攀钢新基地欠固结土层旋挖桩负摩阻力试验

攀钢新基地欠固结土晨旋挖桩负摩阻力试验薛宝恒;戴光旭;范柱国;钱玲玲;杨碧【摘要】攀钢新基地工程区80%为"昔格达"土回填区，回填土将对桩产生负摩阻力.现场负摩阻力试验表明:回填土上部在堆载情况下会有较大的固结沉降，从而使桩基产生负摩阻力.【期刊名称】《云南地质》【年(卷)，期】2010(029)002【总页数】5页(P215-219)【关键词】"昔格达”欠固结土;负摩阻力;现场试验;旋挖桩基;四川攀钢集团【作者】薛宝恒;戴光旭;范柱国;钱玲玲;杨碧【作者单位】甘肃工业职业技术学院，甘肃沃水,741025;云南地质工程勘察设计院,云南，昆明,650093;昆明理工大学国土资源工程学院，云南，昆明,650093;昆明理工大学国土资源工程学院，云南，昆明,650093;昆明理工大学国土资源工程学院，云南，昆明,650093【正文语种】中文【中图分类】T11411.3正常条件下，桩顶施加向下的力使桩身产生向下的压缩位移，桩侧表面的土体则对桩身表面产生与桩身位移相反即向上的摩阻力，即正摩阻力。由于某种原因,导致桩周土体自身下沉，且土体沉降量大于桩的沉降时，桩侧土体将对桩产生与桩位移一致即向下的摩阻力，称为负摩阻力。负摩阻力问题由来已久，早在土力学这门学科形成之前人们就已注意到作用于桩的下拉荷载的存在，因此，负摩阻力不但不能成为桩竖向承载力的一部分，反而变成施加在桩上的夕卜荷载，常会增加桩的沉降或不均匀沉降而导致建筑物的损害或破坏,这样的例子在国内夕卜有很多报道。欠固结非饱和土在浸水之后，随着孔隙水压力的消散土体会出现大量下沉，其上部在堆载情况下会有较大的固结沉降,使桩基产生负摩阻力，并引起不均匀沉降。因此，设计时一般需要考虑负摩阻力的影响。本文通过对攀枝花钢铁基地〃昔格达”欠固结土的测试研究，分析了旋挖桩的轴力和负摩阻力的变化规律。1现场试验1.1工程地质根据该工程地质勘察资料显示,工程建设中将产生7000万方的挖填工程量，其中80%是〃昔格达”组地层。本工程区的高炉、主厂房、烟囱等荷载较大，对沉降比较敏感的重要建(构)筑物,地基土主要为昔格达组及其他第四系地层。填方区占建设总面积65%,填土厚度较大(最大约36米)。旋挖桩长度范围内各主要土层地质资料从上至下为:①压实填土:由黄褐色粉质粘土(岩)、半成岩岩块及粉砂(岩)组成，厚6m;是由第四系人工堆积形成;②粉质粘土;③褐黄夹兰灰色、硬塑状态土，稍湿，厚9m,主要是由冲击土形成。试桩周围各土层的物理-力学指标如表1:表1试桩周围各土层物理-力学性质指标Tab.1Physical-MechanicalNatureofDifferentSoilLayeraroundExperimentPile注:由昆明勘察院科技开发公司实验室测定土层分类取样深度(m)饱和度Sr(%)孔隙比e含水率3(%)土粒比重GS湿密度p0(g/cm3)液限wL(%)塑限wP(%)塑性指数Ip液性指数IL内摩擦角中凝聚力C(KPa)压缩系数av1-2(MPa)压缩模量ES1-2(MPa)压实填土2820.89272.711.823632140.3614.771.20.1810.2粉质粘土8860.99322.671.774929200.1516.858.70.513.91.2试桩参数通过地面堆载并注水强迫固结方式达到测试桩基负摩阻力的目的。注水孔布置见图1,桩型采用旋挖桩。试桩有关参数如表2。表2试桩有关参数Tab.2ParametersofExperimentPile填方厚度桩型混凝土强度等级桩长何)桩径(m)充盈系数桩端持力层设计厚度(m)实际厚度(m)旋挖桩C2591561.12昔格达粉质粘土试桩钢筋笼为通长12饥4,中部2m范围内箍筋①8@100，其余部分箍筋①8@200。由于钢筋上绑扎有应力测试元件，采用一般的浇注方式可能会对测试元件造成影响。因此，试验采用导管灌注方式。同时，为观测桩周土层的沉降情况，试验采取在桩周埋设分层沉降管的方式测试桩周土体的沉降情况,尤其是填方土层的沉降规律。堆重材料采用密度较大的钢锭，为使地面受力均匀，采用袋装砂井和堆载联合方式进行处理。通过专门的测试仪器，可读取频率和温度值燃后将频率换算成应力，再根据桩的截面面积，换算出测试截面处桩的轴力。2试验数据计算轴力计算图1注水孔及分层沉降管分布Fig.1DistributionofWaterInjectionHoleandLayeredSinkingTube式中Qij和。(sij)——分别为第j级荷载下的轴力和应变;Ap——桩身平均横截面积。负摩阻力计算在桩顶不受压的条件下，桩身轴力全部来自于桩周土层的摩阻力。根据这一原理即可求出每两个断面(两组应力计埋设断面)间的负摩阻力，其方法是：式中Ni——第i个断面的轴力;Qi——第i-1截面与第i截面间的负摩阻力。由此可得单位面积摩阻力为：式中Uili一桩侧表面积；3试验数据分析3.1沉降分析由于负摩阻力主要由填土及原地表表层软土产生，因此沉降管的埋置深度主要为桩周沉降土层下限深度。由于受钢锭堆置方式的影响，读数只能采取初末两次测读方式。从表3看出:如果地面荷载不均匀、岩土介质间物理-力学性质有差异这两方面的因素，会导致沉降管测出的沉降量略有差异。对于同一深度土体沉降差异不大，随着距离地面越深,压缩沉降呈递减趋势，即Ah1>Ah2>Ah3o表3旋挖桩桩周土层不同深度的沉降值Tab.3SinkingValueofDifferentDepthSoilLayeraroundRotationDredgePilei234分层磁环初值(mm)末值(mm)差值(mm)初值(mm)末值(mm)差值(mm)初值(mm)末值(mm)差值(mm)初值(mm)末值(mm)差值(mm)降平均值(mm)1层1607.5165143.5136441.518721905.533.5143214744240.132层3594.5361823.533513372.521.538513869.518.534083421.513.519.253层5478.51053655374958105815.5654005409.59.58.63轴力分析(1)测试桩桩顶无荷载作用时，基本不发生沉降。当对桩周地面堆载-注水-卸载等方式作用下的沉降，通过桩周土和桩侧面之间的摩阻力(主要是负摩阻力)，将填土荷重传递到桩身。因此，实测到的桩身轴力完全是由桩周负摩阻力引起。通过埋设在桩身钢筋上的应力计，利用应力计振弦频率的变化计算应力，通过(式1)换算得到桩身轴力。图2恒载条件下注水前-后桩身轴力变化(P=387.467KPa)Fig.2PileAxleStressVariationPre-,Post-WaterInjectionunderConstantLoadCondition(2)桩周存在负摩阻力时，桩身轴力逐渐增大，然后减小，桩端处的轴力很小，桩身轴力最大值的位置就是中性点的位置。桩周地面荷载越大，其轴力越大。当对桩周土体注水时，轴力呈现陡升趋势(图2),最大负摩阻力由注水前的665.67KN上升至789.81KN,上升趋势显著。在维持桩周地面荷载不变时，轴力并未立即停止不变而呈现出一定的增大趋势。表明非饱和压实土在浸水条件下会产生一定沉降。这种沉降不仅发生在注水过程中，当注水完成、孔隙水压力消散,土的有效应力增加,将进一步引发土体的固结沉降。由于沉降的加大而导致负摩阻力和轴力增大。⑶桩身轴力明显受桩周地面荷载的影响(图2),桩周地面荷载越大，其轴力越大。轴力与桩周地面荷载具有高度相关性，即地面荷载每增加1KN,其桩周土体对桩产生约0.05KN的摩擦力。3.3负摩阻力分析本试验中，由于桩顶不受压，所以桩顶轴力为0KN,其余断面的轴力大小可由应力计测取。从图中可看出：负摩阻力主要集中在桩深约4m以上区域，而之下以正摩阻力为主。负摩阻力主要分布在新回填土层中，且产生负摩阻力的极限深度略小于回填土层厚度(6m),两者间的关系与桩端地层密切相关。本桩桩端地层为昔格达粉质粘土(其物性参数见表1)的条件下,中性点深度ln约为桩周沉降变形土层下限深度的0.67倍。图3旋挖桩单位面积负摩阻力曲线Fig.3NegativeFrictionResistanceCurveofUnitAreaofRotationDredgePile当桩周地面堆载达10171KN、同时注水的条件下,单位桩长上平均可产生225.661KN的负摩阻力(桩深3.5m范围内)。⑶在卸荷条件下，桩的下部出现负摩阻力，表明此时桩上移的趋势。这可能是卸荷时上部土体回弹，从而对桩产生向上的拉力所致。⑷从图3看出,在试验条件下岸位面积上平均最大产生约71.867KN的负摩阻力，主要出现在桩深约3.5m范围内。3.4恒载作用下负摩阻力变化规律在桩周荷载为387.467KPa并维持11天不变的条件下，桩身各断面轴力均呈现随时间延续而增大的现象。从图4中可看出，轴力变化在前5天较快，之后仅呈微弱的上升趋势，表明采用地面堆载的强迫固结方式可以缩短土体的固结时间;最大轴力出现在深3.5m断面，至6.5m断面轴力迅速减小,6.5m~7.5m断面轴力变化不大而至8.5m断面减小幅度又迅速增大。出现这种现象的原因主要是由于表层填土的固结沉降而产生较大的负摩阻力,6.5m~7.5m范围属于原地基表层，其力学性能相对较差，提供的摩阻力相对较小，因而轴力变化较小。而深部土层的力学性能相对较好，提供的摩阻力相对较大,因而轴力较小迅速。图4旋挖桩在恒载作用下轴力-时间曲线Fig.4AxleStress-TimeCurveofRotationDredgePileunderConstantloadCondition参考文献【相关文献】高大钊.土力学与基础工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.孙更生，郑大同.软土地基与地下工程[M].北京:中国建筑工业出版社.1984.邱青云涨小敏.对桩的负摩阻力的研究[J].石家庄铁路工程职