濕陷性黃土場地豎向承載灌注樁浸水試驗研究

張 磊, 羅少鋒, 魯 潔

(1. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，修建于濕陷性黃土場地的高層建筑、大荷載構(gòu)筑物、高速公路、高速鐵路等越來越多；這些工程荷載較大或?qū)Τ两狄筝^高，樁基礎(chǔ)為其主要基礎(chǔ)形式[1].由于地下管道破壞長期漏水、建筑物地面經(jīng)常受水浸濕或大面積積水、農(nóng)田灌溉及各種水利設(shè)施的興建等原因，濕陷性黃土場地有受水浸濕的可能性[2].很多學(xué)者[3-4]通過現(xiàn)場浸水試驗對黃土的濕陷特性展開研究，并得到一些有益的結(jié)論.濕陷性黃土在天然含水量下工程性質(zhì)良好，浸水后發(fā)生濕陷變形使樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力；負(fù)摩阻力對樁產(chǎn)生下拉作用，不但不會對施加于樁頂?shù)呢Q向荷載起抵抗作用，反而導(dǎo)致樁基承載力下降，樁身沉降增大[5].劉爭宏等[6]和劉明振[7]分別提出了黃土浸水濕陷使樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力時單樁和群樁的沉降計算方法；李晉等[8]建立了有限元模型，并分析了黃土濕陷特性對樁基豎向承載性狀的影響規(guī)律；王長丹等[9]利用重塑黃土代替原狀黃土，通過離心模型試驗分析了基樁負(fù)摩阻力分布規(guī)律和中性點位置的變化規(guī)律.由于目前研究浸水條件下濕陷性黃土場地樁基豎向承載的計算方法和室內(nèi)試驗尚不成熟，現(xiàn)場試驗仍是最有效的研究手段.黃雪峰等[10]結(jié)合寧夏扶貧揚(yáng)黃工程，研究了自然狀態(tài)下及浸水條件下大厚度自重濕陷性黃土中灌注樁豎向承載性狀.曹衛(wèi)平等[11]研究了濕陷性黃土地基中人工挖孔擴(kuò)底灌注樁在先加載后浸水和預(yù)浸水條件下樁身摩阻力、樁端反力及樁身中性點深度的發(fā)展變化規(guī)律，并將試驗結(jié)果與我國現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行對比.宗雪梅等[12]取消了浸水場地常用的浸水孔，分析了自然條件下和浸水條件下樁頂沉降、樁側(cè)摩阻力及樁端反力的發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)浸水濕陷時全厚黃土層內(nèi)樁側(cè)摩阻力并非全為負(fù)值；而朱彥鵬等[13]采用直徑為2 m的小直徑試坑浸水，并在樁身上鉆注水孔，在注水孔不同深度處設(shè)置若干個滲水孔以向樁周黃土浸水，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁身正、負(fù)摩阻力交替出現(xiàn).劉飛等[14]在自重濕陷性黃土場地(經(jīng)由室內(nèi)試驗結(jié)果判定)上研究了天然、預(yù)濕、后濕三種工況下PHC管樁的豎向承載性狀，但在試驗中并未檢測出樁側(cè)負(fù)摩阻力，指出根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果判定場地濕陷類型并不可靠；而李大展等在非自重濕陷性黃土場地(經(jīng)由現(xiàn)場實測結(jié)果判定)的浸水試驗結(jié)果[15]表明，擴(kuò)底灌注樁的樁側(cè)負(fù)摩阻力及由浸水引起的樁頂附加沉降仍較為顯著，且施加垂直荷載的樁頂附加沉降量比無垂直荷載作用的樁大得多.由現(xiàn)有的研究成果可以看出，雖然目前濕陷性黃土場地樁基豎向承載現(xiàn)場浸水試驗研究已有很多，但浸水方法和黃土濕陷性評價方法尚不成熟，浸水條件下樁基豎向承載規(guī)律尚未被研究人員和設(shè)計人員掌握.因此，有必要繼續(xù)對不同的黃土場地及不同的樁型采用不同的浸水方法開展現(xiàn)場試驗研究.

本文通過對自重濕陷性黃土場地中3根鉆孔灌注樁在天然、先加載后浸水和預(yù)浸水3種工況下的靜載荷試驗，分析了加載及浸水過程中樁頂沉降、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端反力等的發(fā)展變化規(guī)律，所得成果可為類似工程設(shè)計提供參考.

1 試驗概況

1.1 試驗場地地質(zhì)條件

試驗場地位于陜西省銅川市董家河循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范園區(qū)內(nèi)，地貌屬渭北黃土塬，塬面地形平坦、開闊.場地地下水為孔隙型潛水和基巖裂隙水，埋藏較深，本次試驗不受其影響.地層結(jié)構(gòu)在地面以下45 m以內(nèi)均為黃土與古土壤的互層，其中上部6.8 m為馬蘭黃土，下部為離石黃土.自上而下，各土層物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.F5層及以下地層可不考慮濕陷性.試樁附近自重濕陷量計算值為635 mm，總濕陷量計算值為1 814 mm；由此判定場地濕陷類型為自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級為IV級，濕陷程度很嚴(yán)重.

表1 地基土物理性質(zhì)指標(biāo)匯總表

1.2 試驗方案

試驗采用錨樁橫梁式.共安排試樁3根，排列成“一”字形，編號依次為A1、A2和A3，直徑均為800 mm，樁長為41.5 m，樁端持力層為F6古土壤，混凝土強(qiáng)度等級為C35.安排錨樁8根，樁徑為800 mm，樁長為41 m，混凝土強(qiáng)度等級為C35.錨樁分為兩排，每排4根，與試樁平行排列，且試樁位于相鄰4根錨樁的中心處.相鄰試樁及相鄰錨樁之間的間距均為5 m，錨樁排距為5 m，相鄰試樁與錨樁之間的距離為3 536 mm.試樁和錨樁均為干作業(yè)旋挖鉆孔灌注樁.低應(yīng)變測試結(jié)果表明試樁和錨樁均為基本完整樁，即樁身缺陷輕微，不會影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮.

試驗選取A2和A3兩根試樁進(jìn)行樁周土浸水.由于工期緊迫，只在樁周小范圍內(nèi)浸水.浸水坑形狀為以樁體中心為圓心的圓形，直徑為2 m，坑深1 m.試坑內(nèi)均勻布置直徑為78 mm、深度為20 m的滲水孔4個，孔內(nèi)填充粒徑為5～20 mm、含泥量小于1%的砂礫石.浸水坑坑底鋪設(shè)30 cm厚的卵礫石層，粒徑5～20 mm，含泥量小于1%.

試驗加載方式為慢速維持荷載法.A1試樁在樁周土為天然狀態(tài)下分級施加至11 000 kN，然后分級卸荷到零.A2試樁先加載至4 000 kN，樁沉降穩(wěn)定后在樁周連續(xù)浸水7 d，繼續(xù)加載至11 000 kN然后分級卸荷到零，試驗過程中繼續(xù)浸水.A3試樁先在樁周連續(xù)浸水14 d，在繼續(xù)浸水的情況下加載至12 000 kN，然后分級卸荷到零.在A2和A3試樁主筋不同部位的斷面上對稱安裝2只鋼筋應(yīng)力計，鋼筋計的設(shè)置間距根據(jù)地層分布確定，埋設(shè)位置如圖1所示，每根樁共設(shè)置鋼筋應(yīng)力計28個.靜載試驗開始前測量一次鋼筋計讀數(shù)，作為初讀數(shù)，以后每級荷載下樁沉降穩(wěn)定后進(jìn)行測量；浸水期間每隔一定時間測量一次.根據(jù)測量結(jié)果，可以計算得到樁側(cè)摩阻力、樁身軸力及樁端反力.

圖1 鋼筋應(yīng)力計埋設(shè)截面(單位：m)Fig. 1 Layout of stress meters for steel bars (unit: m)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 樁頂沉降特征

A1、A2和A3試樁的樁頂沉降s與荷載Q關(guān)系曲線如圖2所示.考慮設(shè)計要求荷載及設(shè)備疲勞原因，A1和A2試樁加載至11 000 kN，A3試樁加載至12 000 kN，均未加載至樁體破壞.由圖2可見，當(dāng)荷載較小時，三根試樁的樁頂沉降s隨荷載Q的增加均成線性增長；隨著荷載的繼續(xù)增加，沉降增速逐漸增大，Q～s曲線呈非線性.當(dāng)加載至11 000 kN時，A1試樁的沉降為17.58 mm，A2試樁由于樁周土體浸水沉降達(dá)到27.29 mm，約為A1試樁的1.55倍.同樣由于樁周土體浸水的原因，A3試樁在加載至12 000 kN時沉降為27.2 mm.卸載到0時A1、A2和A3試樁的回彈變形分別為11.04 mm、14.51 mm和14.84 mm，回彈變形均較大.A2試樁在荷載為4 000 kN的浸水期間，沉降由6.21 mm增至8.13 mm，由樁身軸力檢測結(jié)果表明，這主要是由于浸水期間樁身上部樁側(cè)正摩阻力減小，樁身壓縮量增大所致.由于A3試樁在荷載為0的浸水期間基本未檢測到樁側(cè)負(fù)摩阻力，該期間樁頂沉降為0.

圖2 荷載 - 沉降曲線Fig. 2 Load-settlement curves

2.2 浸水期間樁側(cè)摩阻力和樁身軸力演化特征

A3試樁在樁頂未施加豎向荷載的情況下浸水，鋼筋應(yīng)力計測試結(jié)果表明樁側(cè)基本未出現(xiàn)負(fù)摩阻力，通過觀察樁周土也未發(fā)現(xiàn)裂縫等浸水濕陷土層具有的外部特征，因此在本試驗小試坑浸水及場地地層條件下，樁周土層未受到附加應(yīng)力時浸水未產(chǎn)生濕陷變形，從而在樁側(cè)也未產(chǎn)生負(fù)摩阻力.A2試樁在樁頂維持4 000 kN荷載不變的情況下浸水，浸水期間樁身軸力及樁側(cè)摩阻力隨浸水時間的發(fā)展演化規(guī)律如圖3所示.由圖3可見，隨著浸水時間的增加，樁周土層在附加應(yīng)力的作用下逐漸浸水濕陷，樁身上部樁土相對位移逐漸減小，樁側(cè)正摩阻力逐漸減小，且其變化的速率逐漸減小，由此導(dǎo)致樁身上部軸力逐漸增大，且其變化的速率也逐漸減小.由于樁身上部軸力增大，樁身中部沉降增大并超過土體濕陷變形，致使樁側(cè)摩阻力隨浸水時間的增加而增大，但其變化速率逐漸減?。粯渡碇胁枯S力也稍有增大.由于樁身中部軸力增加，且F5層及以下地層可不考慮濕陷性，隨浸水時間的增加樁身下部樁土相對位移增大，樁側(cè)摩阻力和樁身軸力也均稍有增加.由此可以看出，在本試驗小試坑浸水及場地地層條件下，樁周土層在附加應(yīng)力的作用下雖有濕陷變形發(fā)生，但濕陷變形量并不大，并未使樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，樁身軸力的最大值仍位于樁頂.

圖3 浸水期間A2試樁承載性狀 - 時間關(guān)系曲線Fig.3 Bearing behaviors of No.2 pile-time curves during immersing

2.3 加載過程中樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端反力演化特征

圖4 加載過程中A2試樁樁身軸力和樁側(cè)摩阻力沿深度分布Fig.4 Distributions of axial force and skin friction of No.2 pile along depth during loading

加載過程中A2試樁和A3試樁的樁身軸力和樁側(cè)摩阻力沿深度的分布分別如圖4和圖5所示，樁端反力與樁頂荷載的關(guān)系如圖6所示.由圖4和圖5可見，當(dāng)荷載逐步施加于樁頂，樁身壓縮并相對于樁周土產(chǎn)生向下的位移，樁周土為抵抗樁土相對位移而對樁側(cè)表面施加向上的摩阻力，也即正摩阻力，致使樁身軸力沿深度逐漸遞減.當(dāng)樁頂荷載較小時，樁身上部軸力沿深度衰減的很快，樁頂荷載主要由樁身上部的側(cè)摩阻力承擔(dān).隨著樁頂荷載的增加，樁身上部的側(cè)摩阻力逐漸增大并穩(wěn)定下來，某些深度處樁側(cè)摩阻力在達(dá)到峰值后甚至隨樁土相對位移的增加而減小，此時樁身軸力逐漸向下傳遞，樁身中下部的側(cè)摩阻力也開始發(fā)揮，并最終傳至樁底，這點從圖6可以看出，至此樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力和樁端反力共同承擔(dān).由于A2試樁在樁頂維持4 000 kN荷載不變的情況下浸水，樁周土體軟化，在后續(xù)的加載過程中，樁身上部的側(cè)摩阻力明顯減小.由于A3試樁在樁頂施加豎向荷載之前浸水，相同荷載下樁身上部的側(cè)摩阻力比未浸水條件下同一深度處A2試樁的側(cè)摩阻力小.由圖6可見，A2試樁在樁周浸水并且樁頂荷載超過4 000 kN的情況下樁端才開始承擔(dān)荷載，且樁端反力隨樁頂荷載的增加而增大，其變化速率隨樁頂荷載的增加而增大，在樁頂荷載施加的后期樁端反力隨樁頂荷載的增加而急劇增大.A3試樁的樁端在樁頂荷載為3 000 kN時就承擔(dān)荷載，隨后A3試樁的樁端反力隨樁頂荷載的增加而增大，其變化速率也隨樁頂荷載的增加而增大.樁頂荷載小于5 000 kN時，A3試樁的樁端反力比A2試樁的樁端反力大；樁頂荷載超過5 000 kN時，A2試樁的樁端反力比A3試樁的樁端反力大.

圖5 加載過程中A3試樁樁身軸力和樁側(cè)摩阻力沿深度分布Fig.5 Distributions of axial force and skin friction of No.3 pile along depth during loading

圖6 樁端反力 - 樁頂荷載關(guān)系曲線Fig.6 End reaction-load curves

3 結(jié)論

在天然、先加載后浸水和預(yù)浸水3種工況下，對自重濕陷性黃土場地中的3根旋挖鉆孔灌注樁進(jìn)行靜載荷試驗，通過分析加載及浸水過程中樁頂沉降、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端反力等的發(fā)展變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

(1)隨著樁頂荷載的增加，樁頂沉降逐漸增大，其變化速率在初始段為常值，后半段逐漸增大.樁身軸力逐漸向深部傳遞，樁身上部的側(cè)摩阻力隨樁土相對位移的增加而增大并穩(wěn)定下來，某些深度處樁側(cè)摩阻力在達(dá)到峰值后甚至減小.樁身軸力最終傳至樁底，且浸水條件下比未浸水條件下樁身軸力先傳至樁底.樁端反力隨樁頂荷載的增加而增大，其變化速率隨樁頂荷載的增加而增大.

(2)浸水使樁周土體軟化，導(dǎo)致樁周土所能提供的最大側(cè)摩阻力減小，相同荷載作用下浸水時樁頂沉降比未浸水時樁頂沉降大得多.

(3)在本試驗小試坑浸水及場地地層條件下，樁周土層未受到附加應(yīng)力時浸水未產(chǎn)生濕陷變形，從而在樁側(cè)未產(chǎn)生負(fù)摩阻力，浸水期間樁頂沉降為0；樁頂維持4 000 kN荷載不變的情況下浸水，隨著浸水時間的增加，樁身上部正摩阻力減小而軸力增大，樁頂沉降增大，但也未在樁側(cè)檢測到負(fù)摩阻力，樁身軸力的最大值仍位于樁頂.