大厚度濕陷性黃土地區風電擴底灌注樁單樁承載力試驗分析

劉增榮，武世剛，姜培軍，賈福興，張珊珊

(1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055;2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064;3.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

灌注樁是指利用鉆孔機械在樁孔中鉆進，在鉆頭的作用下，通過泥漿正循環或反循環破碎土體，并把土渣帶出孔外，然后在孔內吊入鋼筋骨架，灌注混凝土而成的樁［1］。擴底灌注樁就是在成孔后，利用擴底器進行擴孔形成擴大頭再放置鋼筋籠［2，3］。為了能夠順利鉆孔、成樁，需采用一定的措施，包括制備適宜的泥漿、提高孔內泥漿水位以及灌注水下混凝土等。鉆孔灌注樁的特點是施工設備簡單，操作方便，適用于各種砂性土、粘性土，也適用于碎石類土層和巖層［4］。王端端等［5］通過對旋挖鉆孔灌注樁的荷載傳遞規律和樁側摩阻力發揮特性進行分析，認為旋挖鉆成孔時無需護壁泥漿，不但可以避免樁側泥皮的形成，而且形成的孔壁粗糙，加強了樁土的咬合作用，提高了樁側阻力的發揮。茅燕兵等［6］通過單樁靜荷載試驗的Q-S曲線推算各級荷載下土體的等效彈性模量，建立單樁樁頂位移與等效彈性模量的函數關系，并利用Mindlin位移解計算群樁相互作用。陳新澤等［7］結合濕陷性黃土地區樁基浸水載荷試驗實例，對樁基的負摩阻力形成機理進行數值模擬研究，得到黃土濕陷后樁身中性點上移，負摩阻力增大的結論。目前，國內外很多學者對擴底鉆孔灌注樁的承載力性狀及荷載傳遞機制以及樁側負摩阻力估算方法進行了研究，尤其是進行樁底擴孔后的荷載傳遞規律等均取得了一定的成果［8，9］。由于黃土地區風電灌注樁基礎的單樁承載特性研究不足，本文結合陜北地區實際工程的試樁過程，通過試驗對大厚度濕陷性黃土地區的單樁承載特性進行分析，為擴底鉆孔灌注樁設計及施工提供依據。

1 工程背景及試驗設計

擬選風電場場址位于黃土高原丘陵溝壑區，丘陵、溝壑、梁、峁交錯縱橫。黃土梁地貌在風電場范圍內廣泛分布，走向清晰可辨，延伸較遠，頂部寬度變化不大，其兩側坡度較大，梁頂和半坡多為耕地，梁坡中下部沖蝕較嚴重，坡腳處沖溝發育，有崩塌、滑塌等不良地質作用，地形條件一般。典型的黃土峁在風電場分布少，其上部存在大厚度的全新世濕陷性黃土。風場區內沖溝較多，沖溝內邊坡陡立，土質均勻，沖溝局部岸坡陡峭，存在崩塌可能，地勢較低處常發育有黃土落水洞，且厚層黃土濕陷強烈，并且承載力較低，風場內的所有建(構)筑物均需進行地基處理。考慮風場內建(構)筑物自身不使用水或使用水量極少，且本地區降水量相對較少，有條件做好地面防排水的措施，在此完善的地面防排水條件下地基處理方案可選擇鉆孔樁［10，11］。

1.1 試樁的樁位及錨樁的布置

試樁施工自2016年7月11日至2016年7月16日，試樁測試自2016年8月12日至2016年9月7日。試樁布置如圖1所示。施工鉆具采用機械洛陽鏟，干作業Φ800 mm成孔，鉆至設計樁深，采用擴孔器擴底至設計值Φ1 400 mm，成孔后采用高1.6 m、直徑0.6 m、重量為0.8 t的夯錘提升3 m的高度自由落體式夯擊5～7次。鋼筋籠采用吊車安裝，混凝土灌注采用商業混凝土，運輸采用混凝土罐車，無混凝土斷運情況。干作業灌注樁混凝土充盈系數平均值為1.08。試樁擬采用Ф800 mm擴底鉆孔灌注樁，樁端持力層為黃土層，樁長約27 m，混凝土強度等級C30，坍落度為160～180 mm，預估單樁豎向承載力特征值為2 000 kN。

圖1 試樁布置示意(單位:mm)

1.2 單樁豎向抗壓靜載試驗

單樁豎向承載力試驗采用錨樁橫梁反力裝置進行加載，該裝置由反力系統、加載系統、位移測量系統3部分組成，試驗加載裝置見圖2。荷載從小至大由千斤頂(型號為QF-630T，編號為630-1)逐級施加，其量值由標準壓力表讀取油壓，根據千斤頂的率定曲線換算荷載。樁頂在加載過程中的沉降量采用4個百分表(量程為0～30 mm，編號分別為A248227、A243089、A211463、A200090)測量，百分表通過磁性表座支撐在基準梁上。

圖2 單樁靜載試驗裝置示意

加載采用慢速維持荷載法，即每級荷載施加后，按第5、15、30、45、60 min測讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測讀一次樁頂沉降量，直至試樁沉降達到相對穩定標準為止(試樁沉降相對穩定標準為1 h內連續出現2次樁頂沉降量不超過0.1 mm)，當樁頂沉降速率達到相對穩定標準時，可施加下一級荷載。卸載時，每級荷載應維持1 h，分別按第15、30、60 min測讀樁頂沉降量后，即可卸下一級荷載;卸載至0后，應測讀樁頂殘余沉降量，維持時間不得少于3 h，測讀時間分別為第15、30 min，以后每隔30 min測讀一次樁頂殘余沉降量。

當出現下列情況之一時，可終止加載:①某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍，且樁頂總沉降量超過40 mm;②某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經24 h尚未達到試樁沉降相對穩定標準;③已達到實際要求的最大加載值，且樁頂沉降達到相對穩定標準;④工程樁做錨樁時，錨樁上拔量已達到允許值;⑤荷載-沉降曲線呈緩變形時，可加載至樁頂累計沉降量60～80 mm，當樁端阻力尚未充分發揮時，可加載至樁頂累計沉降量超過80 mm。

1.3 樁身內力測試

本次試驗采用鋼筋計法進行內力測試，鋼筋內力測試與沉降觀測同步進行。鋼筋計型號為TYGJJ-100。每級加載沉降達到相對穩定后，在加下一級荷載之前對鋼筋計進行測讀，該讀數為本級荷載下鋼筋內力測試值。測試值與標定值進行內插計算，并對初值進行修正，即得到每級荷載下各測試點的鋼筋內力值。鋼筋內力值取每一斷面2個內力的平均值，即式中，σi為i斷面鋼筋內力值;f1i、f2i分別為i斷面2個鋼筋內力初值;F1、F2分別為i斷面2個鋼筋內力修正值。

按鋼筋與混凝土變形協調原則及平衡條件可以得到樁身軸力，即

式中，Ni為i斷面樁身軸力值;Agi為i斷面單根鋼筋截面面積;n為鋼筋根數;Ahi為i斷面混凝土截面面積;Eh、Eg分別為混凝土、鋼筋的彈性模量。

由相鄰兩斷面樁身軸力差和該土層樁側表面積求得樁側阻力，即

式中，qfi為 i斷面樁側摩阻力值;Ni、Ni－1分別為 i、i－1斷面樁身軸力值;Si為i斷面樁身周長;Li為i與i－1斷面間的樁長。

由樁底軸力和樁底面積求得樁端阻力，即

式中，qd為樁端阻力值;Nb為樁底軸力值;Ab為樁底面積。

1.4 浸水試驗

觀測地基浸水5～8 d的沉降量以揭示天然地基浸水試驗的水浸深度。試驗方法為以A3樁為中心，開挖深500～600 mm、尺寸為3 m×5 m的浸水基坑，標桿底座采用厚1.2 mm、尺寸為1 000 mm×1 000 mm的鋼板，觀測采用DSC232水準儀。浸水8 d后開挖浸水基坑，采用探鏟觀測水浸深度。

2 試驗結果

試樁的豎向抗壓靜載試驗結果見表1，根據試驗數據繪制P-S和S-lg(t)關系曲線，如圖3所示。由計算結果可知，A1、A2、A3樁的單樁豎向極限承載力分別為4 400、4 800、3 600 kN，滿足設計要求。

表1 試樁的豎向抗壓靜載試驗結果

圖3 試樁的豎向抗壓靜載試驗曲線(以A1樁為例)

當荷載超過該荷載后，樁底下土體達到破壞階段發生大量塑性變形，引起樁發生較大或較長時間的沉降，在P-S曲線上表現為出現明顯的下彎轉折點，將此點所對應的荷載作為承載極限荷載。如圖3a所示，A1樁的單樁豎向極限承載力為4 400 kN。

大量試樁資料分析表明，樁在破壞前的每級沉降量與時間的對數呈線性關系，直線的斜率記為m(如圖3b所示)，即S=mlg(t)。m不是常數，m在某種程度上反映了樁的沉降速率，隨著樁頂荷載的增大m也增大，m越大則表明樁的沉降速率越大。當樁頂荷載繼續增大時，若發現S-lg(t)曲線不是直線而變成折線時，則表明地基土塑性變形驟增，樁呈現破壞，S-lg(t)曲線由直線變為折線的那級荷載前一級荷載即為樁的極限荷載。

3 結果分析

3.1 灌注樁內力計算

圖4 A1、A3試樁內力測試結果

樁身內力測試根據灌注樁應力測試試驗數據進行計算，繪制成樁身軸力分布圖和側摩阻力分布圖。A1、A2樁規律相似，本文只給出A1樁(非浸水樁)和A3樁(浸水樁)規律，如圖4所示。由圖4可知:①樁身軸力發揮性狀及荷載傳遞規律為隨著荷載等級的不斷增加，同一水平斷面處樁身軸力逐漸增加，在同一荷載等級的情況下，隨著樁入土深度的增加，樁身軸力由上到下逐步減小。②樁側阻力發揮性狀及荷載傳遞規律為施加荷載的過程中，在荷載3 200 kN以下時，樁側阻力隨著樁入土深度的增加而略微減小，在荷載＞3 200 kN時，樁側阻力隨著樁入土深度的增加而增大。隨著荷載等級的增加，同一水平斷面處，樁側阻力逐級增加，增加到一定程度后，趨于穩定。

3.2 模擬工況浸水試驗

工況浸水8 d，累計水位沉降2 000 cm，地面累計沉降量為1.8 cm，最終水浸深度揭示為735 cm。

A3樁是浸水樁，一般情況下，樁受軸向荷載時，樁相對于樁側土體產生向下的位移，土對樁產生向上作用的摩阻力，稱正摩阻力，但當樁周土體因某種原因(黃土的濕陷性)發生下沉，其沉降變形超過樁身的沉降變形時，在樁側表面將出現向下作用的摩阻力，即負摩阻力。由圖4d可知，A3樁在水的作用下于樁深0～6 m段產生了負摩阻力，隨著深度的增加，樁側負摩阻力值也隨著增大;在樁深6～8 m段，隨著深度的增加，樁側負摩阻力逐漸減小;在樁深8 m時，樁側負摩阻力為0，此時達到正負摩阻力都為0的中性點;在樁深8～27 m段，樁側阻力由上至下逐步發揮，隨著荷載的增加，樁側阻力的發揮程度逐步增大。

由A1、A3樁對比可知，A3樁的承載力明顯比A1樁的承載力要低，原因為①在水的作用下，黃土的濕陷性使樁產生負摩阻力，負摩阻力不但不能成為樁承載力的一部分，反而變成施加在樁上的外荷載，減小樁的極限承載力;②水的作用會改變土體參數，降低土的側摩阻力，從而降低了樁的極限承載力。

4 結論

針對大厚度濕陷性黃土地區地質特征，本文結合陜北定邊縣某擬建風電場項目工程，在工程試驗區進行擴底鉆孔灌注樁靜載試驗，并對試驗數據進行分析，得出如下結論:

(1)樁身軸力發揮性狀及荷載傳遞規律。隨著荷載等級的不斷增加，同一水平斷面處樁身軸力逐漸增加，在同一荷載等級的情況下，隨著樁入土深度的增加，樁身軸力由上到下逐步減小。

(2)樁側阻力發揮性狀及荷載傳遞規律。施加荷載的過程中，在荷載＜3 200 kN時，樁側阻力隨著樁入土深度的增加而略微減小，在荷載＞3 200 kN時，樁側阻力隨著樁入土深度的增加而增大。隨著荷載等級的增加，同一水平斷面處，樁側阻力逐級增加，增加到一定程度后變為穩定值。

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