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Ⅳ級自重濕陷性黃土場地長樁豎向承載力試驗研究工學論文
摘要 利用有限元模擬理論，分析了在大厚度濕陷性黃土場地中，長柱的樁周土在天然狀態(tài)和浸水狀態(tài)下對基樁承載性狀的作用，并對濕陷過程中樁的承載機理等進行研究，為同類地質(zhì)上的工程應用提供了寶貴的技術(shù)參數(shù)。
關(guān)鍵詞 濕陷性黃土；長樁；豎向承載力；試驗研究
黃土作為一種常見的工程地基，在我國主要分布于北緯33°～47°之間，總面積約為63.5萬km2，最大厚度達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。實測或計算自重濕陷量大于7cm的濕陷性黃土為自重濕陷性黃土。
在工程實踐中，Ⅳ級自重濕陷性黃土場地，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，相對來說比較安全可靠，但是缺點是投資大，經(jīng)濟性差。
為了降低工程投資，給某工程設(shè)計和以后的工程應用提供準確的技術(shù)參數(shù)，并指導同類工程實踐，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，在Ⅳ級自重濕陷性黃土場地中，通過研究樁周土浸水前后樁承載性狀、濕陷過程中的承載機理等，進行了長樁豎向承載力的試驗研究。
1 主要試驗依據(jù)
《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(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 試驗場地巖土工程條件
2，1場地地形地貌
試驗場地位于榆中縣和平鎮(zhèn)科技園內(nèi)，園區(qū)地勢西南高、北東低，高差約37米左右，坡降37‰，場地地形因平田整地而呈臺階狀。地貌特征為上更新統(tǒng)砂礫卵石夾粘土(上覆風成黃土狀粉土)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)試驗場地地層結(jié)構(gòu)
�、冱S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。
②卵石層(Q3al-pl)：未揭穿，青灰色，層頂標高1744.3～1738.39m，顆粒呈扁圓～亞圓狀；粒徑以2～8cm為主，最大20cm，偶見漂石，骨架顆粒約占60％左右，級配較好，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，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、第四紀迭置凹陷�？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)，地下水對工程無影響。
2，3巖土工程評價
(1)黃土濕陷性評價：試驗場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。濕陷量計算結(jié)果：z=123.1～272cm；ZS=61.3～200.2cm。整個場地水平范圍內(nèi)屬Ⅳ級自重濕陷性黃土場地，最大濕陷深度為40米。
(2)人工挖孔灌注樁樁基設(shè)計參數(shù)：勘察報告建議采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長為40米左右，以卵石層為樁端持力層。對于干作業(yè)樁(清底干凈，D=800mm)各層土的極限端阻力和極限側(cè)阻力見表1。
3 試驗方案
3，1試驗裝置
(1)試驗加載裝置：加載反力裝置采用錨樁鋼梁反力系統(tǒng)，4×5000kN電動油泵驅(qū)動的油壓千斤頂加載，荷載測量采用設(shè)置在電動油泵上的壓力傳感器直接測定。
試驗加載設(shè)備最大加載能力達到20000kN。
(2)荷載與沉降量測儀器：試樁采用2個正交直徑方向?qū)ΨQ安置四個位移傳感器，由RS—JYC地基基礎(chǔ)靜載荷測試儀自動記錄測量試樁樁頂?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)成的基準梁上。
(3)靜載試驗自動控制系統(tǒng)；本試驗檢測采用RS—JYC地基基礎(chǔ)靜載荷測試儀，全自動控制試驗過程、全自動實時觀測并自動記錄測試數(shù)據(jù)。
該系統(tǒng)通過預先設(shè)置的加(卸)載分級、荷載量值、判穩(wěn)標準等試驗參數(shù)，控制設(shè)置在電動油泵上的壓力傳感器實現(xiàn)全自動加載、補載、卸載，自動維持荷載恒定并自動判穩(wěn)進行下級荷載的測試。測試儀采集設(shè)置于試樁、錨樁上的位移傳感器的變形數(shù)據(jù)，自動記錄測試數(shù)據(jù)。
3，2試驗樁布置
試驗布置試驗樁3根，布置錨樁8根。
試驗樁基本參數(shù)見表2。
3，3試驗方法及標準
單樁豎向抗壓靜載試驗采用慢速維持法，即逐漸加載，每級荷載達到相對穩(wěn)定后加下一級荷載，穩(wěn)定標準為連續(xù)兩小時內(nèi)，每小時沉降小于0.1mm，直到試樁破壞。然后分級卸載，全部卸載后，隔3～4h測讀變形。 4 試驗浸水過程
4，1浸水孔布置
A1、A2、A3試樁樁周各均勻分布5個直徑150mm、深度為34m的注水孔，注水孔用純凈小礫石填充。樁周地面處開挖直徑3.0m浸水坑，坑底鋪設(shè)15cm厚礫石�？觾�(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時進行浸水。浸水后，濕陷場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)沉降觀測顯示樁周有近100cm沉降量，附近地表無明顯塌陷，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結(jié)果
通過對A1、A2、A3試樁進行了豎向抗壓靜載試驗，各樁在樁周土浸水狀態(tài)下，單樁豎向極限承載力試驗結(jié)果如表3。
按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GBJ25—90)規(guī)定：
自重濕陷性黃土場地的單樁承載力除不計濕陷性土層范圍內(nèi)的樁周正摩阻力，尚應扣除樁側(cè)的負摩阻力。
在試驗中由于浸水影響，樁周土發(fā)生自重濕陷而產(chǎn)生塌陷，可認為樁周局部范圍內(nèi)正摩阻力喪失，負摩阻力產(chǎn)生且作用于試樁上。計算單樁承載力時，不扣除正摩阻力和負摩阻力。而未發(fā)生自重濕陷的樁段，由于樁側(cè)產(chǎn)生正摩阻力，這部分樁長范圍內(nèi)，應按照規(guī)范單樁承載力除不計濕陷性土層范圍內(nèi)的樁周正摩阻力，尚應扣除樁側(cè)的負摩阻力。
試驗完成后，在A1、A2、A3樁樁側(cè)開挖的探井采取了原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗。考慮探井開挖中所取原狀土樣與實際結(jié)果的誤差，綜合試驗結(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，扣除相應極限側(cè)阻力、樁側(cè)負摩阻力的單樁承載力計算結(jié)果如表4。
按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計算：
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準值Quk=4600kN；
按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(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)在本試驗場地工程地質(zhì)條件下，在已經(jīng)考慮負摩阻力作用下，樁周土在浸水狀態(tài)時，干作業(yè)人工挖孔灌注樁樁端極限端阻力標準值qpk=3000kPa。
(3)建議樁端進入持力層(卵石層)的深度不小于1倍樁徑。
(4)試驗在局部浸水狀態(tài)下進行，試驗結(jié)果對局部浸水場地具代表性。
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