粉質黏土地基支護結構極限承載力分析

吳麗萍

(山西工程職業學院,太原 030001)

為提高土地利用效率,大、中、小城市出現了大量高樓大廈。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設施建設。由于不同地區、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設計的要求。

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

1 試驗概況

1.1 試樣制備

本研究以某地為例,對粉質黏土地基支護結構極限承載力進行分析[1]。該區域土層物理學指標如表1所示。原樣制作:將試驗粉質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刀稍大的尺寸,在環刀內壁涂上一層凡士林,將環刀的邊緣朝下放在原樣上,輕輕將環刀垂直向下壓,然后用刮刀將環刀兩端刮平,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,應放置在加濕器中備用[3]。

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

再生試樣制備:現場提取的原土樣風干后全部粉碎。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]。將經稱量的重塑土樣用取樣方法制成樣品,倒入裝有環刀的采樣器中,壓實至要求緊實程度為止[5]。

1.2 固結試驗步驟

1)安裝百分表,使指針讀數接近滿刻度[6]。

2)施加預壓,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內施加壓力,以確定土樣是否穩定,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。

6)在測試結束后,取出儀器的所有部件,取出樣品和測試結果。

固結試驗裝置如圖1所示。

圖1 固結試驗裝置Fig.1 Consolidation testing device

1.3 現場加載數據采集

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2 h內，每1 h的沉降量小于1 mm,認為已經穩定,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定,且總沉降量小于40 mm時,應加載到40 mm以上補給頂沉降量[10]。

2)最大承載能力滿足設計要求,沉降穩定,試樣出現明顯損傷。

3)工程樁上了錯位涂料后,錯位數量已經達到了允許值。

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。在此基礎上,還可以根據實際情況進行調整,干燥的維護期不少于28 d,在溫度適宜的情況下,時間應適當增加或減少。

試驗設備分為加載系統,荷載系統,觀測系統等。加載系統包括鋼梁、框架梁和混凝土配重塊[12];荷載系統包括千斤頂，端頭板;觀測系統包括基準光束和位移計[13]。試驗設備的安裝示意圖如圖2所示:經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千分表測量樁頂的垂直沉降,監測表體的水平位移。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試驗,采用以下計算方案:

(1)

式中：F代表固結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代表樁側阻力,kPa;li代表樁長范圍內第i層土的厚度,m。

計算內容如圖3所示:

圖3 承載力計算內容Fig.3 Calculation of bearing capacity

3 結果討論

3.1 單樁荷載試驗結果分析

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系曲線。

圖4 單樁荷載沉降關系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，沉降曲線出現明顯的拐點,表現為陡降型。總體呈現出三個特點,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)發生一定的變化,原因是隨著荷載水平的提高,樁身發生屈服,荷載與沉降關系曲線發生彎曲,這一變化現象較短；第三階段(200 MPa以上),沉降量隨著荷載的增加而快速增加,導致樁身出現一定的破壞。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。

分析現場試驗結果可知,樁身上端發生了一定的破壞,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生次生拉伸應力導致樁身破壞。這也就代表粉質黏土地基黏結強度較低,故其在豎向荷載作用下非常容易發生張裂破壞情況。

其單樁極限承載力取決于兩個因素:一是樁體材料的強度,二是樁體側阻與端阻的限制。對粉質黏土地基而言,由于基礎條件較好,樁基沉降較小時,樁基的支撐力(側阻力和端阻力)不能得到充分發揮，力量相對不足,首先造成傷害,導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 單樁復合地基荷載試驗結果分析

在該實驗中,共進行四組單樁復合地基荷載試驗,荷載沉降關系曲線如圖5所示。

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

如上圖所示,荷載-沉降關系曲線仍具有三段式的特點。單樁復合地基曲線上,直線段較長;復合地基沉降隨荷載的增加而線性增加；單樁復合地基的彈性變形量較大,且單樁復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,復合地基屈服,不久就發生陡坡下降。同時,沉降率隨荷載水平的增大而增大,說明水泥土樁復合地基在剪切豎向荷載作用下發生破壞。這一曲線特征反映了單樁復合地基的脆性變形破壞特性。實驗結果表明,加載過程中樁頭斷裂,說明單樁復合地基的破壞模式是脆性破壞。相對于單樁荷載試驗結果,復合地基承載力沉降關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；相應的承載能力特征值為225～250 MPa,均大于設計要求。

3.3 地基荷載分配規律研究

在粉質黏土地基中,由于樁與樁間土的相互作用更為復雜,單樁復合地基受力后,樁與樁間土表現出不同的承載特性。因此,本文研究了復合地基中樁與樁間土的荷載分擔規律。設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顯示了單樁復合地基中樁與樁間土共同承擔的荷載與作用的關系曲線。

圖6 單樁復合地基樁和樁間土分擔荷載與外加荷載的關系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拐點;這時樁的荷載達到極限值,樁就屈服了;荷載繼續施加,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,但復合地基的沉降卻急劇增加,說明復合地基已受到破壞,這時,即使樁間土能繼續承受荷載,荷載也要分攤。

4 結論

對粉質黏土地基支護結構極限承載力進行了試驗分析,所得結論對地基穩定性分析具有指導意義。對粉質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和粗糙系數的測定還缺乏統一的方法,對其參數的合理取值還需要進一步研究。因此,在后續的研究中將進一步完善此次研究的方法,以進一步提高粉質黏土地基支護結構極限承載力分析結果的準確性。