硅藻土層水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m試驗研究

康銀庚, 高 磊, 羅 易, 高明軍, 王 權(quán)

(1.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024)

近年來，隨著中國高鐵建設(shè)的迅猛發(fā)展，難以避免地遇到一些特殊的、復(fù)雜的地質(zhì)情況，特殊巖土的物理力學(xué)特性及其對工程建設(shè)的影響必須得到重視。硅藻土是一種含有較多有機質(zhì)的特殊土，具有孔隙大、密度小、結(jié)構(gòu)松散、抗剪強度較低和壓縮性較高等特點；硅藻土的成分復(fù)雜，通常含黏土礦物、碳質(zhì)、鐵質(zhì)、碳酸鹽等礦物，遇水容易軟化，力學(xué)性質(zhì)急劇下降，呈軟塑狀態(tài)，工程性質(zhì)較差[1]。現(xiàn)有的巖土工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范以及研究文獻等涉及硅藻土方面的很少。

硅藻土作為地基土，其水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m在橋梁樁基設(shè)計時是一個必不可少的參數(shù)，然而地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的確定是工程界的一大難題。夏云金和吳向濤[2]針對城市軌道交通工程中的地基土提出了水平抗力系數(shù)m取值的幾種方法；樓曉明等[3]基于p-y曲線，結(jié)合p-y曲線法與m法，確定了飽和黏性土的比例系數(shù)；范秋雁等[4]通過收集廣西南寧盆地泥巖抗滑樁的現(xiàn)場水平靜載試驗資料，反算出了泥質(zhì)軟巖的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m；鐘鳴等[5]采用位移反分析法，推導(dǎo)出計算函數(shù)，求得了水平受力樁的比例系數(shù)m；黃曉亮等[6]通過對組合樁的水平承載力載荷試驗和計算分析，得出了組合樁地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的計算方法；賈慶山[7]根據(jù)不同類型的抗滑樁編制了地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m表。目前中外關(guān)于硅藻土比例系數(shù)m的研究幾乎未見報道，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上開展硅藻土橋梁樁基現(xiàn)場水平靜載試驗，進行水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m研究，對于工程設(shè)計與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

現(xiàn)依托杭紹臺高鐵項目，通過對硅藻土層的3根灌注樁進行水平靜載荷試驗，得到樁側(cè)地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m，進而根據(jù)試驗路段的勘察資料和單樁水平靜載試驗結(jié)果，對白色、蘭色和黑色三類硅藻土的比例系數(shù)m進行推定，以期為橋梁樁基的設(shè)計計算提供取值參考。

1 硅藻土層灌注樁現(xiàn)場水平靜載試驗

1.1 工程概況

試驗依托工程位于浙江省紹興市嵊州市，擬建上碑山特大橋與若水特大橋為高速鐵路橋梁，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。試驗共分A、B、C三組樁，其中A組位于上碑山特大橋3-4號墩間，試樁編號AS5，B組位于若水特大橋26-27號墩間，試樁編號BS1，C組位于上碑山特大橋1號墩間，試樁編號CS1。三根試驗樁主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 單樁水平靜載試驗參數(shù)表

1.2 水平靜載現(xiàn)場試驗

水平靜載試驗加荷與位移量測系統(tǒng)主要采用RS-JYC樁基靜載荷測試分析儀以及100 t、320 t液壓千斤頂，試驗裝置如圖1所示。

為了模擬實際樁基的受力形式，試驗采用目前較為廣泛使用的單向多循環(huán)水平加載法。設(shè)計容許水平承載力為864 kN。首先試驗的AS5樁按86 kN分級加載，后續(xù)試驗的BS1、CS1樁按50 kN分級加載以提高測試精度。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，至此完成一次加卸載循環(huán)，如此循環(huán)5次便完成一級荷載的試驗觀測；當(dāng)加載至水平位移量超過30～40 mm時，終止試驗；試驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 單樁水平靜載試驗裝置示意圖

圖2 現(xiàn)場加載

試驗結(jié)果中水平力用變量H表示，時間用變量t表示，位移用變量Y0表示，位移梯度用變量式ΔY0/ΔH表示，最終單樁水平臨界承載力Hcr按下列兩種方法確定：①取水平力-時間-位移(H-t-Y0)曲線出現(xiàn)拐點的前一級水平荷載值；②取水平力-位移梯度(H-ΔY0/ΔH)曲線第一個拐點對應(yīng)的水平荷載值。單樁水平極限承載力Hu按下列兩種方法確定：①取水平力-時間-位移(H-t-Y0)曲線出現(xiàn)明顯陡降的前一級水平荷載值；②取水平力-位移梯度(H-ΔY0/ΔH)曲線上第二拐點(第二直線段的終點)對應(yīng)的水平荷載值。

1.3 試驗結(jié)果

A組和C組試樁試驗時，天氣情況多以小雨、中雨天氣為主，導(dǎo)致淺層土體濕潤；B組試樁試驗時多以晴到多云天氣為主，淺層土體較為干燥。3根單樁水平靜載試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示，單樁H-t-Y0、H-ΔY0/ΔH關(guān)系曲線如圖3所示。

表2 單樁水平靜載試驗結(jié)果匯總表

圖3 單樁H-t-Y0、H-ΔY0/ΔH關(guān)系曲線

2 地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m計算

當(dāng)樁頂自由且水平力作用位置位于地面處時，m可按下列公式確定：

(1)

(2)

式中：vy為樁頂位移系數(shù)；H為水平力；b0為樁身計算寬度；Y0為位移；α為樁的水平變形系數(shù)；EI為抗彎剛度。

同時繪制三根試樁的水平力、水平力作用點水平位移-地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)的關(guān)系曲線(H-m、Y0-m)，如圖4所示。

分別按樁頂水平位移6 mm(鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB10093—2017)，要求結(jié)構(gòu)在地面處水平位移不超過6 mm)和水平承載力特征值(按樁身強度控制時，水平臨界荷載值Hcr為水平承載力特征值)兩種方法計算綜合比例系數(shù)(m)見表4。

3 硅藻土層比例系數(shù)m的推求計算

上述比例系數(shù)m根據(jù)單樁水平靜載試驗的荷載-位移曲線推求得到的，是一個反映樁長范圍內(nèi)地基土層水平抗力的綜合值，與水平臨界荷載相對應(yīng)。m是一個反映樁土水平相互作用的綜合因素值，對于同一根樁并非定值，不僅與地基土有關(guān)，而且與樁基的長度、剛度以及荷載條件等均有重要的相關(guān)性。m與荷載呈非線性關(guān)系，低荷載水平下，m較高；隨荷載增加，樁側(cè)土的塑性區(qū)逐漸擴展而降低。因此，m取值與實際荷載、允許位移相適應(yīng)。

表3 不同試樁m的計算結(jié)果

圖4 不同試樁測試結(jié)果

表4 綜合比例系數(shù)m

土的比例系數(shù)m確定在工程界和學(xué)術(shù)界都是一個難題，目前尚無一致公認(rèn)成熟的方法，研究資料甚少。現(xiàn)有規(guī)范[8-10]給出了缺乏試驗實測值時依據(jù)土層類別、潮濕、密實和軟硬狀態(tài)而確定m范圍，文獻[11]給出了依據(jù)土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ來計算m的經(jīng)驗公式?，F(xiàn)依據(jù)勘察報告試驗數(shù)據(jù)、單樁水平靜載試驗結(jié)果和相關(guān)規(guī)范提供的方法，對三類硅藻土的m進行計算分析。

3.1 三類硅藻土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的統(tǒng)計值

硅藻土剪切試驗指標(biāo)統(tǒng)計如表5所示。由表5可知，白色硅藻土黏聚力c為12.2～87.0 kPa，平均值為49.67 kPa；黑色硅藻土黏聚力c為25.0～59.74 kPa，平均值為52.44 kPa；蘭色硅藻土黏聚力c為15.0～136.17 kPa，平均值為88.96 kPa。按黏聚力大小排序為：白色硅藻土<黑色硅藻土<蘭色硅藻土。三類硅藻土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ試驗值的差異性較大，說明不同地質(zhì)環(huán)境條件下硅藻土強度特性存在較大的差別。

表5 硅藻土剪切試驗指標(biāo)統(tǒng)計表

3.2 三類硅藻土比例系數(shù)m的計算

為簡化起見，取黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的平均值，根據(jù)文獻[11]提供的m值計算公式(水平位移量按6 mm取值)，分別得到三類硅藻土的比例系數(shù)m，見表6。

表6 硅藻土比例系數(shù)m計算表

由表6可知，白色硅藻土的比例系數(shù)m為12.3～20.9 MN/m4，平均值為15.0 MN/m4；黑色硅藻土的比例系數(shù)m為17.1～29.5 MN/m4，平均值為22.7 MN/m4；蘭色硅藻土的比例系數(shù)m為22.0～52.1 MN/m4，平均值為34.3 MN/m4。按大小排序為：白色硅藻土<黑色硅藻土<蘭色硅藻土。三類硅藻土m的大小排序與強度指標(biāo)是一致的。

3.3 試驗樁地基土綜合比例系數(shù)m的計算對比

根據(jù)勘察資料，3根水平測試樁AS5、BS1和CS1對應(yīng)的主要影響深度范圍內(nèi)的土層分布如下：

AS5：上層為粉質(zhì)黏土(厚度0.86 m)，下層為白色硅藻巖(厚度8.5 m)。

BS1：上層為粗角礫土(厚度2.26 m)，下層為白色硅藻巖(厚度7.0 m)。

CS1：上層為粗角礫土(厚度1.62 m)，下層為蘭色硅藻巖(厚度9.0 m)。

當(dāng)計算深度范圍內(nèi)存在兩層或三層不同土?xí)r，地基土綜合m的計算公式不同。

(1)當(dāng)存在兩層不同土?xí)r(計算深度hm=h1+h2)，計算式為

(3)

(2)當(dāng)存在三層不同土?xí)r(計算深度hm=h1+h2+h3)，計算式為

(4)

式中：h1、h2、h3為各層土的深度；m1、m2、m3為各層土的比例系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范，粉質(zhì)黏土的比例系數(shù)m取15.0 MN/m4，粗角礫土比例系數(shù)m取55.0 MN/m4，各試樁的計算結(jié)果見表7。

3.4 結(jié)果對比與分析

根據(jù)表7的計算結(jié)果，可知三根測試樁綜合m值的計算值與試驗值吻合較好，其中AS5和BS1兩根樁的比值取一位小數(shù)為1.0，CS1樁的比值取一位小數(shù)為0.9。CS1的計算值與試驗值差距稍大，CS1樁的水平靜載試驗是在該樁完成豎向抗壓靜載試驗之后進行的，在經(jīng)歷近千噸的豎向加載作用后，樁與地基土構(gòu)成的共同體在整體抵抗水平作用方面的能力得到增強，導(dǎo)致試驗值較大，說明樁基在承受豎向荷載作用后的水平承載能力得到加強。根據(jù)上述計算結(jié)果及分析，白色硅藻土的比例系數(shù)m為12.3～20.9 MN/m4，平均值為15.0 MN/m4；黑色硅藻土的m為17.1～29.5 MN/m4，平均值為22.7 MN/m4；蘭色硅藻土的比例系數(shù)m為22.0～52.1 MN/m4，平均值為34.3 MN/m4。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場水平靜載試驗首次獲得了硅藻土地基中橋梁灌注樁比例系數(shù)m，在現(xiàn)有規(guī)范要求和文獻研究的基礎(chǔ)上，基于土工試驗強度指標(biāo)對硅藻土比例系數(shù)m進行了計算，并得到以下結(jié)論。

(1)計算得到白色硅藻土的比例系數(shù)m為12.3～20.9 MN/m4，平均值為15.0 MN/m4；黑色硅藻土的比例系數(shù)(m)為17.1～29.5 MN/m4，平均值為22.7 MN/m4；蘭色硅藻土的比例系數(shù)m為22.0～52.1 MN/m4，平均值為34.3 MN/m4。

表7 計算深度內(nèi)考慮分層的地基土綜合比例系數(shù)m計算結(jié)果

(2)上述推求得到的地基土綜合m經(jīng)比較與測試樁水平靜載試驗結(jié)果是一致的，驗證了硅藻土m值的計算是可靠的，橋梁樁基設(shè)計時可根據(jù)實際情況參考使用。