濕陷性黃土地區(qū)橋梁樁基承載力試驗(yàn)分析

姚凌敏

（山西交控運(yùn)城北高速公路分公司，山西 運(yùn)城 044000）

引言

濕陷性黃土在浸水后強(qiáng)度明顯降低，在橋梁自重和外界荷載作用下會(huì)造成樁基結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故［1］。在大厚度自重濕陷性黃土地區(qū)，橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮黃土濕陷性的影響，應(yīng)開展試驗(yàn)精確確定樁基礎(chǔ)的極限承載力［2］。

1 工程概況

某高速公路位于黃土高原，沿線分布有多處濕陷性黃土地基。冬季干旱少雨雪，夏季濕潤多雨，冬季氣溫較低但不寒冷，夏季無酷暑。該地區(qū)地勢起伏大，地表覆土主要為粉質(zhì)黃土，降雨被水浸濕后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，且在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生沉降變形，屬自重型濕陷性黃土。試驗(yàn)段所處區(qū)域自重濕陷等級為IV 級，起訖點(diǎn)樁號為K23+560—K25+450，長度為1 890 m。該區(qū)域有一座大橋，設(shè)計(jì)全長1 216 m，橋梁中心樁號為K24+416.5，樁基礎(chǔ)采用人工挖孔樁。橋梁兩側(cè)為路基，擬采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固處治。

2 樁基承載力試驗(yàn)檢測方案

2.1 試樁設(shè)計(jì)

根據(jù)前期地質(zhì)勘察情況，確定濕陷性黃土區(qū)域地質(zhì)情況，選取黃土自重濕陷較大的IV 級區(qū)域開展試驗(yàn)。試驗(yàn)分為浸水和不浸水兩種工況，分別在施工現(xiàn)場制作一個(gè)試樁，設(shè)計(jì)樁徑為0.8 m，樁長為21.5 m，樁體主筋采用Φ25 螺紋鋼筋，數(shù)量為8 根，均為通長筋。

2.2 沉降監(jiān)測方案

樁基沉降監(jiān)測采用基準(zhǔn)梁百分表觀測系統(tǒng)，其中基準(zhǔn)梁兩端立放在砌筑的混凝土石塊上，采用I20a鋼梁。基準(zhǔn)梁應(yīng)具有足夠的剛度，以保證在受到外界荷載干擾時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大幅度的振動(dòng)，以免影響其上部百分表的讀數(shù)［3］。百分表量程為0～30 mm，按照一定間距布置在基準(zhǔn)梁上。不浸水試樁布置8個(gè)觀測點(diǎn)，浸水試樁上部布置21 個(gè)觀測點(diǎn)，其中深層觀測點(diǎn)3 個(gè)，淺層觀測點(diǎn)18 個(gè)。試樁一共布置三條測線，用于觀測黃土的濕陷變化，深層觀測點(diǎn)用于觀測不同深度土層的濕陷變形情況，淺層觀測點(diǎn)用于觀測地表的濕陷變形情況。其中樁頂布置6 個(gè)測點(diǎn)，用于監(jiān)測樁基的沉降變形情況，S2 試樁沉降觀測點(diǎn)布置見圖1。沉降觀測使用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行，分別對基準(zhǔn)梁、樁頂和各淺層觀測點(diǎn)的沉降變形情況進(jìn)行監(jiān)測。對比分析觀測數(shù)據(jù)可以得出近兩次和累計(jì)沉降量，用于分析樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

圖1 S2 試樁沉降觀測點(diǎn)布置

2.3 試驗(yàn)加載方案

濕陷性黃土樁基承載力試驗(yàn)采用堆載靜載試驗(yàn)法［4］，主要儀器設(shè)備包括1 臺(tái)500 t 油壓千斤頂、數(shù)顯百分表2 只、指針百分表若干、壓重平臺(tái)反力裝置等。在不浸水和浸水兩種情況下，分別制作1個(gè)試樁，采用慢速維持加載法進(jìn)行加載。

試驗(yàn)加載工況及加載方案：（1）不浸水試樁加載：在不浸水的情況下，對試樁S1 加載至破壞。S1試樁分十級進(jìn)行加載，加載過程中通過樁基礎(chǔ)沉降控制加載量，最終加載至破壞。（2）浸水試樁加載：以試樁S1 極限承載力的一半作為浸水試樁S2 的設(shè)計(jì)荷載加載，試驗(yàn)加載到設(shè)計(jì)荷載后注水，在浸水情況下進(jìn)行沉降觀測，確定樁基礎(chǔ)和樁周土體沉降變形規(guī)律。沉降穩(wěn)定后再加載至破壞，確定浸水極限承載力。加載到設(shè)計(jì)荷載后，采用水泵和消防管注水，注水量按年降雨量的兩倍控制，通過水表計(jì)量注水量。樁基礎(chǔ)和樁周土體沉降穩(wěn)定后，繼續(xù)進(jìn)行第五級、第六級加載，直到破壞，然后分級卸載。（3）樁頂沉降監(jiān)測：每級加載后，分別在5 min、15 min、30 min、45 min 和60 min 對樁頂沉降進(jìn)行一次觀測，之后每隔30 min 觀測一次。當(dāng)連續(xù)兩次出現(xiàn)60 min樁頂沉降量＜0.1 mm 時(shí)，即認(rèn)為本級加載樁頂沉降已穩(wěn)定，可進(jìn)行下一級加載。卸載分級進(jìn)行，每級卸載量為兩倍加載量，每級卸載維持1 h，觀測樁頂沉降量，全部卸載后維持3 h，并進(jìn)行沉降量觀測。

3 橋梁樁基承載力試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不浸水樁基靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

按照試驗(yàn)加載方案，對不浸水試樁S1 開展試驗(yàn)，分十級進(jìn)行加載，在加載過程中對樁頂沉降進(jìn)行檢測，記錄數(shù)據(jù)整理得出各節(jié)段穩(wěn)定后樁頂沉降量，各級加載荷載和穩(wěn)定后樁頂沉降量見表1。卸載分五級進(jìn)行，每級卸載為加載荷載的2 倍，通過百分表對各加載和卸載階段的樁體位移進(jìn)行監(jiān)測，整理數(shù)據(jù)繪制分級加載P-s 曲線見圖2。

圖2 S1 試樁分級加載P-s 曲線

表1 不浸水S1 試樁靜載試驗(yàn)結(jié)果

通過分析表1 中S1 試樁靜載試驗(yàn)結(jié)果，可以得出在加載到4 250 kN 時(shí)達(dá)到了25.118 mm，試樁樁頂位移突然增加，試樁樁體破壞，確定S1 試樁極限承載力為4 200 kN。

分析圖2 曲線變化趨勢，可將加載過程分為三個(gè)變形階段：第一階段為線彈性階段，對應(yīng)的加載荷載為0～1 260 kN，該階段由于荷載較小只有樁體混凝土發(fā)生了變形，所產(chǎn)生的沉降變形很小，僅有0.502 mm；第二階段為塑性變形階段，對應(yīng)的加載荷載為1 680～4 200 kN，該階段隨著荷載的增加沉降量基本呈現(xiàn)線性增加，該階段產(chǎn)生了較大的沉降變形，第九級加載后沉降變形為13.399 mm；第三階段為破壞階段，對應(yīng)的加載荷載為4 200～4 250 kN，該階段樁頂沉降量突然增加，試樁樁體破壞，因此，

取前一級加載值4 200 kN 為極限荷載。在卸載階段，隨樁頂荷載的下降，樁頂沉降量不斷下降，基本呈現(xiàn)線性變化，卸載完成后殘余變形量為12.831 mm，占總變形的51.1 %。

3.2 浸水樁基靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

浸水試樁S2 設(shè)計(jì)荷載為2 100 kN，加載到設(shè)計(jì)荷載后加入年降雨量兩倍的水，對地基的沉降變形情況進(jìn)行監(jiān)測，沉降變形穩(wěn)定后再進(jìn)行加載，直到破壞為止，進(jìn)而確定浸水后樁基的極限荷載。共分四級進(jìn)行加載，第一級加載為分級荷載的兩倍，為840 kN，以后每級增加420 kN。在加載過程中對樁基位移進(jìn)行觀測，分析數(shù)據(jù)繪制S2 試樁分級加載P-s 曲線見圖3。

圖3 S2 試樁分級加載P-s 曲線

分析圖3 曲線的變化趨勢，可以得出在浸水加載前期（0～1 680 kN）樁頂沉降變形也呈現(xiàn)線性變化，與試樁S1 一樣經(jīng)歷了線彈性階段。加載到設(shè)計(jì)荷載注入年降雨量兩倍的水，在樁頂荷載、水的綜合作用下，樁周土體產(chǎn)生軟化作用，造成樁體產(chǎn)生了較大的沉降。沉降穩(wěn)定后進(jìn)行第五級加載，樁頂沉降產(chǎn)生了一定幅度的增加，達(dá)到22.387 mm。穩(wěn)定后再次進(jìn)行第六級加載，樁頂產(chǎn)生了較大的沉降，沉降速率明顯加快，判斷S2 試樁破壞。因此，取第五級加載荷載作為S2 試樁的極限承載力，為2 520 kN。卸載后殘余變形量為48.212 mm，占總變形的70.1 %。

4 結(jié)語

（1）不浸水試樁S1 在加載過程中沉降變形先后經(jīng)歷了線彈性階段、塑性變形階段和破壞階段，取第九級加載荷載4 200 kN 作為極限承載力，卸載完成后殘余變形量為12.831 mm，占總變形的51.1 %。（2）浸水試樁S2 在加載過程中也經(jīng)歷了線彈性階段，但在浸水后樁基沉降量明顯增加，取第五級加載荷載2 520 kN 作為極限承載力，卸載后殘余變形量為48.212 mm，占總變形的70.1 %。通過對比分析浸水和不浸水樁基承載力試驗(yàn)結(jié)果，得出浸水后樁基承載力大幅下降，因此，在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮黃土濕陷性的影響。