Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土場(chǎng)地長(zhǎng)樁豎向承載力試驗(yàn)研究工學(xué)論文
摘要 利用有限元模擬理論，分析了在大厚度濕陷性黃土場(chǎng)地中，長(zhǎng)柱的樁周土在天然狀態(tài)和浸水狀態(tài)下對(duì)基樁承載性狀的作用，并對(duì)濕陷過(guò)程中樁的承載機(jī)理等進(jìn)行研究，為同類地質(zhì)上的工程應(yīng)用提供了寶貴的技術(shù)參數(shù)。
關(guān)鍵詞 濕陷性黃土；長(zhǎng)樁；豎向承載力；試驗(yàn)研究
黃土作為一種常見(jiàn)的工程地基，在我國(guó)主要分布于北緯33°～47°之間，總面積約為63.5萬(wàn)km2，最大厚度達(dá)180～200 m。黃土在一定壓力作用下，受水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生的顯著下沉現(xiàn)象，稱之為濕陷。實(shí)測(cè)或計(jì)算自重濕陷量大于7cm的濕陷性黃土為自重濕陷性黃土。
在工程實(shí)踐中，Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土場(chǎng)地，采用灌注樁基礎(chǔ)，占了很大比重。這種方法穿透了濕陷性黃土層，使基礎(chǔ)傳力于濕陷土層以下的持力土層上，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較安全可靠，但是缺點(diǎn)是投資大，經(jīng)濟(jì)性差。
為了降低工程投資，給某工程設(shè)計(jì)和以后的工程應(yīng)用提供準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，并指導(dǎo)同類工程實(shí)踐，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，在Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土場(chǎng)地中，通過(guò)研究樁周土浸水前后樁承載性狀、濕陷過(guò)程中的承載機(jī)理等，進(jìn)行了長(zhǎng)樁豎向承載力的試驗(yàn)研究。
1 主要試驗(yàn)依據(jù)
《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》、《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》等。
2 試驗(yàn)場(chǎng)地巖土工程條件
2，1場(chǎng)地地形地貌
試驗(yàn)場(chǎng)地位于榆中縣和平鎮(zhèn)科技園內(nèi)，園區(qū)地勢(shì)西南高、北東低，高差約37米左右，坡降37‰，場(chǎng)地地形因平田整地而呈臺(tái)階狀。地貌特征為上更新統(tǒng)砂礫卵石夾粘土(上覆風(fēng)成黃土狀粉土)構(gòu)成的山前沖積一洪積平原。
2，2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)
(1)試驗(yàn)場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)
①黃土狀粉土(Q3eol)：層厚42.3～38.1m。黃褐色、褐色，局部夾層狀、透鏡體狀棕褐色粉質(zhì)粘土層。呈大孔隙狀，垂直節(jié)理發(fā)育，可塑～硬塑，稍密～中密，隨深度含水量略為增加，稍濕～濕。
�、诼咽瘜�(Q3al-pl)：未揭穿，青灰色，層頂標(biāo)高1744.3～1738.39m，顆粒呈扁圓～亞圓狀；粒徑以2～8cm為主，最大20cm，偶見(jiàn)漂石，骨架顆粒約占60％左右，級(jí)配較好，粒間充填物為混砂及粘土，分選性差；其母巖成分為石英巖、花崗巖、灰?guī)r，以灰?guī)r居多，局部呈半膠結(jié)狀；中密～密實(shí)，稍濕，最大鉆掘深度5.2米。
(2)地質(zhì)構(gòu)造：位于祁連褶皺系的.東延部分，第三紀(jì)、第四紀(jì)迭置凹陷�？蓴嗬m(xù)看到山群硅質(zhì)千枚巖逆于下侏羅系之上，為晚近期復(fù)活性斷裂。盆地基底南深北淺，其上為第四系沉積物。
(3)地下水：區(qū)域水文資料顯示，本場(chǎng)地地下水類型屬潛水，賦存于卵石層下部，水位在自然地面以下約115米，水位線呈逐年下降狀態(tài)，地下水對(duì)工程無(wú)影響。
2，3巖土工程評(píng)價(jià)
(1)黃土濕陷性評(píng)價(jià)：試驗(yàn)場(chǎng)地黃土屬典型的隴西黃土，具高敏感性、大濕陷量、垂直節(jié)理發(fā)育。濕陷量計(jì)算結(jié)果：z=123.1～272cm；ZS=61.3～200.2cm。整個(gè)場(chǎng)地水平范圍內(nèi)屬Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土場(chǎng)地，最大濕陷深度為40米。
(2)人工挖孔灌注樁樁基設(shè)計(jì)參數(shù)：勘察報(bào)告建議采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為40米左右，以卵石層為樁端持力層。對(duì)于干作業(yè)樁(清底干凈，D=800mm)各層土的極限端阻力和極限側(cè)阻力見(jiàn)表1。
3 試驗(yàn)方案
3，1試驗(yàn)裝置
(1)試驗(yàn)加載裝置：加載反力裝置采用錨樁鋼梁反力系統(tǒng)，4×5000kN電動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)的油壓千斤頂加載，荷載測(cè)量采用設(shè)置在電動(dòng)油泵上的壓力傳感器直接測(cè)定。
試驗(yàn)加載設(shè)備最大加載能力達(dá)到20000kN。
(2)荷載與沉降量測(cè)儀器：試樁采用2個(gè)正交直徑方向?qū)ΨQ安置四個(gè)位移傳感器，由RS—JYC地基基礎(chǔ)靜載荷測(cè)試儀自動(dòng)記錄測(cè)量試樁樁頂?shù)淖冃巍Ｋ形灰苽鞲衅骶么判员碜潭ㄓ谟赡_手架鋼管構(gòu)成的基準(zhǔn)梁上。
(3)靜載試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)；本試驗(yàn)檢測(cè)采用RS—JYC地基基礎(chǔ)靜載荷測(cè)試儀，全自動(dòng)控制試驗(yàn)過(guò)程、全自動(dòng)實(shí)時(shí)觀測(cè)并自動(dòng)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。
該系統(tǒng)通過(guò)預(yù)先設(shè)置的加(卸)載分級(jí)、荷載量值、判穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)等試驗(yàn)參數(shù)，控制設(shè)置在電動(dòng)油泵上的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)加載、補(bǔ)載、卸載，自動(dòng)維持荷載恒定并自動(dòng)判穩(wěn)進(jìn)行下級(jí)荷載的測(cè)試。測(cè)試儀采集設(shè)置于試樁、錨樁上的位移傳感器的變形數(shù)據(jù)，自動(dòng)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。
3，2試驗(yàn)樁布置
試驗(yàn)布置試驗(yàn)樁3根，布置錨樁8根。
試驗(yàn)樁基本參數(shù)見(jiàn)表2。
3，3試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)
單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)采用慢速維持法，即逐漸加載，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后加下一級(jí)荷載，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)兩小時(shí)內(nèi)，每小時(shí)沉降小于0.1mm，直到試樁破壞。然后分級(jí)卸載，全部卸載后，隔3～4h測(cè)讀變形。 4 試驗(yàn)浸水過(guò)程
4，1浸水孔布置
A1、A2、A3試樁樁周各均勻分布5個(gè)直徑150mm、深度為34m的注水孔，注水孔用純凈小礫石填充。樁周地面處開(kāi)挖直徑3.0m浸水坑，坑底鋪設(shè)15cm厚礫石。坑內(nèi)水頭高度不小于30cm。
4，2浸水濕陷碟
(1)A1試樁浸水：A1試樁先加壓到5000kN時(shí)進(jìn)行浸水。浸水后，濕陷場(chǎng)地以試樁為中心呈高差漸變碟型而形成濕陷碟，直徑約6.0m，中心最大濕陷量180cm，濕陷坑邊緣高差63cm。共浸水約380m3。
(2)A2試樁浸水：A2試樁采用先浸水后加壓的方式。浸水后，濕陷場(chǎng)地以試樁為中心呈高差漸變碟型而形成濕陷碟，直徑約4.0m，中心最大濕陷量175cm。在濕陷坑西側(cè)距樁中心7m產(chǎn)生一條寬度為12cm的弧形裂縫，長(zhǎng)度為16.2m；在濕陷坑西側(cè)距樁中心8m處產(chǎn)生一條寬度為10cm的弧形裂縫，長(zhǎng)度為13.5m。共浸水約400m3。
(3)A3試樁浸水：A3試樁采用先浸水后加壓的方式。浸水后，根據(jù)沉降觀測(cè)顯示樁周有近100cm沉降量，附近地表無(wú)明顯塌陷，有不連續(xù)環(huán)形裂縫。共浸水約400m3。
5 單樁豎向承載力試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)對(duì)A1、A2、A3試樁進(jìn)行了豎向抗壓靜載試驗(yàn)，各樁在樁周土浸水狀態(tài)下，單樁豎向極限承載力試驗(yàn)結(jié)果如表3。
按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GBJ25—90)規(guī)定：
自重濕陷性黃土場(chǎng)地的單樁承載力除不計(jì)濕陷性土層范圍內(nèi)的樁周正摩阻力，尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負(fù)摩阻力。
在試驗(yàn)中由于浸水影響，樁周土發(fā)生自重濕陷而產(chǎn)生塌陷，可認(rèn)為樁周局部范圍內(nèi)正摩阻力喪失，負(fù)摩阻力產(chǎn)生且作用于試樁上。計(jì)算單樁承載力時(shí)，不扣除正摩阻力和負(fù)摩阻力。而未發(fā)生自重濕陷的樁段，由于樁側(cè)產(chǎn)生正摩阻力，這部分樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，應(yīng)按照規(guī)范單樁承載力除不計(jì)濕陷性土層范圍內(nèi)的樁周正摩阻力，尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負(fù)摩阻力。
試驗(yàn)完成后，在A1、A2、A3樁樁側(cè)開(kāi)挖的探井采取了原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)�？紤]探井開(kāi)挖中所取原狀土樣與實(shí)際結(jié)果的誤差，綜合試驗(yàn)結(jié)果及浸水濕陷碟結(jié)果分析：
A1樁側(cè)35m以上樁周土基本達(dá)到飽和狀態(tài)，自重濕陷性基本消除，自重濕陷已充分發(fā)生；35m以下樁周土呈天然狀態(tài)，有3m左右的土層具自重濕陷性；
A2樁側(cè)35m以上樁周土基本達(dá)到飽和狀態(tài)，自重濕陷性基本消除，自重濕陷已充分發(fā)生；35m以下樁周土呈天然狀態(tài)，土層仍具自重濕陷性；
A3樁側(cè)27m以上樁周土含水量較大，接近飽和狀態(tài)，土體自重濕陷性基本消除，自重濕陷性發(fā)生較充分；27m以下樁周土呈天然狀態(tài)，部分具自重濕陷性。
因此，扣除相應(yīng)極限側(cè)阻力、樁側(cè)負(fù)摩阻力的單樁承載力計(jì)算結(jié)果如表4。
按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算：
極限承載力平均值
6 結(jié)論及建議
(1)樁周土在浸水狀態(tài)下，A型樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk=4600kN；
按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBS0007—2002)，樁周土在浸水狀態(tài)下，單樁豎向承載力特征值Ra一2300kN。
(2)在本試驗(yàn)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件下，在已經(jīng)考慮負(fù)摩阻力作用下，樁周土在浸水狀態(tài)時(shí)，干作業(yè)人工挖孔灌注樁樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=3000kPa。
(3)建議樁端進(jìn)入持力層(卵石層)的深度不小于1倍樁徑。
(4)試驗(yàn)在局部浸水狀態(tài)下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)局部浸水場(chǎng)地具代表性。
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