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降雨過程對蘭州黃土中樁基負摩阻力的影響

2018-09-30 08:09:38 土木建筑與環境工程 2018年5期

艾小平 吳亞平 舒春生 余小龍 高海平 陳坤 徐正偉

摘 要:

為了模擬預壓工況下非連續降雨對蘭州濕陷性黃土對橋梁樁基摩阻力影響,以自然滲透方式進行了現場試坑浸水試驗。通過埋設鋼筋計測算樁側摩阻力,埋設水分探頭測浸水深度。結果表明,浸水最大深度在10 m左右,且在該深度處含水率增量很小,說明浸水主要影響區域已在10 m之上。在整個實驗過程中,樁側負摩阻力始終存在,且其峰值隨著荷載遞增而增大。加載階段,負摩阻力分布區間長與樁長比值約為0.24,是一個變化的過程;卸載過程中,也存在負摩阻力,區間長與樁長的比值在0.28~0.45范圍內波動。試驗結果表明,首次降雨對樁基受力影響較大,較長時間的間斷性二次降雨影響較小。負摩阻力區間比規范規定的小,在實際樁基設計時,既要充分考慮首次降雨的影響,又可以根據負摩阻力長度和適當調整樁長。

關鍵詞:

降雨;樁基;濕陷性黃土;現場試驗;負摩阻力

中圖分類號:TU444

文獻標志碼:A 文章編號:16744764(2018)05002707

收稿日期:20170510

基金項目:

甘肅省重大科技專項(1302GKDA009)

作者簡介:

艾小平(1991 ),男,主要從事橋梁樁基礎研究,Email:[email protected]

Received:20170510

Foundation item:

Major Scientific and Technological Special Project of Gansu Province(No.1302GKDA009)

Author brief:

Ai Xiaoping(1991), main research interest:bridge pile foundation, Email: [email protected]

Effect of rainfall on negative frictional resistance of pile

foundation in Lanzhou loess

Ai Xiaoping1, Wu Yaping1, Shu Chunsheng2, Yu Xiaolong2,

Gao Haiping2, Chen Kun1, Xu Zhengwei1

(1.College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, P. R. China;

2.Gansu Transportation Planning Survey and Design Institute Co., Ltd., Lanzhou 730030, P. R. China)

Abstract:

To simulate the influence of noncontinuous rainfall on the friction of pile foundation in Lanzhou collapsible loess, field test was carried out via natural infiltration method. The project measures the pile side friction by embedding the steel bar and the immersion depth by water probe. The results show that the maximum water immersion is about 10 meters, and the increase of water content below this depth is marginal. During the test, the negative friction resistance is taking effect, and its peak increases when the load increases. At the loading stage, the length of the negative friction resistance is about 0.24 times the pile length, subjected to certain fluctuation. During the unloading process, there is still negative friction resistance, and the interval length fluctuates within the range of 0.28 ~ 0.45 times the pile length. The results show that the initial rainfall has a significant influence on the pile foundation, and the effect of continuous intermittent rainfall is marginal. The actual negative friction resistance is much smaller than the threshold. Consequently for pile design, it is necessary to fully consider the impact of the initial rainfall.The pice length should also be adjusted based on the negative friction resistance.

Keywords:

rainfall; pile foundation; collapsible loess; field test; negative friction

黃土是一種成分復雜的具有獨特性狀的土,是第四紀地質時期干燥條件下形成的多孔具有柱狀節理的沉積物,主要成分是粉土顆粒(粒徑0.05~0005 mm),約占60%~70%,可溶鹽含量高達10%~30%,結構疏松,孔隙多而大,具有高壓縮性[1]。實踐證明,黃土受到水的浸濕后,結構迅速破壞而產生顯著的附加沉降,即濕陷[23]。在實際生產生活中,如果將樁基修建在有明顯濕陷性的黃土地區,樁側土體遇水濕陷較大時,會對樁產生向下的拉力,即負摩阻力,這會極大地降低樁基的承載力。近些年,濕陷性黃土樁基負摩阻力導致的工程問題,引起了相關領域許多學者的關注[49]。

雖然許多學者對濕陷性黃土樁基負摩阻力有研究,包括中國西北地區的一些科研機構和高校也做過此類試驗,但仍存在一些問題[1014]。首先,在已有的大量研究中,如朱彥鵬等[13]關于負摩阻力隨樁長變化的研究,試坑浸水方式大部分是在樁周打泄水孔,這種方法雖然可以使樁周土達到飽和極限狀態,研究其充分濕陷的情況,但與實際不吻合。其次,雖然魏進等[14]做過類似浸水自然滲透的試驗,但其摩阻力分布與融土地區類似,有明顯分界。考慮到地域的廣闊性、復雜性,尤其是在中國大力投資建設的西北部地區,針對其特有的環境(干燥的氣候,大厚度高壓縮性黃土),現有的研究還不充足。最后,中國現行規范對負摩阻力取值方式的規定過于簡單粗略、單一保守,并沒有考慮到實際樁基受力過程中中性點的變化。并且在實際工作生產中,不同地區土層狀況千差萬別。

隨著中國生產技術和需求的不斷發展,濕陷性黃土中樁基負摩阻力的研究還不足以滿足相關需求。鑒于此,筆者結合蘭州地區獨有的地質與氣候條件,模擬蘭州非連續降雨,進行較大型的現場樁基預載浸水試驗,研究蘭州地區濕陷性黃土對橋梁樁基摩阻力的影響。第5期

艾小平,等:降雨過程對蘭州黃土中樁基負摩阻力的影響

1 試驗場地地質水文概況

試驗依托蘭州南繞城高速公路部分橋跨段,工程所在地屬隴西黃土高原西部,是青藏高原向黃土高原的過渡帶。地形地貌總體為南北高(黃土溝梁區),中間低(河谷盆地區),需要較多橋梁溝通連接。蘭州屬中溫帶大陸性氣候,冬無嚴寒、夏無酷暑,氣候溫和,區內海拔平均高度1 520 m,年均氣溫11.2 ℃,年均降水量327 mm,月最大降雨量123.2 mm。全年日照時數平均2 446 h,無霜期180 d以上。擬建項目在全國公路氣候自然分區中屬甘東黃土山地區Ⅲ3。

依據設計院的勘察資料,將該試驗場地黃土自重濕陷最大深度初步確定為20 m。該工程段自重濕陷等級為Ⅳ級,場地靠近柴家臺村,交通便利,故將試驗場地選擇在西固區柴家臺上。

2 試驗方案

2.1 試驗依據及布置

結合蘭州地區降雨少、氣候干燥、匯水少的特點,依據《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB 50025—2004)中有關的濕陷性黃土試驗以及附錄H“單樁豎向承載力靜載荷浸水試驗要點”,由于場地周邊道路及其他構筑物的限制,將樁基浸水荷載試驗試坑采用長方形以及4個小長方形,尺寸為L×b=20 m×9 m+4×2.5 m×2 m=200 m2,試坑深度為0.6 m,整個試坑內鋪設15 cm厚的細砂礫。布設S2試樁,樁長l0為20.5 m,樁徑800 mm,試樁鋼筋籠主筋為8ф16,為通長筋,每根試樁在對稱鋼筋上沿豎向左右對稱布置鋼筋應變計,從1 m開始,前10 m每隔1 m布置一個,后10 m每隔2 m布置一個,共計30個。試樁之間的距離8 m,滿足《建筑樁基技術規范》有關規定,即樁間距大于4d。加載系統采用工字鋼堆載及千斤頂加載的形式,樁基設計承載力為380 t,采用500 t的工字鋼堆載。該試樁共布置24個觀測點,采用百分表記錄位移,其中淺層標點12個,分別沿120°夾角的3條觀測線布置,用于測地面的濕陷變化情況;深層標點6個,用以觀測不同深度土層的自重濕陷情況;樁周土標點3個,用以觀測樁土相對位移;樁頂3個點,以觀測樁的位移情況。試坑設有水分探頭,以量測水浸入深度。

2.2 試驗步驟

1)試驗得到旱地樁極限載荷為430 t,試樁取旱地樁極限荷載的0.5倍(215 t)作為設計荷載進行分級預加載;

2)第1級取分級荷載的2倍(86 t)加載,以后按分級荷載43 t加載,共加載4級;

3)待加載到設計荷載穩定后,從10月25日開始分別按照年均降雨量的2倍、3倍慢速浸水,研究預壓浸水摩阻力發展情況,停水后繼續研究土體失水固結摩阻力的發展情況;

4)11月18日開始按3倍年均降雨量浸水,浸水穩定后開始加載,并維持一定水位至試樁破壞。考慮到水分下滲及水分蒸發等,最終浸水量4倍多;

5)卸載分級進行,每級卸載量為加載分級載荷的2倍,維持1 h測讀樁頂沉降量。卸載至0后,讀樁頂殘余沉降量,維持至少3 h。

試驗采集數據按前1 h每15 min讀一次數,以后0.5 h讀一次數,穩定標準為連續2 h的位移量不大于0.1 mm[15]。

3 結果分析

3.1 加載結束的判定

通過試驗數據整理計算,得到位移隨時間變化以及荷載與位移的關系,如圖2所示。

S2樁從預壓到浸水加載破壞,結果如圖2所示。從圖2可看出,第5級荷載之前,各級荷載下Slg t關系圖線較平直,無明顯的波折點。隨著荷載的增大,位移隨時間對數的增長數值基本保持不變。在第6級荷載作用下,加載初期,Slg t關系曲線基本沒有變化,僅表現為微降,但當lg t數值在3附近時,位移曲線出現明顯拐點,表現為陡降,且超過24 h位移沒有達到穩定的標準,故判定此時試樁破壞,停止加載。

3.2 軸力及摩阻力沿樁身分布分析

3.2.1 預壓階段分析 試驗通過鋼弦式應變計測得應變,利用廠家提供的參數及公式計算得到軸力和摩阻力,結合Origin軟件對數據進行處理,得到S2試樁預壓階段如圖3所示。

由圖3可知,軸力沿樁深下降呈非線性衰減。隨著加載量增加,樁土相對位移增大,樁側摩阻力充分發揮效應,從而使軸力衰減速率增大。在樁體中上部5~11 m范圍,軸力有類似于正弦形的波動。分析其原因,可能是該深度的土層與其他土層承載特性相比存在明顯差異,以及試樁在澆筑時,樁側平整度對樁土接觸也有一定影響;計算所得摩阻力沿樁深變化趨勢是先增大后減小,靠近樁端再次增大,這與西北地區部分科研機構在類似土體試驗所得結果(摩阻力在樁下部逐漸減小,在樁端接近于零)有一定差別[14],主要是土體的特性差異,樁體下部土層與樁的剪切彈性接觸良好,從而使摩阻力再次遞增。摩阻力數值基本為正,最大峰值位置基本都在9 m處,且最大值未超過150 kPa。樁側局部出現負值,但數值較小,負摩阻分布長度約3 m,基本可忽略不計,這與已有的樁基試驗結果基本吻合。摩阻力出現多個峰值且局部出現負值可能與土層性質和密實度有關,不同土層樁土粘結性能不同。此階段土體持力層主要在5~10 m及15~20 m處。

3.2.2 恒壓浸水階段分析 恒壓浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖4所示。

從圖4(a)可以看出,在試坑浸水后,樁頂以下軸力隨即增大。在恒壓作用下,隨著浸水量和浸水時間的增長,樁身每個截面的軸力都在逐漸增大,軸力較樁頂荷載大的區間也在向下發展,且主要集中在樁中上部,樁端力幾乎沒變化。這主要是因為,隨著浸水時間和浸水量的增加,樁側土產生自重濕陷,且濕陷深度隨土浸水深度發展而增大。當土層的沉降大于樁體時,對樁產生向下的拉力,其數值隨著樁土相對位移增大而增大,這就相當于對樁二次加載,因而樁端力隨之增加。由圖4(b)可知,摩阻力沿樁身向下正負交替,土體浸水立刻產生負摩阻力,且負摩阻力主要分布在樁上部。通過計算后,負摩阻力分布長度和主要在4.66~5.04 m區間內,負摩阻力數值隨著時間因子增大和浸水量增加而增大,但增量不大。其主要原因是,隨著浸水量增加和時間延長,水浸入深度增大,淺層下的土層也產生較大沉降。此階段土體持力層與預壓基本一致,也主要在5~10 m及15~20 m處。

3.2.3 停水階段分析 試坑停水階段的軸力及摩阻力分布如圖5所示。

由圖5可知,當試坑地表無積水時,軸力沿樁身仍有增加,但隨著時間的延長,增量逐漸減小。此階段樁身上部軸力增大值較小,主要表現為樁體中下部軸力增大,可能是在停水初期,隨著時間增長,深層土體也逐漸受到水分下滲造成的影響。此階段的樁端反力有一定量的增長,樁側摩阻力分布規律在此階段基本變化不大,仍呈現正負交替,個別截面摩阻力數值先增大后減小。負摩阻力分布長度和在5.04~5.1 m范圍內波動,初期先增大,隨著時間延長,逐漸有微量的衰減。說明土體在停水固結初期蓄水量大。由于試驗時間在秋冬季節,氣溫低,地層水分散失少,淺層土基本處于飽和狀態,使得樁土相對位移的變化很小,負摩阻力區段繼續發展。但后期隨著時間增長,部分水分散失,上部土層含水率降低,土體沉降速率降低,樁土相對位移減小,從而使負摩阻力分布長度和減小。此階段持力層基本無變化。

3.2.4 再次浸水階段分析 試坑再次浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖6所示。

當試坑再次浸水時,此階段整個樁深軸力都有微量增大。軸力增量隨著時間逐漸減小,總體數值遞增量較小,其原因可能是長時間停水后,試坑再次浸水使得土體再次濕陷。但沉降在首次浸水及停水階段已基本完成,故軸力變化較小,這一點可以通過樁土位移得到印證。此階段摩阻力沿樁長的分布規律及分布區間長度基本無變化,說明較長時間的非連續性二次降雨對樁基摩阻力影響不大。

3.2.5 加載持續浸水階段分析 試坑再次加載持續浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖7所示。

試樁再次加載至破壞階段,在極限荷載作用下,軸力基本保持不變。而在破壞荷載作用下[15],樁體中下部軸力明顯遞增,此階段負摩阻力峰值出現較大數值,主要是由于樁體產生較大的位移,擾動了樁側土體水分下滲,從而使下部土體濕陷。負摩阻力分布長度和先減小后增大,在極限荷載下,長度約5.14 m。破壞荷載下,樁端反力發揮到最大程度。土體的持力層主要在樁8 m以下的位置,這與埋設水分探頭所測水浸入土層深度結果基本一致,可見,水的影響深度主要在前8 m的位置,具體變現為土體浸水后,出現明顯的沉降,對樁施加負摩阻力,同時,水使得樁土接觸相互作用弱化。

3.2.6 卸載階段分析 試坑再次浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖8所示。

由圖8可知,卸載過程中軸力沿樁向下先增大后減小,在樁上部出現3個峰值,最大峰值位置與預載時峰值有一定差異,基本處在7 m位置,7 m以下逐次遞減。較為反常的是在卸第1級荷載時,樁頂以下軸力較卸載前變化較小,而且測得樁體回彈位移值較小,甚至仍有沉降趨勢。其原因可能是樁在破壞荷載作用下,卸載時樁周土對樁有較大的約束,限制了樁的回彈,從而使樁土相對較小[16]。此階段摩阻力分布規律與加載階段基本一致,負摩阻力沿樁深分布區段和隨著卸載量的增加數值增大,從574 m變化到9 m。相比加載階段,變化明顯,空載時,數值達到最大。可能是卸載過程中,由于土處于浸水狀態,仍會產生沉降,但樁體隨著荷載降低產生回彈,即產生向上的位移,如此便會產生負摩阻力,并且樁體回彈量隨著卸載等級增加而增大。此時,樁側土體持力層主要在10 m以下位置。

為了研究全階段變化情況,選取5 m及7 m處繪制軸力圖,結果如圖9所示。

結合前5個階段分析結果圖,由圖9可知:試樁5 m處,在浸水后軸力就開始增大,且隨著水量的增加及時間的延續,增大趨勢逐漸向樁下部發展。試坑無明水時,軸力仍有增長,相對于試坑浸水狀態,數值較小,可能是受到試坑水頭小的影響。再次浸水時,軸力繼續微量增大。再次施加荷載時,在每級荷載下,隨著時間的延長,軸力又再次的增大。說明在破壞荷載下,負摩阻力仍然存在,可能是由于該位置處的土層在之前受到水的影響并不明顯,在此時,由于樁基對土的擾動,導致該土層C、φ等承載特征值減小,從而下沉速率大于樁基,產生加載效應。

綜合以上分析可知,隨著浸水時間延長,正摩阻力發揮度在逐漸減小,而樁端力發揮度在增加,在破壞荷載下樁端力發揮度到達極限時,摩阻力發揮度達到最小。

4 結論及展望

1)試驗模擬降雨的浸水方式下,通過埋設水分探頭測得浸水最大深度在10 m左右,且在該深度處含水率增量很小,說明浸水主要影響區域已在10 m以上,并且樁基在浸水期間持力層也主要分布在10 m以下,這印證了試驗結果的正確性。

2)在浸水過程中,由于浸水方式不同,水影響深度較淺,使樁側正摩阻力呈現先增大、左右波動達到峰值后、經過減小后再次有增大的現象。

3)試樁在恒壓浸水至破壞過程中,樁側負摩阻力始終存在,且其峰值隨著荷載遞增而增大。樁身負摩阻力區段長度ln,與樁長比值ln/l0為0.23~026,是一個變化的過程;卸載過程中,存在較大面積負摩阻力,ln/l0為0.28~0.45。設計時,可以考慮中性點區間特點,達到安全、經濟、合理。

4)在試驗過程中,首次降雨對樁基軸力及摩阻力影響較大。間隔20 d左右,試坑水干,再次降雨對摩阻力影響較小。鑒于此特點,設計時可以主要考慮首次降雨對樁基影響。

5)試樁在短期浸水后,主要由于負摩阻力的影響,試樁的極限承載力只有自然條件下的60%。而試樁在極限荷載下的沉降量約自然條件下的1.73倍。設計時,在以承載力為主要控制參數時,要同時考慮樁基沉降的影響,保證承載力又兼顧橋梁路線的平順。參考文獻:

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(編輯 胡英奎)

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