合肥黏土地區(qū)靜壓管樁單樁承載力時(shí)效性研究

崔 偉

(1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230001； 2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

1 概述

預(yù)應(yīng)力管樁具有工廠化生產(chǎn)、承載力較高、造價(jià)較低、施工周期短且無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，符合建筑工業(yè)化的發(fā)展方向，近二十年在我國(guó)得到了快速發(fā)展。管樁常用的靜壓法沉樁方式，是一種典型的擠土沉樁方式，靜壓擠土樁的施工必然導(dǎo)致樁附近一定范圍內(nèi)的地基土發(fā)生顯著的重塑。如圖1所示，如周?chē)秋柡宛ば酝?，樁打入時(shí)，土受到急速的擠壓，破壞了土天然結(jié)構(gòu)，孔隙水壓力急劇上升，從而使土的強(qiáng)度大大降低，因此，這時(shí)樁側(cè)摩阻力將大幅度降低。隨著休止時(shí)間的增長(zhǎng)而產(chǎn)生的觸變恢復(fù)現(xiàn)象，被擾動(dòng)的土體強(qiáng)度將隨時(shí)間推移而逐漸得到恢復(fù)，打樁引起的孔隙超靜水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力不斷增加，樁側(cè)土在徑向固結(jié)的過(guò)程中密度增大，壓縮模量和標(biāo)貫阻力增大，這就使得樁周?chē)恋膹?qiáng)度得以恢復(fù)提高，從而隨著休止時(shí)間的增加，單樁豎向抗壓承載力也在逐漸恢復(fù)提高[1-2]，擠土效應(yīng)不同，樁周土體受到壓縮和重塑的程度不同，土的物理學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的程度也就不同，樁側(cè)摩阻力也不同。這種現(xiàn)象在高靈敏度飽和黏性土中的摩擦樁最明顯。合肥地區(qū)廣泛分布硬塑～堅(jiān)硬的黏土，并且常用的管樁為不采用樁尖的靜壓開(kāi)口管樁，為了更好地了解該地區(qū)靜壓開(kāi)口管樁的單樁承載力時(shí)效性，有必要開(kāi)展管樁單樁豎向抗壓承載力與休止期天數(shù)之間的關(guān)系研究。

2 試驗(yàn)概況

2.1 工程概況

選取合肥黏土地區(qū)119根靜壓法沉樁的開(kāi)口管樁的基樁靜載試驗(yàn)為研究對(duì)象，其中φ400 mm管樁39根，φ500 mm管樁44根，φ600 mm管樁36根，樁長(zhǎng)范圍為21 m～30 m。這些管樁的樁端和主要樁側(cè)土體均為黏土，黏土層厚度為12 m～36 m，以黃褐、棕黃、灰黃色黏土為主，偶夾透鏡狀亞黏土，結(jié)構(gòu)致密，呈硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)，黏土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 合肥地區(qū)黏土典型物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 單樁豎向抗壓初始極限承載力的確定

合肥黏土地區(qū)靜壓開(kāi)口管樁沉樁施工時(shí)有規(guī)定的終壓標(biāo)準(zhǔn)，本次直接采用靜壓沉樁施工時(shí)的終壓力作為單樁豎向抗壓初始極限承載力Pu0，即為休止期天數(shù)t=0時(shí)的單樁豎向抗壓極限承載力。

2.3 單樁豎向抗壓極限承載力的確定

對(duì)于119根管樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，記下靜載試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)樁的休止期天數(shù)t，按照規(guī)范[3]要求單樁豎向抗壓極限承載力的確定方法遵循下列原則：根據(jù)沉降隨荷載變化的特征確定：對(duì)于陡降型Q-s曲線，應(yīng)取其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值；根據(jù)沉降隨時(shí)間變化的特征確定：應(yīng)取s-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級(jí)荷載值；某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，宜取前一級(jí)荷載；對(duì)于緩變型Q-s曲線，宜根據(jù)樁頂總沉降量，取s=40 mm對(duì)應(yīng)的荷載值。按照此方法確定的單樁豎向抗壓極限承載力即為休止期天數(shù)為t天時(shí)的單樁極限承載力Put。

對(duì)于施工場(chǎng)地隔幾天采取復(fù)壓以消除可能出現(xiàn)的浮樁現(xiàn)場(chǎng)的情況，可將復(fù)壓時(shí)終壓力作為休止期天數(shù)為t天時(shí)的單樁極限承載力Put。

合肥黏土地區(qū)管樁的靜載試驗(yàn)Q-s曲線的特征一般為緩變性[4]，對(duì)于樁頂總沉降量s<40 mm的情況，可對(duì)Q-s曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用三階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，再將40 mm代入擬合方程推算出s=40 mm對(duì)應(yīng)的荷載值，將此荷載值作為休止期天數(shù)為t天時(shí)的單樁極限承載力Put，為減少擬合推定誤差，一般選取靜載試驗(yàn)最終沉降量不少于30 mm的管樁數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.4 單樁極限承載力增長(zhǎng)率的確定

靜壓管樁在不同休止期的極限承載力增長(zhǎng)率Vt表達(dá)為：

Vt=(Put-Pu0)/Pu0

(1)

3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)式(1)可研究靜壓管樁豎向極限承載力與休止期的關(guān)系。對(duì)本地區(qū)119根靜壓管樁的靜載試驗(yàn)資料，得出單樁極限承載力增長(zhǎng)率與休止期的關(guān)系如圖2(樁徑400 mm)，圖3(樁徑500 mm)，圖4(樁徑600 mm)所示。

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的非線性回歸方法分析靜壓開(kāi)口管樁的單樁豎向抗壓極限承載力增長(zhǎng)率Vt與休止期t的關(guān)系。度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量R2的值越接近1，說(shuō)明回歸曲線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越好；反之，R2的值越小，說(shuō)明回歸曲線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越差。從理論上講采用多項(xiàng)式來(lái)擬合曲線時(shí)，只要多項(xiàng)式的階數(shù)足夠大，R2的值越接近1，擬合結(jié)果就越好。但考慮到工程實(shí)際，當(dāng)隨著休止期天數(shù)d的增加，單樁承載力增長(zhǎng)率Vtz逐漸放緩，因此采用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合比較合理，分別擬合得到樁徑400 mm,500 mm和600 mm的管樁單樁豎向抗壓極限承載力增長(zhǎng)率Vt與休止期t的關(guān)系如下式所示：

樁徑400 mm：

Vt=7.346 8lnt-0.465,R2=0.865 5

(2)

樁徑500 mm：

Vt=15.893lnt-10.645,R2=0.875 8

(3)

樁徑600 mm：

Vt=18.406lnt-14.596,R2=0.887 7

(4)

其中，Vt的單位為%;t的單位為d。分別將5 d,10 d,15 d,25 d,35 d,45 d和55 d代入式(2)～式(4)，得到不同休止期天數(shù)各型號(hào)管樁的單樁承載力增長(zhǎng)率，如表2所示。

表2 不同休止期天數(shù)管樁的單樁承載力增長(zhǎng)率

由表2分析可知，對(duì)于φ400 mm,φ500 mm和φ600 mm管樁，在休止期25 d以?xún)?nèi)，單樁豎向抗壓承載力極限值增加較快，超過(guò)25 d后，三種樁徑的管樁的單樁承載力增長(zhǎng)速度放緩，并且較小直徑管樁的單樁承載力增長(zhǎng)速度放緩更加明顯，因此靜壓管樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)宜在休止期不少于25 d后進(jìn)行。

φ400 mm,φ500 mm和φ600 mm管樁在休止期為15 d時(shí)，其單樁極限抗壓承載力分別較靜壓沉樁時(shí)增加19.4%,32.4%和35.2%；在休止期為25 d時(shí)，其單樁極限抗壓承載力分別較靜壓沉樁時(shí)增加23.2%,40.5%和44.7%；在休止期為45 d時(shí)，其單樁極限抗壓承載力分別較靜壓沉樁時(shí)增加27.5%,49.9%和55.5%。可見(jiàn)隨著管樁樁徑越大，其單樁豎向抗壓極限承載力隨時(shí)間增長(zhǎng)越快，這是因?yàn)閷?duì)于同樣的土層條件，樁徑越大，單樁擠土效應(yīng)越明顯，并且樁側(cè)表面積越大，即樁側(cè)摩阻力越大，文獻(xiàn)[5]研究成果指出隨著休止期的增長(zhǎng)，其單樁承載力的增長(zhǎng)，主要來(lái)源于樁側(cè)阻力的提高，而樁端阻力隨著休止期的增長(zhǎng)對(duì)于單樁承載力的提高十分有限。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)合肥黏土地區(qū)119根靜壓法沉樁的開(kāi)口管樁的基樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究，采用對(duì)數(shù)曲線擬合出樁徑400 mm,500 mm和600 mm的管樁單樁豎向抗壓極限承載力增長(zhǎng)率Vt與休止期t的回歸方程。2)在休止期25 d以?xún)?nèi)，單樁豎向抗壓承載力極限值增加較快，25 d后單樁承載力增長(zhǎng)速度放緩，建議靜壓管樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)宜在休止期不少于25 d后進(jìn)行。3)黏土地區(qū)管樁的單樁豎向抗壓極限承載力增長(zhǎng)速度與樁徑相關(guān)，樁徑越大，其極限承載力隨時(shí)間增長(zhǎng)越快。