基于觸變效應的湛江組結構性黏土單樁模型試驗

湯 斌, 覃明蘭, 2, 周標和

(1.桂林理工大學 土木與建筑工程學院, 廣西 桂林 541004; 2.廣西華銳鋼鐵工程設計咨詢有限責任公司, 廣西 柳州 545000)

0 引 言

湛江組結構性黏土廣泛分布于北部灣沿岸地區, 呈強觸變性, 導致該地區地基失穩、 樁基下沉、 地面沉降等工程地質災害發生。開展黏土的觸變性研究對于深入認識土體性質、 合理指導工程實踐具有重要意義。

Boswell[1]為了研究各種材料的觸變性, 以大量沉積堆積物作為研究對象, 對不同材料進行觸變性檢查， 結果顯示, 在眾多材料中, 只有干凈的砂沒有表現出觸變特征, 除此之外, 其他材料都被證實存在觸變性。沈水龍等[2]通過室內試驗研究了軟弱黏土的強度受觸變性的影響, 發現由于觸變性, 擾動土體的強度在70 d內得到了恢復。徐永福等[3]通過現場靜力觸探和室內試驗, 分析了飽和粉土在濕噴樁施工擾動下的觸變性, 發現粉土強度隨時間增長而增加。張先偉等[4]研究500 d的齡期內, 湛江組結構性黏土擾動后在不同靜置齡期下的觸變強度恢復過程, 湛江組結構性黏土表現出了明顯的觸變特征。王亮等[5]利用研制的微型十字板剪切儀對重塑后靜置一定時間的太湖與白馬湖兩種疏浚淤泥進行了強度測試, 并對兩種疏浚淤泥的觸變特性進行了研究與比較， 兩種疏浚淤泥重塑后, 觸變強度增長速度在初始時間內增長最快, 隨時間推移逐漸變慢, 448 d時觸變強度隨時間的增長趨于穩定， 低于84 d時太湖淤泥與白馬湖淤泥的觸變強度比率接近, 高于84 d時白馬湖淤泥的觸變強度比率稍大于太湖淤泥。崔自治等[6]針對重塑黃土存在觸變性問題, 以含水率、 干密度和氯化鈣含量為因素, 研究了寧夏同心重塑黃土的觸變性, 水率在 8%～14%, 觸變性參數隨著齡期的增加而增加, 初期增加快、 后期增加緩慢, 14 d基本趨于穩定。這些研究成果表明: 土體擾動后其強度均隨時間增長而增加, 土體不同, 觸變性強弱不同, 其強度隨時間增長而增加的幅度與速率不同。

由于許多地區打樁時土體觸變影響嚴重, Kul′chitskii[7]針對俄羅斯西西伯利亞北岸鄂畢灣地區軟黏土的觸變性研究， 在樁沉入后, 軟黏土的強度隨時間的變化非常明顯。打樁后的前10天樁周土體的強度增長特別明顯, 樁打入后承載力的平均值在第8～10天就已經達到1個月后承載力的85%, 樁承載力的增加一般在打樁完成后的2.5～3個月內完成, 相比打樁7 d后的樁承載力, 在這段時間內承載力會增加1.7倍多。葉為民等[8]發現, 飽和軟土中的打入式預制樁, 在沉樁后一定時間內, 復壓單樁極限承載力平均提高了單樁設計最大加載值的近30%。馬海龍[9]對36組模型樁進行單樁原位靜載試驗, 開口樁與閉口樁各18組, 試驗持續時間長達72 d, 發現閉口樁與開口樁的承載力最小時效系數分別為2.4和3.6。張明義等[10]利用樁基隔時復壓試驗, 提出了靜壓樁優化設計方法, 通過較短時間內的隔時復壓結果, 確定長期承載力增長規律。符秋生[11]通過對靜壓PHC樁進行沉樁過程壓力記錄試驗、 隔時復壓試驗和靜載試驗, 分析了PHC樁的單樁承載力及其變化, 結果證明PHC樁的豎向承載力存在時效性。趙廣順等[12]分析PHC管樁承載力時效性特征, 探討考慮時效性的管樁單樁承載力計算方法, 建立了考慮時效性的單樁承載力計算公式。這些研究表明, 樁的時效性與土體的觸變性有關, 土體的觸變性越強, 單樁的時效性越明顯。

湯斌等[13]利用自制的群樁模型裝置,在湛江組結構性黏土中進行原位試驗,獲得不同樁間距、不同樁長情況下群樁效應系數實測值;對比分析了不同理論群樁效應系數公式計算值與實測值的誤差;討論了不同理論群樁效應系數公式的適用性。李俊偉[14]設計了3.0 m×3.0 m×4.0 m的超長大直徑群樁模型試驗, 研究超長灌注單樁和群樁在豎向荷載作用下的荷載傳遞機理。鄒至鋒等[15]利用自制200 cm×100 cm×120 cm的試驗箱研究了砂土中單樁的承載力性狀, 結果表明模型樁承載曲線表現出明顯的邊界效應和深度效應, 貫樁速度的增大引起模型樁極限承載值的相應增加。張明遠等[16]利用尺寸為 0.8 m×0.8 m×1.2 m的模型箱, 樁長 540 mm, 樁徑 40 mm的鋁合金材料模型樁研究了膨脹土中樁基在最優含水率和飽和含水率條件下的下壓和上拔荷載樁基的承載特性。鄭晨等[17]通過對青島某商業住宅樓的3根PHC管樁進行豎向抗壓靜載荷破壞性試驗, 驗證了修正后的雙曲線模型對樁體塑性變形階段預測效果更為準確。這些研究表明， 模型試驗能較好地模擬現場原型單樁承載性狀。

本文基于湛江某單樁工程的實際, 利用自制的透明模型箱裝置對湛江組結構性黏土中模型單樁在不同休止齡期承載性狀進行研究, 同時對模型樁的樁周土進行十字板剪切試驗, 探尋湛江組結構性黏土觸變性與單樁時效性的量化關系。

1 室內模型試驗

1.1 模型試驗裝置

1.1.1 模型箱 基于湛江組結構性黏土中單樁工程實際, 根據相似理論原理, 模型箱的幾何尺寸相似比例為1∶40, 尺寸為0.7 m×0.5 m×1.7 m, 底板及框架采用不銹鋼, 側壁采用10 mm厚的鋼化玻璃?？紤]到填土的方便, 其中一個側面設置成活動門, 如圖1所示。

1.1.2 模型樁 依據工程實際情況, 模擬實際樁長為30 m, 樁徑為800 mm, 變徑比為1的PHC管樁。根據相似理論原理, 參考模型箱的幾何相似比, 選取入土深度L=450、 750、 1 100 mm， 樁徑20～32 mm， 壁厚為2 mm的空心PVC-U管作為模型樁, 其彈性模量為2.7 GPa, 模型樁其他參數見表1?？紤]到試驗信號線引出以及測讀數據的需要, 實際樁長比入土深度長100 mm。按表1所需的樁長尺寸截斷, 在PVC-U管距樁頂 50 mm處對稱地開直徑3～8 mm的小孔, 以方便將信號線引出, 將其從中間鋸開, 自樁頂50 mm處每隔一定距離對稱粘貼應變片, 并做好防水處理, 模型樁樁身應變粘貼位置見圖2, 最后用PVC膠粘劑將剖開的模型管樁合上并加固好。

表1 模型樁參數

圖2 模型樁樁身應變片位置

1.1.3 加載裝置 加載裝置由模型箱上端的H型鋼反力架、 千斤頂、 壓力傳感器及數字測力儀和承臺板組成。為了使單樁加載過程中千斤頂及千分表能夠安裝穩固, 在單樁頂部設置一個尺寸為160 mm×160 mm×2 mm(長×寬×厚)的承臺。工作時, H型反力架利用裝土的模型箱框架來提供反力, 通過千斤頂經承臺板傳遞到模型樁。

1.1.4 量測系統 模型試驗需要采集的數據為樁身各截面的應變值、 樁頂位移值、 試驗加載荷載值和樁周土的抗剪強度值。其中, 樁身應變數據采用BZ2205C靜態電阻應變儀采集, 樁頂位移的數據通過對稱布置在樁承臺鋼板上的兩個千分表測讀(取平均值)而得, 每級加載的荷載值用GGD～330型數字測力儀讀取, 樁周土抗剪強度使用SZB-1.0型便攜式十字板剪切儀進行十字板剪切試驗得到。

1.2 模型試驗

1.2.1 原狀土選取 試驗中所需的湛江組結構性黏土原狀土取自湛江鋼鐵三號高爐系統項目煉鐵及煉煤廠房單樁工程場地地層下, 其物理力學性質參數見表2。

表2 原狀土參數

1.2.2 重塑土制備 依據土工試驗的結果, 采取控制土樣的含水率和干密度來重塑土體。將從現場開挖運至試驗場地的擾動土曬干、 過篩, 按照含水率為40%、 干密度為1.43 g/cm3重塑后, 裝入模型箱中, 每50 mm一層， 分層填筑夯實。

1.2.3 室內模型試驗 在模型樁壓入前先按照試驗方案的具體位置將模型樁定位, 然后利用自制木板保證垂直地將模型樁壓入表1預定的沉樁深度, 分別在沉樁1、 15、 35、 65、 100 d對各組模型樁進行靜載試驗。

當每個休止齡期下模型樁的靜載試驗結束后, 橫向距離為模型樁1倍樁徑、 豎向距離的不同深度根據樁長尺寸合理安排, 選用B型十字板頭的便攜式十字板儀對樁周土進行十字板剪切試驗, 獲取模型樁周土的抗剪強度。

1.2.4 試驗數據處理 計算樁身截面應變εi為

εi=(εi1+εi2)/2,

(1)

式中，εi1、εi2分別為i截面2個應變片所測得的值。

樁身截面軸力Ni

Ni=EmAmεi,

(2)

式中:Em—模型樁樁身彈性模量(GPa);Am—模型樁樁身截面面積(mm2);εi—模型樁樁身截面應變(με)。

樁側摩阻力qsi

qsi=(Ni+1-Ni)/F,

(3)

式中:Ni—第i截面軸力(N);F—樁身量測截面之間樁段的側表面積(mm2),F=πDl(其中D為模型樁的外徑,l為兩個截面間的長度)。

抗剪強度由便攜式十字板直接測讀出來的刻度經換算得到。

2 試驗結果及分析

2.1 樁周土的觸變性

圖3為不同樁徑的模型樁樁周土的抗剪強度與不同休止齡期的關系。不同樁長樁徑的模型樁樁周土的抗剪強度隨著休止時間的增加都表現出增長的趨勢, 在1～35 d增長速率最快, 35～65 d增長稍慢, 65～100 d增長速率最慢。究其原因, 湛江組結構性黏土具有強觸變性, 模型樁在沉樁過程中, 樁周土由于受到打樁帶來的擾動, 土體的抗剪強度顯著下降。當沉樁結束后, 隨著時間的推移, 樁周土的內部結構逐漸得以恢復, 樁周土受損傷的抗剪強度逐漸恢復。

圖3 不同樁徑模型樁樁周土不同休止齡期的抗剪強度

根據張先偉等的研究, 定義觸變強度比率為土樣擾動后t時刻與擾動后0時刻的強度之比[4]。觸變強度比率指標反映了土樣擾動后任意時刻強度的變化情況, 利用觸變強度比率可以判別觸變性的強弱。

表3為不同樁長、 不同樁徑的模型樁的樁周土在不同深度下不同休止齡期的觸變強度比率。隨著休止齡期的增加, 觸變強度比率都表現出增長的趨勢, 且前期增長快, 后期增長慢。相同深度相同樁長的情況下, 樁徑越小, 模型樁樁周土的觸變強度比率增加的幅度和速率越大; 相同深度相同樁徑的情況下, 隨著入土樁長的增加, 觸變強度比率增長的速率與幅度沒有明顯的規律； 而不同深度下, 入土樁長越長, 樁周土的觸變強度比率相差越小。可以得出, 入土樁長對樁周土的影響不如樁徑對樁周土的影響大。分析其原因, 樁徑越小, 樁周土受到的擾動程度也就越小, 隨著重塑土體靜置時間的增長, 被破壞的結構恢復得越快, 土體的強度會隨土體結構的恢復而增長得越快。

表3 不同休止齡期樁周土的觸變強度比率

2.2 極限承載力的確定

圖4分別是1#、 5#和8#模型樁在不同休止齡期的Q-S曲線。隨著每級荷載的增加, 沉降也不斷的增加, 并且曲線都有明顯拐點, 均屬于陡降型曲線。Q-S曲線可分為3個階段: 第1階段以樁身壓縮量的發展為主, 對應于Q-S曲線上的直線或近于直線段; 第2階段為樁身壓縮及整體位移共同發展, 對應于Q-S曲線上的曲率逐漸變大; 第3階段以整體位移發展為主, 呈陡降狀態。靜載試驗規定, 取其發生明顯陡降的起始點所對應的荷載值為極限承載力。此外, 在入土樁徑相同的情況下, 隨著休止齡期的增加, 模型樁達到極限承載力時, 其對應的荷載和沉降也越來越大； 在樁長相同的情況下, 隨著樁徑的增大, 模型樁達到極限承載力時, 其對應的荷載和沉降也越來越小。

圖4 模型樁的Q-S曲線

通過整理1#～9#模型樁在不同休止齡期的Q-S曲線, 根據其曲線特征, 得到各模型樁在不同休止齡期的極限承載力及增長幅度(65 d時單樁豎向極限承載力相較于1 d時單樁豎向極限承載力值), 見表4。

表4 不同休止齡期下樁的極限承載力

隨著休止齡期的增加, 各模型樁的極限承載力均有不同幅度的恢復。恢復幅度最大的1#樁, 為245%, 恢復最小的8#樁, 為117%, 且單樁豎向極限承載力恢復的速率表現為前期(1～65 d)增長快, 后期(65～100 d)增長慢。主要是因為： 湛江組結構性黏土具有強的結構性, 模型樁在沉樁瞬間, 樁周黏土的結構性被強烈破壞； 同時, 在沉樁開始之后, 由于樁對土的擠壓擾動, 土中產生超孔隙水壓力, 土的有效應力減小, 此時土體的強度降低, 故模型樁在沉樁初始時刻最低； 隨著休止時間的增長, 湛江組結構性黏土的觸變性發生作用, 使得土體的強度呈現出非線性增長的狀態, 樁的極限承載力表現為前期增長快, 后期增長慢。

2.3 各休止齡期的軸力分布規律

以8#模型樁為例， 分析各休止齡期的軸力分布規律。圖5是L=750 mm,D=32 mm的8#模型樁在不同休止齡期時樁身的軸力圖。各休止齡期時的樁身軸力圖具有相似的特征, 軸力在每級荷載下沿樁長呈現出非線性減小, 其中樁身上部和靠近樁端部分的樁身軸力衰減速度大于樁身中部。同時在小于極限荷載作用時, 樁身下部靠近樁端處軸力作用很小, 說明模型樁在工作荷載作用下， 其上覆荷載大部分由樁身摩阻力提供, 樁端阻力基本不發生作用。

圖5 8#模型樁在不同休止齡期下的軸力圖

2.4 樁側摩阻力分析

以8#模型樁為例， 分析各休止齡期的樁側摩阻力分布規律。圖6為8#樁的各休止齡期下的摩阻力分布圖?？梢钥闯? 1)各休止齡期下模型樁的摩阻力沿樁身近似成“R”形分布, 樁身中部的摩阻力值較大, 樁頂和樁端周圍的摩阻力值較小, 樁端摩阻力衰減明顯。由此可見, 模型樁側摩阻力發揮不同步, 其值的大小與樁身位置有關; 2)隨著休止時間的增加, 樁極限側摩阻力增長較大, 0～100 d內, 8#模型樁, 極限側摩阻力由4.19 kPa增加到9.11 kPa, 增長117.4%; 3)隨著上覆荷載的增加, 樁頂荷載向下傳遞是逐步實現的, 即上部土層的摩阻力先于下部發揮作用, 隨著荷載繼續往樁端傳遞, 下部土層的摩阻力才逐漸發揮作用, 其發揮呈現出異步的規律。

圖6 8#模型樁在不同休止齡期下的側摩阻力

3 樁周土觸變效應與模型樁時效性的關系

以8#模型樁為例， 分析各休止齡期的樁周土觸變效應與模型樁時效性的量化關系, 建立8#模型樁在不同休止齡期的極限承載力與樁周土的十字板剪切強度的關系, 如圖7所示。

圖7 8#模型樁樁周土強度與樁極限承載力關系

模型樁在不同休止齡期的極限承載力與樁周土的十字板剪切強度呈正相關性。對8#模型樁(樁長L=750 mm, 樁徑D=32 mm), 在0～65 d, 觸變強度比率由1增長到2, 增長了1, 模型樁的極限承載力由210 N增長到了450 N, 增長了240 N; 65～100 d, 觸變強度比率由2增長到2.11, 增長了0.11, 極限承載力由450 N增長到455 N, 增長了5 N。樁周土強度的恢復與模型樁的極限承載力增長正相關土體的觸變性越強, 單樁的時效性越明顯。

4 結 論

(1)湛江組結構性黏土具有很強的觸變性, 不同樁長、 樁徑的模型樁樁周土的抗剪強度和觸變強度比率隨著休止時間的增加均表現出增長的趨勢, 且前期增長快, 后期增長慢。在入土樁長相同的情況下, 樁徑越小模型樁樁周土的觸變強度比率增加的幅度和速率越大; 在樁徑相同情況下, 隨著入土樁長的增加, 觸變強度比率增長的速率與幅度沒有顯著的規律, 入土樁長對樁周土的影響不如樁徑對樁周土的影響大。

(2)隨著休止齡期的增加, 各模型樁的極限承載力均有不同幅度的恢復： 恢復幅度最大的1#樁, 為245%； 恢復最小的8#樁, 為117%， 且單樁豎向極限承載力恢復的速率表現為前期(1～65 d)增長快, 后期(65～100 d)增長慢。

(3)各休止齡期內模型樁的摩阻力沿樁身近似成“R”形分布, 隨著上覆荷載的增加, 樁頂荷載向下傳遞是逐步實現的。隨著休止時間的增加, 樁極限側摩阻力增長較大。

(4)樁周土強度的恢復與模型樁的極限承載力增長呈正相關, 土體的觸變性越強, 單樁的時效性越明顯。