王進(jìn)璽，楊永東，張斌偉，楊 陽(yáng)，翟 楠

(1.隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院,甘肅 慶陽(yáng) 745000；2.甘肅省高校黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

黃土是第四紀(jì)時(shí)期形成的陸相土狀堆積物，顏色為灰黃、棕黃或棕紅，孔隙度大，具有垂直節(jié)理和管狀孔道。黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在天然含水量下較高，能維持很高的垂直邊坡，但黃土富含碳酸鹽，抗蝕性弱，新生黃土具有濕陷性，易受流水侵蝕，土體遇水崩塌滑陷[1]。黃土在世界上分布十分廣泛，覆蓋著全球大陸面積的2.5%以上，在溫帶半干旱及沙漠前緣地帶自東向西呈帶狀分布。黃土地貌主要包括黃土溝間地、黃土溝谷和獨(dú)特的黃土潛蝕地貌，具體可劃分為黃土塬、梁、峁、河谷階地、沖積或洪積平原等類型[2]。我國(guó)黃土面主要分布在西北地區(qū)及黃河中游一帶，主要分布在陜西、甘肅、河南、山西等地,面積約為64萬(wàn)平方公里，分布區(qū)典型，分布面積廣、厚度大，發(fā)育全面連續(xù)，是世界上黃土分布最廣泛的地區(qū)。我國(guó)西北特別是甘肅東部慶陽(yáng)地區(qū)黃土地層最厚，結(jié)構(gòu)完整，分布連續(xù)。

近年來(lái)，高層建筑、高速公路及高速鐵路等大型工程項(xiàng)目如銀西高鐵等隨著西部大開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)及西部地區(qū)城市建設(shè)的發(fā)展在隴東地區(qū)不斷落地，樁基礎(chǔ)因其承載力高，沉降小等優(yōu)良性能而被廣泛采用，然而不同土質(zhì)及其與樁相互作用后表現(xiàn)出的承載特性和沉降特點(diǎn)也有很大的差異?？紤]到實(shí)際工程基礎(chǔ)附近土體抗力和承臺(tái)底部摩擦力已經(jīng)可以在很大程度上抵抗上部結(jié)構(gòu)傳遞的水平荷載[3]，樁基礎(chǔ)承載力的著重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)放在豎向荷載問(wèn)題上。國(guó)外在樁基研究中，對(duì)于承受豎向荷載的單樁和群樁的一些理論和數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)較為完善，如1999年Guo和Randolph采用的有限元法[4]，2013年Salgado等采用的變分法迭代法[5]等；華遵孟等[6]在該地區(qū)進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，取值時(shí)大都采用現(xiàn)行樁基規(guī)范推薦的參數(shù)，如對(duì)單樁承載力特征值和各層黃土的側(cè)摩阻力都是參考規(guī)程[7]中靜力觸探測(cè)試初步取值。與實(shí)際工程情況不符，設(shè)計(jì)中采取規(guī)范取值，一般會(huì)取安全系數(shù)，偏于保守，很可能造成較大浪費(fèi)。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[8]要求對(duì)甲級(jí)建筑樁基和場(chǎng)地條件較復(fù)雜的乙級(jí)建筑樁基，單樁豎向極限承載力均應(yīng)通過(guò)單樁靜載試驗(yàn)確定。為此，準(zhǔn)確確定該黃土地區(qū)樁基豎向承載力性能是現(xiàn)階段急需解決的問(wèn)題。對(duì)于樁基而言，張雁等認(rèn)為，在一般情況下樁側(cè)摩阻力沿樁身的分布無(wú)負(fù)摩阻力[9-11]。目前對(duì)于慶陽(yáng)地區(qū)黃土層上樁基性能的研究還沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論方法，研究成果非常匱乏。鑒于此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)樁的樁身沉降及豎向承載性能進(jìn)行詳細(xì)的研究，對(duì)工程建設(shè)及維修養(yǎng)護(hù)可以提供理論依據(jù)。

1 樁基承載力原位試驗(yàn)

1.1 工程概況

為了判斷采用樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式能否為上部結(jié)構(gòu)提供足夠反力，并確定該地區(qū)單樁豎向承載力性能，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依托慶陽(yáng)市華池縣第一中學(xué)(新建)工程展開，試驗(yàn)場(chǎng)地為Ⅱ類，無(wú)液化土層，勘察深度范圍內(nèi)無(wú)地下水。該建筑物屬于丙類建筑，地基土屬于自重濕陷性黃土，濕陷程度中等，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和混凝土材料都具有微腐蝕性，標(biāo)準(zhǔn)凍土最大凍深820mm。在控制深度內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)勘探，土層組成自上而下分別為:

(1)雜填土：稍濕，松散，雜色。

(2)濕陷性黃土狀粉土：稍濕，黃褐色，硬塑，稍密，具有遇水濕陷性主要為粉土。

(3)角礫：雜色、較均勻，稍密—中密，稍濕。

(4)粉砂質(zhì)泥巖：紫紅色—棕紅色，塊狀，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，稍濕。

(5)泥質(zhì)粉砂巖：灰白—深灰，塊狀，本層為樁端持力層。

其力學(xué)特性如表1所示。

表1 地層分層統(tǒng)計(jì)表

1.2 試驗(yàn)方案

選取教學(xué)樓地下室場(chǎng)地3根試驗(yàn)樁，試樁采用C30標(biāo)號(hào)混凝土灌注成樁，樁身采用鋼筋籠配筋，50mm厚混凝土保護(hù)層，防止銹蝕。樁直徑采用800mm，樁長(zhǎng)11m，擴(kuò)底直徑1600mm，樁端地基為中風(fēng)化—微風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖，其承載力特征值為2450kN。樁體施工時(shí)一次成樁，未留施工縫，檢測(cè)結(jié)果樁身完整均為I類樁。挖孔過(guò)程為防止雨水和地表水流入樁孔內(nèi)，基礎(chǔ)施工之前先對(duì)場(chǎng)地雜填土進(jìn)行碾壓，至壓實(shí)系數(shù)不小于94%，場(chǎng)地碾壓后的天然地坪低于樁頂標(biāo)高的位置采用素土回填至樁頂標(biāo)高以上600mm，回填土分成每填1m厚夯實(shí)一次，壓實(shí)系數(shù)不小于94%，然后定位打樁。基礎(chǔ)至建筑面層中間部分采用素土回填，分層夯實(shí)，當(dāng)回填至距離建筑面層1.2m時(shí)，采用2∶8灰土回填至建筑面層標(biāo)高，分層回填，分層夯實(shí)。

2 試驗(yàn)操作要求

2.1 靜載平板試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用堆載法，堆載法操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用較低，但是需要場(chǎng)地較大。桁架結(jié)構(gòu)、主梁、工字等組成堆載平臺(tái)，平臺(tái)上堆放袋裝沙土或混凝土塊等材料進(jìn)行加載，如圖1所示，為混凝土塊。用油壓千斤頂設(shè)備進(jìn)行加載，壓力表讀取堆載壓力值，壓力表在試驗(yàn)前需要進(jìn)行標(biāo)定，以減少讀數(shù)誤差，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。百分表觀測(cè)位移即沉降，百分表的靈敏度要求較高。在試驗(yàn)過(guò)程中，樁頂沉降Q-S等曲線由靜載試驗(yàn)儀自動(dòng)繪出，減少工作量，樁端的沉降由樁端處焊接的鋼絲繩引到樁頭較易測(cè)量的位置，量測(cè)鋼絲繩下降距離，鋼絲繩變形較小，滿足試驗(yàn)要求。靜力加載時(shí)每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定之后持荷載2～3min再接著施加下一級(jí)荷載，這種加載方法叫作慢速持荷加載法，分級(jí)加載直至樁身破壞，主要是壓應(yīng)力達(dá)到極限而產(chǎn)生的強(qiáng)度破壞，卸荷也要分級(jí)。具體方法及步驟如下：

圖1 加載反力系統(tǒng)

(1)靜力施加荷載：首級(jí)荷載必須為分級(jí)荷載的2倍加載，分級(jí)加載值為預(yù)估極限荷載值的1/10～1/15，總加載級(jí)數(shù)10～15次。

(2)沉降觀測(cè)需要等到沉降值相對(duì)穩(wěn)定后進(jìn)行，每級(jí)加載結(jié)束后，連續(xù)每小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)兩次沉降量小于0.1mm時(shí)即為達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，沉降觀測(cè)時(shí)每一級(jí)荷載施加后5min、10min、15min進(jìn)行讀數(shù)一次，隨著沉降量不斷減小，趨于穩(wěn)定，之后每隔15min讀數(shù)一次，累計(jì)讀數(shù)1h后每半小時(shí)讀數(shù)一次，并詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)。

(3)當(dāng)Q-S曲線上出現(xiàn)承載力陡降，樁基總沉降量大于40mm；某一級(jí)荷載下沉降量大于或等于前一級(jí)荷載的2倍，24h后仍然未達(dá)到穩(wěn)定；樁體、樁頂破壞或達(dá)到設(shè)計(jì)限定的極限值后即終止加載。

2.2 樁身軸力試驗(yàn)

在樁身周圍布置應(yīng)變計(jì)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樁身混凝土及主筋應(yīng)力的變化情況。為了便于連接應(yīng)變片的導(dǎo)線引出，且使導(dǎo)線在壓樁時(shí)不被破壞，在樁頂側(cè)面鉆3個(gè)圓孔。沿樁身間隔1m貼一個(gè)應(yīng)變片，每列共12個(gè)，在同一高度貼3個(gè)，共計(jì)36個(gè)。如圖2所示，每根試樁在軸向?qū)ΨQ位置沿豎向焊接應(yīng)變計(jì)于試樁縱主筋上，樁身應(yīng)力傳器沿著樁長(zhǎng)度方向每間隔2m布置一道，每層布置沿周長(zhǎng)平均分布4個(gè)傳感器。數(shù)據(jù)采集利用電腦軟件自動(dòng)記錄與測(cè)試同步數(shù)據(jù)，不需要人工讀書，這樣可以節(jié)約資源，同時(shí)也能更清楚地檢測(cè)樁身各位置在荷載作用下內(nèi)力的變化情況，為后續(xù)進(jìn)一步分析受力特性奠定基礎(chǔ)。

圖2 應(yīng)變計(jì)布置圖

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段對(duì)每一個(gè)應(yīng)變片通過(guò)測(cè)量電阻進(jìn)行精度標(biāo)定。先用拋光機(jī)將樁身混凝土表面貼應(yīng)變片部位打磨光滑，必要時(shí)清洗干凈，再確定編號(hào)。貼應(yīng)變是整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵點(diǎn)，先用無(wú)水乙醇清除表面，是表面平整干凈無(wú)雜物，再用丙酮擦拭，用502膠將應(yīng)變片粘貼在樁身內(nèi)壁，確保應(yīng)變片與樁身接觸緊密，最后用端子把引出線與應(yīng)變片焊接在一起，為保證應(yīng)變片絕緣和防潮表面涂703膠。應(yīng)變片粘貼完畢后，測(cè)量每一個(gè)的電阻值來(lái)檢測(cè)應(yīng)變片是否接通，最后樁頂側(cè)面開孔引出導(dǎo)線。

3 結(jié)果分析

3.1 單樁試驗(yàn)的荷載-沉降

單樁豎向承載力試驗(yàn)結(jié)果的Q-S曲線和S-lgt曲線如圖3～5。通過(guò)試驗(yàn)針對(duì)試樁進(jìn)行單個(gè)樁基礎(chǔ)豎向承載力特性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，所有試樁基底壓力較小，趨近于零，均呈現(xiàn)出典型的摩擦樁特性，主要由樁土相互作用的摩擦力來(lái)承擔(dān)荷載，同時(shí)Q-S曲線均表現(xiàn)為斜率較小，無(wú)明顯陡降或突變區(qū)段。在豎向靜力加載至4900kN時(shí)，試樁均完好無(wú)損，在強(qiáng)度范圍之內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)因強(qiáng)度達(dá)到極限而產(chǎn)生的破壞，試裝的樁身沉降量最終測(cè)定結(jié)構(gòu)分別為12.24mm、15.44mm和18.64mm。

圖3 1#試樁的Q-s曲線和S-lgt曲線

試驗(yàn)試樁設(shè)計(jì)的最大加載荷載為2400kN，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具體加載情況為最大加至4900kN時(shí)樁基礎(chǔ)沒(méi)有破壞，仍然處在受力正常狀態(tài)，說(shuō)明設(shè)計(jì)時(shí)考慮的安全系數(shù)較大，綜合考慮分析后沒(méi)有繼續(xù)加載較大荷載，有很大的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。所有試樁的Q-S曲線變化趨勢(shì)基本一致，由于沒(méi)有破壞還有持續(xù)變化的趨勢(shì)，可據(jù)此判斷單個(gè)樁基礎(chǔ)的豎向極限抗壓承載力應(yīng)大于4900kN，且有較大安全儲(chǔ)備。單樁豎向承載力特征值可以將單樁豎向極限承載力約4900kN除以安全系數(shù)2，得到單樁豎向抗壓承載力特征值為2450kN，大于設(shè)計(jì)值2400kN。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值與設(shè)計(jì)要求數(shù)值進(jìn)行比較，可以得知單樁承載力完全滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明采用樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式能夠?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)傳遞的荷載提供足夠反力。通過(guò)對(duì)比分析，試驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有樁基礎(chǔ)破壞現(xiàn)象，可以推斷試樁承載力并未達(dá)到極限，還有一定安全儲(chǔ)備空間，對(duì)材料的使用有浪費(fèi)的現(xiàn)象，有優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高經(jīng)濟(jì)效益的空間。

圖4 2#試樁的Q-s曲線和S-lgt曲線

圖5 3#試樁的Q-s曲線和S-lgt曲線

3.2 試驗(yàn)樁軸力分析

由于試樁過(guò)程中無(wú)損壞現(xiàn)象，材料滿足胡克定律，如果測(cè)得對(duì)應(yīng)鋼絲繩深度下鋼筋的應(yīng)變，可以通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系算出樁身該處截面的拉壓正應(yīng)力，鋼筋的正應(yīng)力直接通過(guò)電阻應(yīng)變片及胡克定律求得，該截面鋼筋與混凝土整體所受內(nèi)力可以通過(guò)混凝土應(yīng)力值乘以作用面積和對(duì)應(yīng)截面鋼筋應(yīng)力值乘以鋼筋總截面積而得到。把每級(jí)荷載作用下計(jì)算所得內(nèi)力與截面位置繪制到平面坐標(biāo)系中，即為樁身軸力沿樁身長(zhǎng)度分布關(guān)系曲線，如圖6所示。數(shù)據(jù)分析證明在逐級(jí)荷載下，3根試樁的樁身軸力深度越大軸力越小，成反比例分布，并與樁周圍土層力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，即土層摩阻力越大，斜率越小，反之越大。

圖6 樁身軸力沿深度的分布曲線

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果分析表明，在深厚黃土地區(qū)，單樁沉降較為均勻、沉降量較小、具有較高的承載力，如果承擔(dān)較大荷載的建筑物優(yōu)先可以選擇樁基礎(chǔ)比較理想。試樁的Q-S曲線較為平緩，無(wú)突變點(diǎn)及斜率變化較大的情形，樁基礎(chǔ)受力較合理；S-lgt曲線平緩規(guī)則，無(wú)突變情況，說(shuō)明各個(gè)單樁的極限承載力均大于4900kN，且有較大增長(zhǎng)空間，比設(shè)計(jì)的單樁極限承載力大很多，有很大優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間。

通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明，3根單樁的樁底承載力為0，說(shuō)明樁身軸力未傳至樁端，荷載主要由樁側(cè)與周圍土體的相互摩擦力來(lái)平衡，屬于典型的摩擦樁；樁身軸力的分布與樁基礎(chǔ)的深度有關(guān)、與樁周圍土體的受力特性有關(guān)、與樁頂施加的荷載大小有關(guān)，與深度成反比關(guān)系，與荷載大小成正比關(guān)系。