粉質(zhì)黏土地基支護結(jié)構(gòu)極限承載力分析

吳麗萍

(山西工程職業(yè)學(xué)院,太原 030001)

為提高土地利用效率,大、中、小城市出現(xiàn)了大量高樓大廈。與此同時,為了解決土地短缺問題,除了利用城市軟土以外,一些雜填土和人工填土也開始用作基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。由于不同地區(qū)、不同堆積體填筑物的承載能力差異較大,在施工過程中必須保證建筑物的安全可靠,這在一定程度上決定了高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計的要求。

按照GB50007—2011規(guī)定,塑性指數(shù)在10%～17%之間的粉質(zhì)黏土,因軟土的變形,在軟土層中形成的沉降隨時間逐漸增大,造成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題,影響結(jié)構(gòu)的正常使用,甚至造成結(jié)構(gòu)的損壞、倒塌和其他嚴重事故。為了提高粉質(zhì)黏土地基的穩(wěn)定性,對其支護結(jié)構(gòu)進行極限承載力分析,有利于采取適應(yīng)性加固措施。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

本研究以某地為例,對粉質(zhì)黏土地基支護結(jié)構(gòu)極限承載力進行分析[1]。該區(qū)域土層物理學(xué)指標如表1所示。原樣制作:將試驗粉質(zhì)黏土按上下方向放置于原樣管中,使原樣的密度與自然土層的密度保持一致[2];用線鋸將原樣切成比環(huán)刀稍大的尺寸,在環(huán)刀內(nèi)壁涂上一層凡士林,將環(huán)刀的邊緣朝下放在原樣上,輕輕將環(huán)刀垂直向下壓,然后用刮刀將環(huán)刀兩端刮平,注意不要把兩端的土層弄臟。測量土樣的含水率。自然原狀土樣,為防止其失水,應(yīng)放置在加濕器中備用[3]。

表1 主要土層物理學(xué)指標Table 1 Physical property indicators of major layers

再生試樣制備:現(xiàn)場提取的原土樣風(fēng)干后全部粉碎。通過與原土的對比試驗,對重塑土和原土的含水率及干密度進行控制[4]。將經(jīng)稱量的重塑土樣用取樣方法制成樣品,倒入裝有環(huán)刀的采樣器中,壓實至要求緊實程度為止[5]。

1.2 固結(jié)試驗步驟

1)安裝百分表,使指針讀數(shù)接近滿刻度[6]。

2)施加預(yù)壓,使樣品與儀器各部分緊密接觸,讀百分表,記錄樣品的初始高度。

3)按照試驗計劃的裝載次序,在各個級別施加壓力。

4)在24 h內(nèi)施加壓力,以確定土樣是否穩(wěn)定,然后再施加下一級壓力[7]。

5)試驗期間,樣品必須由濕棉紗包住,以免水分蒸發(fā)。

6)在測試結(jié)束后,取出儀器的所有部件,取出樣品和測試結(jié)果。

固結(jié)試驗裝置如圖1所示。

圖1 固結(jié)試驗裝置Fig.1 Consolidation testing device

1.3 現(xiàn)場加載數(shù)據(jù)采集

單組份垂直壓靜荷載試驗方法:每級荷載后,以5 mm、10 mm、15 mm為間隔測量沉降,然后以15 min為間隔測量沉降,以30 min為間隔測量累積比[8]。在連續(xù)2 h內(nèi)，每1 h的沉降量小于1 mm,認為已經(jīng)穩(wěn)定,可以增加下一個荷載。單次供油垂直壓縮靜載試驗,下列情況下可暫時終止供油[9]。

1)在一定載荷作用下,頂板的沉降比原來的水平荷載大5倍。

注意:當補給頂沉降能量相對穩(wěn)定,且總沉降量小于40 mm時,應(yīng)加載到40 mm以上補給頂沉降量[10]。

2)最大承載能力滿足設(shè)計要求,沉降穩(wěn)定,試樣出現(xiàn)明顯損傷。

3)工程樁上了錯位涂料后,錯位數(shù)量已經(jīng)達到了允許值。

1.4 試驗裝置

測試前,確保測試場地平整,并做好前期準備工作,以確保測試有足夠的工作面[11]。為確保荷載的均勻和便于沉降位移的測量,在樁頂上精確定位一端板,面積0.5 m2。在此基礎(chǔ)上,還可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整,干燥的維護期不少于28 d,在溫度適宜的情況下,時間應(yīng)適當增加或減少。

試驗設(shè)備分為加載系統(tǒng),荷載系統(tǒng),觀測系統(tǒng)等。加載系統(tǒng)包括鋼梁、框架梁和混凝土配重塊[12];荷載系統(tǒng)包括千斤頂，端頭板;觀測系統(tǒng)包括基準光束和位移計[13]。試驗設(shè)備的安裝示意圖如圖2所示:經(jīng)測試裝置驗證負荷測量精度不低于最大負荷的1%,電位移測量法測量荷載板的沉降,其精度不應(yīng)小于0.01 mm。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Testing devices

將四個位移儀置于承壓板的對稱方向,測量其沉降。儀器架固定在磁性測量儀上,測量儀架固定在參考梁上[14],基準光束一端固定,一端自由。使用30 mm千分表測量樁頂?shù)拇怪背两?監(jiān)測表體的水平位移。當測試頂沉降時,將千分表對稱放置在頂上,并將測點放置在智能頂板上，通過磁性支架將表體固定在基準橫梁上;在監(jiān)視表體水平時,在干燥的表體前后,在接近表體頂部的地方放置一個100點指示符,并貼在干燥的表體上,防止從表皮滑出。

通過單樁豎向靜壓試驗來確定承載力時,荷載板的選擇根據(jù)摩擦直徑的不同,在單樁豎向靜壓試驗中,采用直徑為800 mm的剛性板作為承載板。

反荷載:本試驗的荷載裝置為混凝土堆載,反力荷載系統(tǒng)包括荷載千斤頂、鋼梁和堆載[15]。

2 試驗方案與計算方法

分別對原狀樣和重塑樣進行固結(jié)試驗,采用以下計算方案:

(1)

式中：F代表固結(jié)壓力單樁豎向承載力,kN;ppa代表樁端阻力,kPa;S代表樁底端橫截面面積,m2;L代表實驗樁的周長,m;psia代表樁側(cè)阻力,kPa;li代表樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度,m。

計算內(nèi)容如圖3所示:

圖3 承載力計算內(nèi)容Fig.3 Calculation of bearing capacity

3 結(jié)果討論

3.1 單樁荷載試驗結(jié)果分析

通過上述計算確定單樁極限承載力,共進行三組單樁靜荷載試驗,圖4為單樁荷載與沉降的關(guān)系曲線。

圖4 單樁荷載沉降關(guān)系Fig.4 Relationship between loading and settlement of single pile

分析圖4可知,隨著樁頂荷載的增加,樁身沉降量隨之增加。當荷載增加到200 MPa，沉降曲線出現(xiàn)明顯的拐點,表現(xiàn)為陡降型。總體呈現(xiàn)出三個特點,第一階段(0～100 MPa)沉降為初始直線段,其變化較小的原因是該階段為樁身彈性壓縮階段；第二階段(100～200 MPa)發(fā)生一定的變化,原因是隨著荷載水平的提高,樁身發(fā)生屈服,荷載與沉降關(guān)系曲線發(fā)生彎曲,這一變化現(xiàn)象較短；第三階段(200 MPa以上),沉降量隨著荷載的增加而快速增加,導(dǎo)致樁身出現(xiàn)一定的破壞。由圖4可知,拐點處荷載約為200 MPa,所以其單樁極限承載力為200 MPa。

分析現(xiàn)場試驗結(jié)果可知,樁身上端發(fā)生了一定的破壞,破裂情況與荷載作用方向一致,原因是樁身受到豎向荷載的影響產(chǎn)生次生拉伸應(yīng)力導(dǎo)致樁身破壞。這也就代表粉質(zhì)黏土地基黏結(jié)強度較低,故其在豎向荷載作用下非常容易發(fā)生張裂破壞情況。

其單樁極限承載力取決于兩個因素:一是樁體材料的強度,二是樁體側(cè)阻與端阻的限制。對粉質(zhì)黏土地基而言,由于基礎(chǔ)條件較好,樁基沉降較小時,樁基的支撐力(側(cè)阻力和端阻力)不能得到充分發(fā)揮，力量相對不足,首先造成傷害,導(dǎo)致沉降曲線急劇下降。它不同于水泥攪拌樁在軟土中的貫入破壞,但與軟土中超長水泥攪拌樁的樁身材料的強度破壞相似。樁長增加不會增加樁的承載力,增加樁材比例(即增加樁身強度)可明顯提高樁的承載力。

3.2 單樁復(fù)合地基荷載試驗結(jié)果分析

在該實驗中,共進行四組單樁復(fù)合地基荷載試驗,荷載沉降關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 單樁復(fù)合地基荷載與沉降量的關(guān)系Fig.5 Relationship between testing stress and settlement of single-pile composite foundation

如上圖所示,荷載-沉降關(guān)系曲線仍具有三段式的特點。單樁復(fù)合地基曲線上,直線段較長;復(fù)合地基沉降隨荷載的增加而線性增加；單樁復(fù)合地基的彈性變形量較大,且單樁復(fù)合地基的承載力也較高,其初始直線段延伸約為300 MPa；然后是曲線彎曲,復(fù)合地基屈服,不久就發(fā)生陡坡下降。同時,沉降率隨荷載水平的增大而增大,說明水泥土樁復(fù)合地基在剪切豎向荷載作用下發(fā)生破壞。這一曲線特征反映了單樁復(fù)合地基的脆性變形破壞特性。實驗結(jié)果表明,加載過程中樁頭斷裂,說明單樁復(fù)合地基的破壞模式是脆性破壞。相對于單樁荷載試驗結(jié)果,復(fù)合地基承載力沉降關(guān)系曲線中初始直線段明顯長于單樁。

如圖5所示,拐點的負荷為450～500 MPa；相應(yīng)的承載能力特征值為225～250 MPa,均大于設(shè)計要求。

3.3 地基荷載分配規(guī)律研究

在粉質(zhì)黏土地基中,由于樁與樁間土的相互作用更為復(fù)雜,單樁復(fù)合地基受力后,樁與樁間土表現(xiàn)出不同的承載特性。因此,本文研究了復(fù)合地基中樁與樁間土的荷載分擔規(guī)律。設(shè)于樁頂及樁間土上的土壓箱,可測量樁與樁間土共同承受的垂直荷載。所述樁上土壓箱置于荷載板的四角、邊沿中心,并與樁相連。圖6顯示了單樁復(fù)合地基中樁與樁間土共同承擔的荷載與作用的關(guān)系曲線。

圖6 單樁復(fù)合地基樁和樁間土分擔荷載與外加荷載的關(guān)系Fig.6 Relationship between the shared load and the applied load by single-pile composite foundation and the soil between the piles

由上圖可以看出,加荷載時,樁和樁間土共同承擔的承載力隨總荷載的增大而增大。總荷載小于450 MPa時,樁和樁間土共同分擔承載力曲線接近于直線;該過程中,上部荷載均勻分布于樁和樁間土,樁基承載力增加幅度大于樁間土；總荷載達到450～500 MPa時,樁和樁間土共同承受的承載力出現(xiàn)拐點;這時樁的荷載達到極限值,樁就屈服了;荷載繼續(xù)施加,樁的共同承載力下降。樁與樁間土共同承載能力顯著提高。接著,樁的荷載達到一個相對穩(wěn)定的值,這可以看作樁的剩余強度值,樁間土體共同承擔的承載力達到了較高的水平,不斷地使用外部荷載。盡管樁間土分擔荷載仍在增加,但復(fù)合地基的沉降卻急劇增加,說明復(fù)合地基已受到破壞,這時,即使樁間土能繼續(xù)承受荷載,荷載也要分攤。

4 結(jié)論

對粉質(zhì)黏土地基支護結(jié)構(gòu)極限承載力進行了試驗分析,所得結(jié)論對地基穩(wěn)定性分析具有指導(dǎo)意義。對粉質(zhì)黏土地基的承載力分析由于試驗條件和施工時間的限制,不夠完善,極限荷載分析還受到其他因素的影響。在受地層粗糙度影響較大的情況下,軟硬巖土層間摩擦系數(shù)和粗糙系數(shù)的測定還缺乏統(tǒng)一的方法,對其參數(shù)的合理取值還需要進一步研究。因此,在后續(xù)的研究中將進一步完善此次研究的方法,以進一步提高粉質(zhì)黏土地基支護結(jié)構(gòu)極限承載力分析結(jié)果的準確性。