基于靜載試驗(yàn)的堿渣層預(yù)制樁承載力分析

何軍，左大偉，張嘉泰，王大永

（1.天津津港建設(shè)有限公司，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.中交哈爾濱地鐵投資建設(shè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

堿渣是堿廠在工業(yè)生產(chǎn)中制堿或堿處理過程中排放的堿性廢料，大量產(chǎn)出的堿渣若被隨意堆放、廢棄則會對周圍環(huán)境造成污染，目前，堿渣處理最有效的方法之一是將堿渣通過混合摻料或真空預(yù)壓手段制作為堿渣土，用于場地和地基回填。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，天津港港區(qū)的擴(kuò)展需要對堿渣回填區(qū)域進(jìn)行再利用，因此需要對使用場地的回填堿渣的物理力學(xué)性質(zhì)開展研究。堿渣是由礦物質(zhì)為骨架，以液相和氣相填充孔隙形成的多孔介質(zhì)，與天然土相似，也具有三相體系[1]，可采用土工試驗(yàn)方法進(jìn)行研究[2]。國內(nèi)外學(xué)者針對堿渣的工程應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，日本學(xué)者M(jìn)itchell[3]將堿渣與摻合料混合用于填海造田。國內(nèi)學(xué)者閆澍旺等[4-5]將堿渣與增鈣灰、粉煤灰、水泥等材料拌和，并驗(yàn)證堿渣通過采取適當(dāng)?shù)拇胧┛删哂休^好的工程性；并通過耐久性試驗(yàn)證明了堿渣不會對鋼筋、混凝土產(chǎn)生腐蝕性。陳運(yùn)濤等[6]采用真空預(yù)壓方式對堿渣地基進(jìn)行了加固處理，證明堿渣的密實(shí)度與承載力正相關(guān)。趙獻(xiàn)輝等[7]用堿渣與粉煤灰、元明粉混合，證明堿渣拌合土可以滿足公路路堤填墊工程的應(yīng)用要求。

目前堿渣在建筑工程中的應(yīng)用主要作為回填地基使用，針對樁基礎(chǔ)穿透堿渣層或以堿渣為持力層的承載力研究尚不充分。本文以天津港某散貨堆場建設(shè)工程為依托，針對直徑800 mm，樁長13 m，樁尖分別為開口、閉口2 種類型的PHC 預(yù)制管樁進(jìn)行試樁，試樁區(qū)域的樁身全部進(jìn)入堿渣層并以堿渣作為持力層。研究樁與堿渣相互作用的參數(shù)和指標(biāo)，并探究預(yù)制樁在堿渣層應(yīng)用的可行性。

1 試樁工程

1.1 工程概況

天津港北港路擬建設(shè)散貨堆場，堆場原為堿渣回填區(qū)域，地質(zhì)狀況較為復(fù)雜。場地表面為厚度10.80～18.00 m 的人工填土層，其中堿渣厚度為8.80～16.40 m。試樁工程共包含4 根試驗(yàn)基樁，分為2 組，其中第1 組為2 根φ800 mm 的PHC 管樁（樁尖閉口），編號為S1、S2；第2 組為2 根φ800 mm 的PHC 管樁（樁尖開口），編號為S3、S4。4根試樁樁長均為13 m，壁厚110 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C80。試樁平面布置及地勘鉆孔位置如圖1 所示。

圖1 試樁及鉆孔位置Fig.1 Test pile and drilling position

1.2 地質(zhì)條件

為開展堿渣特性研究，分析該層作為地基的穩(wěn)定性、均勻性和承載力，對場地區(qū)域進(jìn)行了地質(zhì)勘察?？辈熘饕扇≡瓲钊⊥?、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)以及室內(nèi)土、水試驗(yàn)等綜合勘察方法。以距離試樁區(qū)域最近鉆孔為例，土層分布及土的物理力學(xué)特性見表1。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indicators of soil

從土體特性可以看出，場地區(qū)域的堿渣具有高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度等特性。

1.3 沉樁結(jié)果

施打PHC 試驗(yàn)樁采用D125 型打樁錘，錘重10.5 t，停錘標(biāo)準(zhǔn)為樁尖達(dá)到設(shè)計標(biāo)高（-7.84 m），沉樁過程中試驗(yàn)樁打至設(shè)計標(biāo)高的總錘擊數(shù)在10~12 錘之間，沉樁統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 沉樁統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistical results of pile sinking

2 單樁靜載試驗(yàn)

散貨堆場擬采用樁基基礎(chǔ)，場地表層為堿渣層且厚度較大。在設(shè)計過程中，若保守地忽略該層堿渣對樁承載力的貢獻(xiàn)，則可能造成成本的浪費(fèi)，但目前對此類研究尚不充分，且無相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參考。因此，為探究預(yù)制樁在堿渣層應(yīng)用的可行性，采用單樁靜載試驗(yàn)的方法確定樁基在堿渣層的極限承載力是很有必要的。

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次單樁靜載試驗(yàn)的測試內(nèi)容為單樁豎向抗壓極限承載力、單樁豎向抗拔極限承載力以及單樁的側(cè)摩阻力、端摩阻力，具體試驗(yàn)順序?yàn)椋?/p>

1） 在試驗(yàn)樁初打15 d 后，對S1—S4 樁進(jìn)行單樁豎向抗壓極限承載力首輪試驗(yàn)；

2） 一次豎向抗壓靜載試驗(yàn)25 d 后，對S1—S4 樁進(jìn)行單樁豎向抗壓極限承載力次輪試驗(yàn)；

3） 二次豎向抗壓靜載試驗(yàn)3 d 后，對S1—S2樁進(jìn)行單樁豎向抗拔極限承載力試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)為科研探究性試驗(yàn)，為設(shè)計提供依據(jù)，采用慢速維持載荷法。試驗(yàn)采用堆載反力法（如圖2 所示），參考對堿渣的地質(zhì)勘察結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，初步計算預(yù)估試樁的豎向抗壓極限承載力為1 500 kN，選取的堆載試塊總重為預(yù)估值的2 倍為300 t。試驗(yàn)加載方式為千斤頂加載，架設(shè)基準(zhǔn)梁并在樁頂?shù)乃闹懿贾? 塊百分表來觀測試樁的垂直位移。

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Site test photos

試驗(yàn)包括樁的分層側(cè)摩阻力測試，沿樁身兩側(cè)對稱布置埋入式應(yīng)變傳感器，以確定堿渣層樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。為更好地掌握樁身側(cè)摩阻力的分布規(guī)律，共設(shè)置4 個測量截面，每斷面?zhèn)鞲衅鞯穆裨O(shè)間距大致為3 m，具體布設(shè)方式見圖3。

圖3 試驗(yàn)樁傳感器布置位置Fig.3 Layout position of test pile sensors

依據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[8]的規(guī)定，本次豎向抗壓、抗拔靜載試驗(yàn)分10 級加載，加載至最大加載荷載時如未發(fā)生破壞，則繼續(xù)加載至破壞。首輪抗壓試驗(yàn)中，先以預(yù)估值1 500 kN 作為最大加載荷載分級，后續(xù)試驗(yàn)參考中間結(jié)果對分級方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整為1 000 kN。抗拔試驗(yàn)的分級最大荷載則根據(jù)兩輪次抗壓試驗(yàn)測得的側(cè)摩阻力進(jìn)行預(yù)估為500 kN。

依據(jù)慢速維持載荷法讀數(shù)規(guī)則，對樁頂沉降進(jìn)行讀數(shù)，應(yīng)變傳感器的測讀頻率與沉降一致。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

此次4 根試樁的靜載試驗(yàn)共計包含8 根次的豎向抗壓試驗(yàn)和2 根次豎向抗拔試驗(yàn)。試驗(yàn)嚴(yán)格按照規(guī)范[8]要求，均加載至出現(xiàn)試驗(yàn)樁判定破壞的條件，根據(jù)各加載級下沉降數(shù)據(jù)，繪制荷載-位移（Q-s）曲線見圖4。

圖4 三輪次試驗(yàn)樁的荷載-位移曲線Fig.4 The Q-s curves of three rounds of test pile

3 單樁極限承載力分析

3.1 極限承載力判定

豎向抗壓、抗拔靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，4 根試驗(yàn)樁在三輪次的試驗(yàn)過程中，當(dāng)加載至某一荷載級時，Q-s曲線全部出現(xiàn)明顯陡降段，樁頂位移在該荷載級陡增，大于上一級位移的5 倍，且抗壓試驗(yàn)的樁頂總位移超過40 mm，均符合判定破壞的條件，可認(rèn)為破壞荷載級的上一級荷載為試驗(yàn)樁的豎向極限承載力。根據(jù)試驗(yàn)過程中測試的樁身截面軸力計算結(jié)果，確定試驗(yàn)樁在堿渣層的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，與極限承載力結(jié)果一并列于表3。

表3 試樁結(jié)果匯總表Table 3 Summary table of pile testing results

三輪試驗(yàn)中，各類試驗(yàn)樁的極限承載力結(jié)果差距均在1.3 倍以內(nèi)，因此可取均值作為此次各類試樁的單樁極限承載力。

3.2 承載機(jī)理分析

樁基承載力由側(cè)摩阻力與端阻力構(gòu)成，對于在堿渣層應(yīng)用預(yù)制樁的研究不僅需要確定樁的總承載力，同樣也需要確定樁側(cè)摩阻力與端阻力分擔(dān)占比，進(jìn)而得到打入樁在堿渣層的極限側(cè)摩阻力推薦值及堿渣層作為持力層的極限端阻力推薦值。分析表3 的試樁結(jié)果可得到以下結(jié)論：

1） 首輪豎向抗壓靜力載荷試驗(yàn)結(jié)果顯示，閉口樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值較開口樁高約15%，兩類樁側(cè)摩阻力值相差較小，承載力差距主要體現(xiàn)于端阻力，側(cè)摩阻力與端阻力比值接近1∶1。

2） 次輪豎向抗壓靜力載荷試驗(yàn)對比首輪結(jié)果顯示，土體恢復(fù)25 d 后，兩類樁的承載力均有提升，提升幅度分別為20%和33%，承載力的提升主要體現(xiàn)于樁周土體受到擾動后重新密實(shí)，側(cè)摩阻力有了顯著提升，而端阻力基本不變，側(cè)摩阻力與端阻力比值接近6∶4。

3） 豎向抗拔靜力載荷試驗(yàn)結(jié)果顯示，樁側(cè)阻力與首輪抗壓試驗(yàn)的樁側(cè)摩阻力較接近，明顯小于次輪抗壓試驗(yàn)的樁側(cè)摩阻力，說明3 d 間隔未能使受到擾動的堿渣完全恢復(fù)，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)律，延長恢復(fù)期可進(jìn)一步提高試驗(yàn)樁豎向抗拔承載力。

3.3 樁土作用分布

根據(jù)靜載試驗(yàn)過程中埋設(shè)的應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)，以S1 樁在次輪豎向抗壓靜力載荷試驗(yàn)的截面軸力分布為例（見圖5），分析樁土相互作用。

圖5 S1 樁截面軸力分布圖Fig.5 Axial force distribution diagram of S1 pile section

由試驗(yàn)樁S1 在各加載級下的軸力分布情況可以看出，軸力隨深度遞減，土層側(cè)阻力發(fā)揮順序?yàn)橛缮系较?，上層土體先到達(dá)極限狀態(tài)隨后荷載向下傳遞至中、下層土體，在極限承載力前一級，樁端阻力明顯增大，當(dāng)樁端土體也到達(dá)極限狀態(tài)時，樁頂位移突然增大，試樁發(fā)生破壞。

將上、下截面的軸力做差，得到堿渣層不同深度的摩擦阻力Fi（kN），再根據(jù)式（1），求得堿渣層在不同深度的單位面積側(cè)阻值，將S1 樁單位面積的側(cè)摩阻力、端阻力值列于表4，其余試樁結(jié)果相近，不一一列出。

表4 試樁S1 側(cè)阻與端阻值Table 4 Test pile S1 side resistance and end resistance values

式中：fi為堿渣層不同深度的單位面積側(cè)阻，MPa；U為樁外徑周長，mm；hi為第i層截面厚度，mm。

將次輪抗壓試驗(yàn)中全部試樁在堿渣層的單位面積側(cè)摩阻力取均值，得到試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)土層深度0~13 m 堿渣的單位面積側(cè)摩阻力為16.3 kPa，單位面積端阻力為680 kPa。

參考JTS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[9]，將其中推薦的黏土（IL>1.0）打入樁單位面積極限樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值列于表5。對比可以看出，本次試驗(yàn)的堿渣特性類似于液性指數(shù)較高的黏土，但單位面積端阻力存在顯著差異。

表5 打入樁單位面積極限樁側(cè)摩阻力規(guī)范推薦值Table 5 Recommended values for the specification of ultimate side friction resistance per unit area of driven piles

4 堿渣層應(yīng)用可行性分析

通過一系列的單樁靜載荷試驗(yàn)得到了PHC 管樁的單樁極限承載力和樁與堿渣相互作用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以依托的堆場工程為例，對打入樁在堿渣層應(yīng)用可行性進(jìn)行分析。

該堆場工程尚處設(shè)計論證階段，根據(jù)實(shí)際使用荷載，擬打設(shè)φ800 mmPHC 管樁，單樁極限抗壓承載能力標(biāo)準(zhǔn)值初定為1 800 kN。根據(jù)地勘資料，堿渣層（厚度16.07 m）下分別為粉砂層1（中密—密實(shí)，厚度3.80 m）、粉質(zhì)黏土層1（軟塑，厚度1.20 m）、粉土層（中密，厚度1.90 m）、粉質(zhì)黏土層2（可塑，厚度4.80 m）、粉砂層2（密實(shí)，厚度0.70 m）。

參考規(guī)范[9]中的各土層側(cè)摩阻及端阻力推薦值結(jié)合本文對于堿渣層的試驗(yàn)結(jié)果對單樁承載力進(jìn)行計算。對于樁尖閉口樁，選擇以粉土層為持力層，樁入土深度為22.00 m 的工況，在考慮堿渣層的側(cè)阻作用時，計算得到單樁極限抗壓承載能力標(biāo)準(zhǔn)值為1 822 kN，可滿足設(shè)計要求；當(dāng)忽略堿渣層時，計算得到單樁極限抗壓承載能力標(biāo)準(zhǔn)值為1 566 kN，此時不滿足設(shè)計要求，需穿透粉質(zhì)黏土層2 以粉砂層2 作為持力層，此時承載力增加至2 903 kN，樁長相較于考慮堿渣層時增長了6.0 m。

從打入樁在堿渣層應(yīng)用的算例來看，可得到如下分析：

1） 堿渣層對單樁的抗壓極限承載力提升了16.3%，有效地起到了優(yōu)化樁長的作用，但從計算結(jié)果可以看出，持力層的選擇同樣對單樁的極限抗壓承載力有很大影響，因此堿渣層對優(yōu)化樁長的貢獻(xiàn)大小還需具體問題具體分析。

2） 樁在堿渣層的土塞效應(yīng)明顯，單位面積的端阻力相對較大，若場地的堿渣層較厚，且樁的設(shè)計承載力較小時，可以考慮以堿渣作為持力層，但使用的局限性較大。

5 結(jié)語

本文通過對4 根樁徑、樁長、壁厚相同，樁尖類型不同的試驗(yàn)樁進(jìn)行三輪次的豎向抗壓、抗拔靜載試驗(yàn)的方式對預(yù)制樁在堿渣層應(yīng)用的可行性以及樁與堿渣相互作用的參數(shù)和指標(biāo)開展了系統(tǒng)性的研究。詳細(xì)地敘述了試驗(yàn)的內(nèi)容、方法及試驗(yàn)結(jié)果，并通過依托工程對打入樁在堿渣層應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1） 直徑800 mm、樁長13 m 的閉口、開口預(yù)制PHC 管樁單樁豎向抗壓極限承載力分別為900 kN、800 kN，單樁豎向抗拔極限承載力為350 kN。

2） 試驗(yàn)區(qū)域0~13 m 土層深度堿渣的單位面積側(cè)摩阻力為16.3 kPa，單位面積端阻力為680 kPa，本次試驗(yàn)的堿渣特性類似于液性指數(shù)較高的黏土，但單位面積端阻力較黏土明顯更高。

3） 考慮堿渣層可以起到優(yōu)化樁長的目的，但對該土層的具體使用方法還需針對不同工況具體分析。

4） 若場地的堿渣層較厚，且樁的設(shè)計承載力較小時，可以考慮以堿渣作為持力層，但使用的局限性較大。