阻力才開始發(fā)揮，加載到11445kN時樁端阻力發(fā)揮急驟增加，加載至13625kN時樁端端阻為4880kPa，繼續(xù)加載樁端端阻仍有所增加,這也說明試樁的樁端阻力沒有得到充分的發(fā)揮。由圖8知，加載超過1000kN樁端阻力才開始發(fā)揮，加載至5720kN后端阻力急驟增加，加載至7507kN時樁端端阻力為2857kPa，略小于勘察報告所提供的3000kPa，也說明在該試驗(yàn)條件下試樁樁端阻力并沒有達(dá)到極限值。

圖7 Z1樁端阻力—荷載關(guān)系曲線圖

圖8 Z2樁端阻力—荷載關(guān)系曲線圖

3 結(jié)論

本文通過對過厚層填土嵌巖樁進(jìn)行現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，研究討論其在靜載作用下的承載特性，并為今后工程實(shí)際施工提供借鑒意義，總結(jié)有以下結(jié)論：

(1)在豎向荷載作用下，樁周土巖層的側(cè)摩阻力和樁端巖層的端承力一起構(gòu)成嵌巖樁承載力。在豎向荷載的作用下，嵌巖樁會產(chǎn)生一定的軸向壓縮從而與周圍土體發(fā)生相對位移形成側(cè)摩阻力阻礙樁頂荷載沿嵌巖樁身往下部的傳遞，使得樁身截面的軸力隨著深度的增大而減小。當(dāng)嵌巖樁頂豎向荷載越大時，其軸力衰減也越快。

(2)該試驗(yàn)條件下，各試樁的樁端阻力都隨著豎向荷載的增加而增大，說明試樁的樁端阻力并沒有得到充分的發(fā)揮。

(3)由于過厚層填土的存在，成樁充盈系數(shù)偏大，試樁施工過程不可避免產(chǎn)生塌孔、沉渣等現(xiàn)象。試樁結(jié)果顯示，中風(fēng)化粉砂巖端阻力占總加載量比重小，因此建議無論是試樁還是工程樁施工過程應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿護(hù)壁的泥漿稠度，加強(qiáng)沉渣厚度檢測。

(4)在過厚層填土地區(qū)采用旋挖樁施工工藝，即使施工十分嚴(yán)格仍有出現(xiàn)較厚沉渣的可能，故建議采用樁底注漿技術(shù)，以保證端阻的充分發(fā)揮。