毛乌素沙漠风积砂地层碎石桩载荷试验研究.pdf

J o u r n a l o f E n g in e e r in g G e o lo g y 工程地质学报 1 0 0 4 9 6 6 5 2 0 1 1 1 9 ( 4 ) 0 6 0 1 0 5 毛乌素沙漠风 积砂 地层碎石桩载荷试 验研 究 宋焱勋 王治军 李喜安 何 军 李 亮 贾丽娜 陈文军 宋继文 马 崇 田安家 王锦霞 ( 长安大学地质工程与测绘学院西安7 1 0 0 5 4 ) ( 西安长庆科技工程有限责任公司西安7 1 0 0 2 1 ) ( 国土资源部岩土工程开放研究实验室西安7 1 0 0 5 4 ) ( 山西省地勘局 2 1 4地质队运城o 4 4 o o o ) ( 河北省地矿局第一地质大队邯郸0 5 6 0 0 1 ) ， 摘要在榆林地区典型风积砂地层中开展了碎石桩复合地基载荷试验 ， 通过试验对碎石桩有效桩长及承载力等方面进行 了探索性研究。通过试验得到天然地基临塑荷载为 1 2 8 k P a ， 极限荷载 3 2 0 k P a ；碎石桩单桩临塑荷载为 1 0 1 9 2 k P a ， 极限荷载 不小于3 3 1 2 4 k P a ； 桩间土临塑荷载为3 1 8 k P a ， 极限荷载 1 5 9 0 k P a ； 复合地基临塑荷载为5 3 5 k P a ， 极限荷载不小于2 0 7 2 k P a ；除 此之外 ， 在 本文试验条件 下 ， 碎石桩的有效桩长可达 8 m左右 ， 但上部荷 载则主要 由 4 m 以上桩体 承担 。本文 的有关 结论为该 区振 冲砂桩复合地基 的设计和施工提供 了十分重要 的参考依据 。 关键词 毛乌素沙漠风积砂振冲碎石桩承载力 载荷试验 中图分类号 ： T U 4 4 1 文献标识码 ： A S TATI C LoADI NG TESTS oN VI BRATI NG GRAVEL PI LE FoUNDATI oN I N M U US DES ERT S O NG Ya n x u n WANG Z h iJ u n L I Xi a n HE J u n L I L ia n g J I A L i n a C HEN We n i u n S O NG J iw e n MA C o n g T I AN An J i a WANG J in Xi a ( ( ) C o ll e g e o fG e o lo g y E n g in e e r i n g a n d Geo m a t i cs ， C h a n g a n U n i v e r s ity ， X i a n 7 1 0 0 5 4 ) ( C o m p a n y li mi t e d o f C h a n g q in g S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y ， X i a n 7 1 0 0 2 1 ) ( O p e n R e s e a r ch L a b o r a t o o fG e o t e ch n i ca l E n g in e e r in g， T h e Mi n i s t r y o fL a n d R e s o u r ce s ， X i a n 7 1 0 0 5 4 ) ( Geo l o g y T e a m of E x p l o r a t i o n B u r e a d o fS h a n x i P r o v i n ce ， Y u n ch e n g 0 4 4 0 0 0 ) ( G e o l o g y T e a m of E x p l o r a t i o n B u r e a u o fH e b e i P r ovi n ce ， H a nda n 0 5 6 0 0 1 ) Abs t r a ct Th is pa p e r p r e s e n t s t h e f ie ld s t a t i c lo a d in g t e s t s o n Vib r a t i ng Gr a v e l Pi le F o u n d a t i o n in Mu Us De s e r t Th e e f f e ct iv e le n g t h o f t h e g r a v e l p ile a n d t h e b e a ri n g ca p a cit y o f t he Vib r a t in g Gr a v e l P ile Fo u n da t io n a r e s t u di e d Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e cri t ica l lo a d s o f t h e n a t u r a l b a s e， gra v e l pi le， s o il b e t we e n p ile s a n d t h e co mp o u n d f o un d a t io n a r e 1 2 8 k Pa1 01 9 2 k Pa，31 8 k Pa， a n d 5 35 k Pa， a n d t h e li mi t lo a d s o f t h e n a t u r a l b a s e a n d t h e s o il b e 一 $ 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 2 0 ；收到修改稿 日期 ： 2 0 1 1 0 6 1 0 基金项 目： 国家 自然科学基金面上项 目( 4 0 7 7 2 1 8 2 ) ， 西安长庆科技工程有限责任公 司科技攻关项 目( 2 0 0 9 0 9 1 6 ) ，长安大学 中央高校基 本 科研业务费专项资金项 目( C HD 2 0 1 0 J C ) 资助 第一作者简 介： 宋 焱勋 ， 主要从事地质工程方面的科研 与教学工作 E m a i l： s o n g y x ch d e d u a n J o u r n a l o fE n g i n e e r in g G e o l o g y 工程地质 学报2 0 1 1 t we e n p il e s a r e 3 2 0 k Pa a n d 3 1 8 k Pa r e s p e ct iv e ly Th e l imit lo a d s o f t h e g r a v e l p ile a n d t he co mpo u n d f o un d a t i o n a r e mo r e t h a n 3 3 1 2 4 k Pa a n d 2 0 7 2 k Pa r e s p e ct iv e ly Th e r e s u lt s a ls o s h o w t h a t a lt ho u g h t h e e f f e ct iv e le n g t h o f t h e gra v e l p ile r e a ch e s 8 m t h e l o a ds a r e s u p p o r t e d ma in l y b y t h e u p p e r 4 m o f t h e gra v e l p il e Th e wo r k o f t h is p a p e r ma k e s gre a t s ig ni fi ca n ce t o p r a ct ice o f t h e gra v e l Pi le Fo u n da t i o n in t h e Mu Us De s e rt Ke y wo r ds Mu Us De s e r t ，Ae o lia n s a n d，Vib r a t in g gra v e l p ile，Be a r in g ca p a ci t y，L o a d in g t e s t 1 引 言 采用振冲碎石桩法进行地基处理可以有效地提 高地基承载力， 并且成桩过程中由于加填料而对桩 周土具有十分明显 的挤密效果 ， 加之碎石的掺入使 得桩体材料的力学性质大为提高， 同时桩体材料级 配的改善使得地基中形成渗透性能良好的人工竖向 排水减压通道 ， 可有效地消散超孔隙水压力而加快 地基的排水固结， 同时在振 冲碎石桩施工产生的预 振效应也能够有效降低或消除砂土的液化趋势。近 年来 ， 振 冲碎石桩法 由于其加 固效果好且技术适用 性强 ， 不受场地限制 、 噪音相对较小 、 对环境影响小 、 施工简便、 工期短等优点而在毛乌素沙漠风积砂地 层处理施工中得到了较为广泛应用。但相对来说 ， 对该区碎石桩复合地基的相关理 论研究却远远滞 后， 难以满足工程实践的要求。为此 ， 本文在榆林地 区典型风积砂地层中开展了碎石桩复合地基载荷试 验 ， 通过试验对碎石桩有效桩长及承载力等方面进 行了探索性研究 。 2 振冲碎石桩复合地基试验条件 本次振冲碎石桩复合地基试验场地位于陕西省 榆林市榆横工业区内， 北邻百米大道， 西距延长 2 0 x 1 0 t 醋酸厂约 3 k m。该场地原地貌单元属毛乌素沙 漠边缘的沙丘地貌， 主要为波状沙丘地 ， 场地整平后 的地面标高介于 1 1 2 3 7 11 1 1 5 9 4 m 之间。据钻 探揭露 ， 场地地层 自上而下 由人工素填土、 风积砂、 第四系全新统冲洪积砂类土等组成 ： 细砂( Q ； ) ： 褐黄色、 松散、 稍湿、 级配差。厚度 0 3 6 8 m， 层底 标高 1 1 1 2 3 31 1 2 0 6 8 m， 层底 深度 1 88 O m。 细砂 ( Q ) ： 褐黄色、 湿一 饱和， 稍密一 中密、 颗粒 均匀 ， 分选性较好， 局部夹有 中砂薄层 。厚度 1 2 0 7 4 0 m， 层底标高 1 1 0 7 3 41 1 1 6 3 3 m， 层底深度 5 51 1 1 0 m。 细砂 ( Q 呻 ) ： 褐黄 色、 饱 和 ， 密 实 、 颗 粒 均匀 ， 分 选性 较好 ， 局 部 夹有 中砂 薄 层 。厚 度 3 8 01 2 5 0 m， 层底标高 1 1 0 0 7 91 1 1 0 0 6 m， 层底深度 1 2 4 2 1 O m。 细砂 ( 一 ) ： 灰褐色， 饱和 、 密实， 级配良好 ， 分选性较好， 局部夹有粉砂薄 层 。厚 度 6 0 1 2 6 0 m， 层 底 标 高 1 0 9 0 9 4 1 0 9 9 4 6 m， 层 底 深 度2 4 9 2 8 0 m。 细 砂 ( Q ) ： 灰褐色 ， 饱和、 密实， 级配 良好 ， 分选 性较 好 ， 局部夹有粉砂薄层。在场地普遍有所揭露 ， 本次 勘察未穿透 ， 最大揭露厚度 9 0 m。根据勘察结果， 选择各层厚度较为稳定 、 岩性较为均一 的工程场地 作为本次振冲碎石桩复合地基试验场地 ， 地层剖面 图如图 1所示。地下水埋深约为 8 m。由 图 1可以 看出， 在 1 5 m深度范围内均为、 层岩性， 1 0 m 深度范围内则多为 、 层岩性。 图 1 试验场地风积砂地层工程地质剖面图 F ig 1 C r o s s s e ct io n o f t h e Ae o lia n S a n d la ye r s o ft he t e s t fi e ld s 振冲施工选用当地普遍使用 的 Z C Q 4 5型振冲 器 ， 功率 4 5 k W。主要 步骤 为：清 理平整施工场 地 ， 布置桩位 ， 开挖排水 网系统；施工机具就位 ， ； 起动供水泵和振 冲器， 将振 冲器徐徐沉入直至达 到设计深度 ； 到达深度后将射水量减至最小 ， 以 0 7 8 6 m 。 m 填料量分段灌入 3 7 cm碎石填料并 留振至规定密实电流 ， 上提并逐段填料振密直至孔 口； 重复以上步骤制作各碎石桩。 按照 1 8 m 的桩间距制桩 ， 共制桩 1 2根 ， 设计 桩长 1 0 m， 桩径 1 m， 按三角形形式布置 ( 图2 ) 。 1 9 ( 4 ) 宋焱勋等： 毛乌素沙漠风积砂地层碎石桩载荷试验研究 0 碎 石 桩 复 合 地 基 载 衙 试 验 点 Ln 矗 墓 霾 嘉 餐 蚕 警 地 D 复 合 地 基 载 荷 板 直 径 压 力盒 单桩 载荷 试验点 图2 碎石桩复合地基试桩平面布置图 Fig 2 La y o u t ch a r t o f v ib r a t in g g r a v e l p ile s t h e co mp o s it e f o u n d a t io n 3 振冲碎石桩桩间距 结合当地的施工实践 ， 选 择 1 8 m的桩间距进 行试验。振冲碎石桩施工过程 中， 一方面 由于在振 动作用下填料的加入而使得桩体产生侧向强力挤 密 ， 另一方面 ， 振动作用使得桩间土颗粒重新紧密排 列 ， 最终使桩间土密度提高， 孔隙比减小。根据振冲 碎石桩复合地基桩问土与天然地基不 同深度标贯试 验结果可见 ( 图 3 ) ， 振冲碎石桩施工后桩间土标贯 击数提高十分明显。 4 0 3 5 3 。 五 辐 怕 舡c 1 5 1 0 5 O 黯 闻 ll l l l ， _ 天然 基 ， ， | I 。 一 r ， r ， ； ， 0 1 3 2 2 3 3 33 4, - - 4 3 5- - - 53 6 “ - 6 3 7-7 3 8- - 0 3 深 度 m 线如图4所示 。得到临塑荷载 P =1 2 8 k P a ， 极限荷 载 p ：3 2 0 k P a 。碎 石 桩 单 桩 承 载 力 原 位 静 载 荷 试 验 ， 采用最大堆载 3 0 0 t ， 载荷板直径为 lm， 采用 3 2 0 t 千斤顶电泵加压 ， 设 计每级荷载增量为 2 5 4 8 k P a 。 施工现场见图5， 压力盒布设示意图见图 6 。载荷试 验 P S曲线 如 图 7所 示。得 到 临塑 荷 载 P ，= 1 0 1 9 2 k P a ， 试验终止荷载为 3 3 1 2 4 k P a 。由于 P S 曲线上没有 出现 明显拐点 ， 而按照规范沉 降总量也 未达到载荷板直径的 6 1 0 0， 桩体未发生破坏 ， 因此 截止试验终止碎石桩一直处于塑性 变形 阶段 ， 而未 达到其理论极限承载力。桩间土静载荷试验采用最 大堆载 5 0 t ， 载荷板直径为 4 0 cm， 采用 5 0 t 千斤顶手 动加压 ， 设计每级荷载增量为 1 5 9 k P a 。载荷试验 P Js曲线如图 8所示 ， 得到临塑荷载 P =3 1 8 k P a ， 极 限荷载 P =1 5 9 0 k P a 。复合地基载荷试验上部堆载 2 0 0 t ， 3 2 0 t 千斤顶电泵加压 ， 载荷板直径为 1 8 9 m， 设计每级荷 载增量 为 5 3 5 k P a 。但 由于载 荷板较 大， 直至加载到第 1 2级 6 4 2 k P a试验终止 ， 碎石桩复 合地基并未发生破坏。载荷试验 P S曲线如 图 9 所示 ， 得到临塑荷 载 P = 5 3 5 k P a ， 最大试 验荷 载加 至 6 4 2 k P a ， 复合地基一直处于塑性变形阶段 。 p k P a 0 64 9E ； 17R 1 1 ， ，4，56，嘲 n粥 ，勰 图4 碎石桩天然地基原位载荷试验 P S 曲线 Fig 4 PS cu r v e o b t a in e d f r o m t he lo a d in g t e s t o n t h e na t u r a l s a n d f o u nd a t io n 图 3不 同 桩 间 距 不 同 深 度 挤 密 效 果 标 贯 试 验 成 果 5 振冲碎石桩有效桩长的确定 F ig 3 C u r v e s o f S P T N o w it h d iff e r e n t d e p t h a n d p ile s p a cin g 4 复合地基原位载荷试 验 试验场地天然地基原位静载荷试验采用最大堆 载 5 0 t ， 载荷板直径 为 lm， 采用 5 0 t 千斤顶 手动加 压 ， 按每级荷载增量 3 2 k P a加载 。载荷试验 P S曲 在比例极 限荷载 ( 1 0 1 9 2 k P a ) 作用 下， 由埋设 的压力盒测得的水平附加应力随深度变化曲线如图 1 0所示。由图可见 ， 在上部荷载作用下振冲碎石单 桩水平附加应力 随地基 深度 的增加而迅速减小， 其 中在 4 m深度范围内水平附加应力急剧减小 ， 在 4 8 m深度时水平附加应力仅在很小的范围内变化 ， 且 J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 1 1 图 5 单桩 承载力原位静载荷试验现场 Fig5 P- S C H I V e o b t a in e d f r o m t h e lo a din g t e s t o n t h e g r a v e l p ile 1I 一 1 1 1 1 2 图 6 单桩承载力载荷试验振弦式压力盒布设示意图 Fig6 L a y o u t cha r t o f t h e v ib r a t in g wir e ce lls s u r r o u n din g t h e g r a ve l p ile 5 暑 1 0 1 5 p k Pa o o 5 0 9 6 1 O l 9 2 1 5 2 s 8 2 o 8 8 ， 4 2 5 4 8 o 3 0 57 s 3 5 6 7 2 图 7 单桩极限承载力 载荷试验 P S曲线 F ig 7 P S cu r v e o b t a in e d f r o m t h e u lt ima t e lo a d in g t e s t o n t h e s a nd p ile 3 0 p k P a 0 1 s g 3 1 8 4 77 6 3 6 7 g 5 g 6 4 1 1 3 1 2 7 2 1 柏 1 1 69 0 1 7 d g 1 g 0 8 图 8 桩 间土极限承载力载荷试验 P S曲线 F ig 8 P- S c u r v e o b t a in e d f r o m t h e u lt ima t e lo a d in g t e s t o n t he s a nd be t we e n pile s p k Pa 1 0 7 21 4 3 2 1 4 2 8 5 35 64 2 图 9 复合地基承载力载荷试验 P S曲线 Fig 9 PS ch iv e o b t a in e d f r o m t h e u lt ima t e lo a d in g t e s t o n t h e co mp o s it e f o un d a t io n p k P a 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 o e o j i 图 1 0 振冲碎石桩单桩水平附加应力与荷载 的关系 F ig 1 0 C u r v e o f o fi z o n t M s u b s id ia r y s t r e s s o f t h e g r a v e l p i le wit h t he t e s t lo a din g 0 2 4 6 8 0 2 g 日 5 6 7 6 5 O 1 2 3 4 5 6 7 8 目J7 1 9 ( 4 ) 宋焱勋等：毛鸟素沙漠风积砂地层碎石桩载荷试验研究 其值也 已经很小。由此可 以推断， 虽然有效桩长可 达 8 m左 右 ， 但 上部 荷 载则 主 要 由 4 m 以上桩 体 承担 。 6 复合地基承载力的确定 由于试验条件实际的情况所限， 碎石桩单桩及 桩间土均未能通过载荷试验直接得到理论极 限值 。 对于本次试验 ， 取 A ， =1 ， 置换率 m=2 8 ， 而若以 比例界限所对应 的临塑荷载值作为承载力基本值 ， 根据本次试验 的结果进行反推计算 ， 求得 A 1 ， 若以碎石桩单桩及桩间土测到的最大荷载作为其特 征值 ， 代人复合地基承载力计算公式得到复合地基 承载力为 2 0 7 2 k P a ， 由此可见 ， 本次试验的碎石桩复 合地基其极 限承载力不小于 2 0 7 2 k P a 。 参考文献 张艳美 ，张鸿儒 ， 张旭东碎石桩复合地基 的研究进展 与分析 J 工程地质学报 ， 2 0 0 5 ， 1 3 ( 1 ) ：lO Ol O 6 Z h a n g Ya n me i， Z h a n g Ho n g r u， Z h a n g Xu d o n g， Th e a n a ly s e a n d r e - s e a r ch d e v e lo p me n t o f cr u s h e d s t o n e co mp o s it e g r o u n d J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o l o g y ， 2 0 0 5， 1 3 ( 1 ) ：1 0 01 0 6 孙举 ， 刘开富 ， 谢新宇 ， 朱向荣沉管 干振挤 密碎石 桩的 承载 力分析 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 4， ( z 1 ) ： 4 5 6 8 4 5 7 2 S u n J u， L iu Ka i f u， Xie Xin y u， Z h u Xia n g r o n g An a ly s is o n b e a r in g ca p a cit y o f d iv in g d r y v ib r a t io n co mp a ct io n s t o n e p ile s Ch in e s e J o u r n a l o f R o ck Me ch a n i cs and E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4， ( z 1 ) ： 4 5 6 8 4 5 7 2 范媛媛 ，张建 ， 黄质宏碎石桩复合地基 的试验检测 J 建筑 技术开发 ， 2 0 1 0 ( 2 ) ：1 6 1 7 1 9 F a n Yu any u an ， Z h ang J i an ， Hu a ng Z h ih o n g Gr a v e l p ile co mp o s it e f o u n d a t io n o f t h e t e s t f o r d e t e c t io n B u ild in g T e c h n iq u e De v e lo p m e n t ， 2 0 1 0 ， ( 2 )： 1 61 7 ，1 9 4 董亮 ，周家俊振 冲碎 石桩 法在 可 液化 砂 土地 基 中 的应 用 J 四川建筑 ， 2 0 1 0， ( 4 ) ：1 2 51 2 6 ，1 2 8 D o n g L ia n g ， Z h o u J i a j u n A p p l i ca t i o n o f v i b r o - r e p l a ce me n t crns h od s t o n e c o lu mn in liq u e f a ct io n f o u n d t io n S ic h u an Ar chi t e ct u r e ， 2 0 1 0， ( 4 ) ：1 2 51 2 6， 1 2 8 5 罗亚松 散砂土地 区地基处理方法 的选择 与应 用 J 天津科 技 ， 2 0 1 0， ( 4 ) ： 4 95 O L u o Ya Ap p lica t io n an d s e le ct a b o u t f o u n d a t io n n a n n e n t me t h o d s i n l o o s e s a n d g r o u n d T i a n j i n S ci e n ce T e ch n o lo g y ， 2 0 1 0 ， ( 4) ： 4 9