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貴州地區(qū)中風(fēng)化泥巖嵌巖樁承載特性分析

2020-11-02 02:30蔡行黃質(zhì)宏穆銳肖麗娜劉玖虹
關(guān)鍵詞:泥巖

蔡行 黃質(zhì)宏 穆銳 肖麗娜 劉玖虹

摘 要:為研究貴州地區(qū)中風(fēng)化泥巖嵌巖樁的承載性能,以貴州某建筑工程為例,闡述工程地質(zhì)條件及現(xiàn)場4根試樁的現(xiàn)場靜載荷試驗情況。采用自平衡靜載荷試驗,分析了樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力隨荷載的變化規(guī)律以及它們對極限抗壓承載力的影響,確定該建筑場區(qū)建筑基樁(人工挖孔樁)中風(fēng)化泥巖層極限側(cè)阻力標準值及極限端阻力標準值。計算結(jié)果表明:中風(fēng)化泥巖層樁側(cè)極限阻力標準值和極限端阻力標準值均滿足實際工程的設(shè)計要求,研究結(jié)果可為貴州省內(nèi)類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞:基樁;泥巖;自平衡試驗;靜載荷試驗

中圖分類號:TU473.1

文獻標識碼: A

文章編號?1000-5269(2020)05-0102-06???DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2020.05.16

改革開放以來,樁基技術(shù)和基礎(chǔ)理論有了突破性進展,逐步拓寬了樁基礎(chǔ)的應(yīng)用,促成了種類繁多的樁型的出現(xiàn)。樁基礎(chǔ)在實際工程的應(yīng)用中,表現(xiàn)出良好的整體性,剛度大,能經(jīng)受很大的豎向荷載和水平荷載,具有良好的穩(wěn)定性。對于大、重、高的建筑的要求,樁基礎(chǔ)能很好的適應(yīng)。因此,現(xiàn)今的建筑物都趨向于利用樁基礎(chǔ)作為建筑物的基礎(chǔ)。隨著城市化進程不斷地增速,越來越多的高層、超高層建筑物在貴州地區(qū)興建,樁基礎(chǔ)得到了較為普遍的應(yīng)用。貴州屬于巖溶地區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,巖性多樣化,其上覆土層較薄,厚度一般不超過20 m,并且基巖表層起伏不平。因此,很多建筑物的持力層都選擇厚度比較大的破碎或較破碎巖層。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[1]規(guī)定,樁端置于完整、較完整的基巖時,樁基礎(chǔ)才能按照嵌巖樁的計算方式進行計算。王田龍等[2]結(jié)合現(xiàn)場自平衡靜載荷試驗、相關(guān)規(guī)范和國內(nèi)外學(xué)者的研究成果,分析研究了較破碎巖石地基嵌巖樁的承載性能;穆銳等[3]對強風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r樁基的承載特性進行了研究分析;許仁欽等[4]對貴陽某超高層鉆孔灌注樁進行了樁基自平衡靜載荷試驗,對其樁基承載力進行了分析研究。但在實際工程中,對于較破碎、破碎巖層的樁基承載力的計算,常將嵌巖樁作為端承樁考慮,在計算過程中不考慮樁側(cè)阻力的作用,計算結(jié)果偏于保守,使得樁基礎(chǔ)的承載力未能完全發(fā)揮效用。

因此,本文通過選取貴州地區(qū)比較有代表性的某建筑工程的基樁現(xiàn)場進行自平衡靜載荷試驗,分析貴州地區(qū)中風(fēng)化泥巖嵌巖樁的承載性能,為該建筑樁基的設(shè)計提供技術(shù)依據(jù),為樁承載力自平衡靜載荷試驗在貴州省內(nèi)的應(yīng)用提供參考。

1?工程概況

本次試驗采用貴州省內(nèi)某建設(shè)工程項目。根據(jù)工程項目的巖土工程勘察報告可知:工程項目場區(qū)的地層為石炭系中統(tǒng)黃龍群組泥巖,巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育,且節(jié)理、裂隙的貫通性較好,主要呈豎向型發(fā)育、網(wǎng)狀發(fā)育,發(fā)育密度較高。該項目巖土構(gòu)成自上而下依次是:素填土層(Qml)、黏土層(Qel+dl)、強風(fēng)化泥巖層(C1hn)、中風(fēng)化泥巖層(C2hn)。各巖層特點為:素填土層顏色較雜,由黏土、碎塊石組成,結(jié)構(gòu)稍密,為新近平場回填形成;黏土層局部缺失,顏色為黃色,殘積坡形成,可塑,結(jié)構(gòu)致密,平均厚度2.8 m;強風(fēng)化泥巖層局部缺失,顏色為淡黃與淺灰色,尚存殘余層理結(jié)構(gòu),巖體極破碎,局部偶夾中風(fēng)化殘塊,平均厚度2.5 m;中風(fēng)化泥巖層顏色為灰黑、深灰色,局部偶夾中風(fēng)化石灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r斑塊,微節(jié)理裂隙發(fā)育,隙面被黏土及鐵膜所覆蓋,部分為方解石脈充填,水溶蝕作用強烈,屬于較破碎巖體。

貴州省碳酸鹽巖廣布,巖溶發(fā)育廣泛,泥巖是貴州地區(qū)分布比較廣泛的巖石。本次試驗樁基礎(chǔ)的持力層采用了中風(fēng)化泥巖層,該巖層為貴州省典型的鹽溶化地層,具有一定的代表性。

2?試樁概況

根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)[5]與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》 (GB 50007—2011) [6]的要求,當(dāng)設(shè)計有要求或有下列情況之一時,施工前應(yīng)進行試驗樁檢測并確定單樁極限承載力:設(shè)計等級為甲級的樁基;無相關(guān)試樁資料可參考的設(shè)計等級為乙級的樁基;地基條件復(fù)雜、基樁施工質(zhì)量可靠性低;本地區(qū)采用的新型樁型或采用新工藝成樁的樁基。

在工程現(xiàn)場進行了4根試樁的單樁豎向承載力自平衡靜載荷試驗,以確定該建筑場區(qū)建筑基樁中風(fēng)化泥巖層極限側(cè)阻力標準值qsk、極限端阻力標準值qpk,為該場區(qū)建筑基樁的設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

工程項目選取人工挖孔樁作為建筑物的基礎(chǔ)形式,將樁端嵌入中風(fēng)化泥巖層中。為了對本工程樁基礎(chǔ)的施工工藝、質(zhì)量、承載能力有一個客觀的評價,在工程現(xiàn)場進行試樁1#、試樁2#、試樁5#、試樁6#自平衡靜載荷試驗。試樁各項參數(shù)和樁端巖層見表1。試樁荷載箱位置、鋼筋應(yīng)力計位置和各巖層分布情況見圖1。從圖1可以看出:荷載箱埋置在樁身底部,鋼筋應(yīng)力計埋置在巖層交界處,在荷載箱以上3 m處安裝了3個鋼筋應(yīng)力計。

3?現(xiàn)場試驗

3.1?試驗原理

1969年,日本的中山(Nakayama)和藤關(guān)(Fujiseki)提出用樁側(cè)阻力來作為樁端阻力的反力測試樁的承載力,稱為樁端加載試樁法。20世紀末,Cernac和Osterberg等發(fā)展了相似的技術(shù)。Osterberg將此技術(shù)運用于工程實踐,并推廣至全世界。因此,這種檢測方法稱為Osterberg-Cell載荷試驗或者O-cell載荷試驗。

和傳統(tǒng)的靜載試驗相比,自平衡檢測技術(shù)設(shè)備簡易,施工場地占用率小,節(jié)省物資,不需要笨重的反力設(shè)施,試樁準備作業(yè)省時、省力、安全。該試驗方法節(jié)省試驗用度,耗時少,有利于增加試樁的數(shù)目,拓寬檢測面,已在全國許多地區(qū)成功應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者鄧立志等[7],鄭莎莎[8],龔維明等[9-10],戴國亮等[11],龐國英等[12],黃生根等[13]進行了不同情況樁的現(xiàn)場自平衡試驗。

本次試驗采用了自平衡檢測技術(shù)來對樁基承載力進行試驗檢測。自平衡檢測技術(shù)檢測樁:在樁身平衡點安裝荷載箱;對荷載箱施加垂直荷載;同時測得荷載箱上、下部各自承載力和荷載-位移曲線,由此計算得到樁頂豎向受荷的承載力大小及荷載-位移特性。自平衡測樁裝置見圖2。

3.2?試驗規(guī)程

以慢速維持荷載法作為加載方式,試樁承載力的測試按《基樁承載力自平衡檢測技術(shù)規(guī)程》(DBJ 52/T079—2016)[14]要求執(zhí)行,4根試樁按照統(tǒng)一的加卸載分級進行試驗。同時,根據(jù)附錄B中的等效轉(zhuǎn)換法,可以將自平衡檢測技術(shù)所得樁身上部荷載位移曲線和樁身下部荷載位移曲線等效轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的靜載荷試驗的荷載位移曲線,見圖3。

4?試驗結(jié)果分析

4.1?Q-S曲線分析

根據(jù)工程項目現(xiàn)場實際的情況,檢測試驗嚴格按照相關(guān)規(guī)范的要求進行。由現(xiàn)場自平衡靜載荷檢測結(jié)果能夠得出,1#、2#、5#、6#試樁在加載到預(yù)估極限載荷時均未發(fā)生破壞。根據(jù)檢測結(jié)果可以看出:4根試樁的Q-S曲線均為“緩變型”曲線,并且在加載過程中并未發(fā)生陡降現(xiàn)象。4根試樁的上下樁的Q-S曲線見圖4。4根試樁的最終加載值、上樁最大位移、下樁最大位移見表2。

從圖4可以看出:當(dāng)加載載荷量小于三級載荷時,試樁上樁、下樁位移量較小,樁體承載力未能充分發(fā)揮作用;作用在樁上的荷載主要由樁端阻力承載,樁側(cè)摩阻力并未全面發(fā)揮效用。當(dāng)加載載荷大于三級載荷時,樁側(cè)土和樁身發(fā)生了相對位移,樁側(cè)土與樁身之間的摩阻力在樁身承載力上起到了較大的作用;隨著荷載的不斷增加,樁端阻力逐漸發(fā)揮作用,與樁側(cè)摩阻力共同承擔(dān)荷載。

4.2?中風(fēng)化泥巖嵌巖樁承載特性分析

由現(xiàn)場自平衡靜載荷試驗所記錄的樁身軸力與載荷的數(shù)據(jù)分析,可以得到在不同的荷載作用下,1#、2#、5#、6#試樁樁身軸力分布曲線,見圖5。

傳統(tǒng)靜載荷試驗可得一條倒三角形的軸力分布圖,軸力最大的位置在樁基礎(chǔ)的頂部,最小的位置在靠近樁底的位置。傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)軸力的分布隨樁基礎(chǔ)埋置深底的變化而變化,一般是逐漸遞減的規(guī)律。從圖5可以看出:荷載箱以上樁段,樁身軸力的大小隨樁身埋置深度的增加而增大,形成下大上小分布;嵌巖段的樁身軸力變化幅度相較于非嵌巖段要大得多。因此,以中風(fēng)化泥巖作為嵌巖樁持力層時,樁側(cè)摩阻力與樁端阻力一起承擔(dān)嵌巖段的樁身荷載,其中起主要承擔(dān)作用的是樁側(cè)摩阻力。

根據(jù)DBJ 52/T079—2016,4根試樁單樁豎向抗壓極限承載力Qu可由式(1)確定。

式中:Qu為樁的單樁豎向抗壓極限承載力;Qsu為樁上段樁的極限承載力;Qxu為樁下段樁的極限承載力;W為樁荷載箱上部樁自重;γ為樁的向下、向上摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù),γ取1.0。

分別計算出各個試樁的抗壓極限承載力之后,根據(jù)DBJ 52/T079—2016確定試樁的抗壓承載力特征值。計算結(jié)果見表3。

根據(jù)JGJ 94—2008第5.3.2條和《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ 72—2004)[15] 第8.3.12條規(guī)定,計算風(fēng)化泥巖層極限端阻力標準值qpk和中風(fēng)化泥巖層的樁側(cè)極限側(cè)阻力標準值qsk,見式(2)、(3)。根據(jù)現(xiàn)場試驗所得數(shù)據(jù)計算qpk、qsk,計算結(jié)果分別見表3、表4。

式中:Qu上為荷載箱上部樁的極限值;Qu下為荷載箱下部樁的極限值;Ap為樁端截面面積;Pz為極限荷載作用下距荷載箱3 m處鋼筋應(yīng)力計所在截面的軸向力;W為荷載箱上部樁嵌巖段自重; μ為樁身截面周長;l為荷載箱與鋼筋應(yīng)力計所在截面之間試樁樁身長度,l=3 m。

由表3可知:4根試樁的極限端阻力標準值為6 195 kPa,極差為0 kPa,小于4根試樁平均值的30%(6 195×30%=1 859 kPa),滿足規(guī)范和設(shè)計要求。根據(jù)JGJ 72—2004中的規(guī)定,嵌巖灌注樁中等風(fēng)化巖石極限端阻力取值為3 000~9 000 kPa。結(jié)合場區(qū)中風(fēng)化泥巖遇水易軟化的特性,本場區(qū)中風(fēng)化泥巖層樁端極限端阻力標準值建議取qpk=6 100 kPa。

由表4可知,4根試樁中風(fēng)化泥巖層樁側(cè)極限側(cè)阻力標準值極差為609 kPa-604 kPa=5 kPa,小于4根試樁平均值的30%(607×30%=182 kPa)。根據(jù)JGJ 72—2004中的規(guī)定,嵌巖灌注樁中等風(fēng)化巖石極限側(cè)阻力取值為300~800 kPa。結(jié)合場區(qū)中風(fēng)化泥巖遇水易軟化的特性,中風(fēng)化泥巖層樁側(cè)極限側(cè)阻力標準值建議取qsk=600 kPa。

綜上可以得出:樁側(cè)摩阻力與樁端阻力在樁承載力中的相應(yīng)占比,分別為9%、91%,樁側(cè)摩阻力占比小,端阻力主要承擔(dān)作用在樁底的荷載,本次試驗的4根試樁都屬于端承摩擦型。

5?結(jié)論與建議

對貴州省內(nèi)某建設(shè)工程項目的基樁現(xiàn)場進行自平衡靜載荷試驗,由中風(fēng)化泥巖嵌巖樁的承載性能分析,得到以下結(jié)論和建議:

(1)所有試樁的荷載位移曲線都是沒有明顯拐點的緩慢變形曲線。在試驗結(jié)束時,樁體產(chǎn)生了一定的回彈量,即持力層的地基承載力未達到極限值,有一定的富余。

(2)試驗結(jié)果表明,通過自平衡法確定中風(fēng)化泥巖樁的極限側(cè)阻力和極限端阻力是可行的。在嵌巖深度滿足規(guī)范要求時,可采用試驗的極限側(cè)阻力和極限端阻力對試樁的單樁豎向承載力特征值進行估算。

(3)從樁身軸力分布圖可知,基樁自平衡靜載荷試驗軸力分布與荷載箱的埋置位置有關(guān)。在荷載箱上部,樁身軸力隨埋置深度的增加而增大,呈三角形分布。這與傳統(tǒng)靜載荷試驗樁身軸力倒三角分布有明顯區(qū)別。而且,在嵌巖段的樁身軸力變化幅度相較于非嵌巖段要大得多。

(4)從樁端阻力和樁側(cè)阻力的計算結(jié)果可以看出:在中風(fēng)化泥巖層中,試樁底部端阻力主要承擔(dān)試樁頂部荷載,樁側(cè)阻力承擔(dān)荷載比例較小,可以為貴州地區(qū)的建筑基樁設(shè)計提供一定的參考。

(5)本場區(qū)內(nèi)巖層為中風(fēng)化泥巖,存在較豐富的地下水。巖基的承載性能受外界因素影響較大,中風(fēng)化泥巖遇水易軟化。施工時應(yīng)引起高度重視,防止一切形式的地下水對樁底中風(fēng)化泥巖長時間浸泡,影響巖基的承載性狀。

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(責(zé)任編輯:周曉南)

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