黄土震陷引起桩基负摩阻力的一次大型爆破试验

黄土震陷引起桩基负摩阻力的

一次大型爆破试验国家自然科学基金项目“黄土地基抗震陷处理技术研究”的一部分试验试验背景及其研究目的试验方案设计试验获得的主要结果对试验相关结果的讨论与结论黄土地基的工程病害黄土地基遇水湿陷——湿陷性，并形成了第四代《湿陷性地区建筑规范》（GB50025－2004）

桩基成为黄土地区广泛使用的基础形式。在地震作用下，天然黄土场地会发生震陷——黄土震陷性1556年陕西华县8.5级地震1920年宁夏海原8.5级地震1927年甘肃古浪8.0级地震1995年甘肃永登5.8级地震2003年甘肃民乐-山丹6.1级地震对20m马兰黄土层（Q3）7度：<15cm8度：10-50cm9度：30-150cm试验目的1.黄土场地震陷时桩基负摩阻力的存在性;2.黄土场地震陷时桩基负摩阻力的衍生过程及其沿桩身的变化规律;3.爆破地震动下黄土场地的沉降特征。试验方案设计试验场地的选择黄土层厚度适中，桩端可设置在非震陷土层上；桩周土层具有明显的震陷性；实验场地周围允许实施爆破工作；场地赔偿费用适度交通便利等原则试验场地选定在甘肃省临洮县太石镇李家湾村

村北李家湾坪南缘。试验方案（1）试验观测试坑直径30m；沿试坑中轴线布设直径800mm、长20m试桩两根；两桩相距10m，桩身内部，每隔2m成对埋设应变式钢筋应力计，两根试桩内应力计的轴面正交。距试坑中心15m附近，直下23m处为药室；药室共计30个，每室填药40kg，药室两两相距3.14m，分15组延时爆破，预计持续时间10～12s。试验方案（2）试坑内布设沉降观测点97个，试坑外围布设沉降观测点43个，试坑中心附近布设分层沉降点4个；试坑内布置强震仪9台，桩顶布置强震仪2台，试坑外围布置强震仪6台，爆破地震动衰减场布置强震仪6台，远端地震动监测布置强震仪2台。试验方案设计剖面图试验准备情况试验前期准备工作试桩灌注完工的试桩室内常规土工试验、震陷试验黄土土样挖取波速测试分层沉降观测点的布置爆破井开挖炸药填装炮点井桩夯实回填试桩完整性测试爆破实施前夕安全观察地点的选定测试仪器的调试强震仪的架设试验预备工作的开展试验获得的主要结果黄土震陷时场地土层沉降特征；黄土震陷时桩基负摩阻力衍生特征；黄土震陷时桩基负摩阻力沿桩身分布规律；爆破地震动场地衰减特征。黄土震陷时土层沉降特征本次试验黄土震陷量最大为33mm，整个场地沉降量自南向北降低，场地中心部分高，外围低；爆破结束时，黄土震陷量即可达到土体最终观测沉降量的50％；黄土震陷发生后，土体的沉降会经历一个相对缓慢的发展过程；试验监测表明，黄土震陷的发展呈现指数衰减趋势；非饱和黄土发生震陷时，土体依据其所处地貌不同，对应不尽相同的沉降发展过程。黄土震陷时土层沉降特征本次试验黄土震陷量最大为33mm，整个场地沉降量自南向北降低，场地中心部分高，外围低；爆破结束时，黄土震陷量即可达到土体最终观测沉降量的50％；黄土震陷发生后，黄土震陷的发展呈现指数衰减趋势，土体的沉降会经历一个相对缓慢的发展过程；非饱和黄土发生震陷时，土体依据其所处地貌不同，对应不尽相同的沉降发展过程。红色十字代表场地中心位置由图中明显可以看出，场地中心以南部位沉降最为显著，而且发展较其它位置更加迅速。N爆破过后第2天和第4天的黄土场地沉降黄土震陷后第7天和第9天的土体沉降A、F、K序列沉降观测点分别位于试验场地最北端、中心轴线和最南端，由图可见，这三个典型沉降观测序列，说明试验场地土体震陷由南向北依次减弱。以上两图分别为试坑内、试坑外围的最大、最小沉降量观测序列土体沉降日增长量的对比，明显能够看出沉降量大的观测点，其沉降增长速度的衰减也较快。黄土震陷时桩基负摩阻力衍生特征黄土震陷时桩基负摩阻力有与黄土湿陷情形下桩基负摩阻力的类似规律，中性点以上负摩阻力随深度变化曲线有极值出现；与湿陷时的负摩阻力比较，黄土震陷引发的桩基负摩阻力其量值更大(桩身平均负摩阻力达54kPa，桩身总的负摩阻力达1654kN)；震陷情形下的桩基负摩阻力表现出与震陷快速发生而后按指数规律衰减相适应的衍生特征；黄土震陷时桩基负摩阻力沿桩身的最大值亦与场地土层沉降随深度变化的曲线类型有关。Ch2Ch4Ch6Ch8Ch10Ch12Ch14Ch16Ch18Ch20Ch3Ch5Ch7Ch9Ch11Ch13Ch15Ch17Ch19Ch2Ch4Ch6Ch8Ch10Ch12Ch14Ch16Ch18Ch20桩身两侧应变响应爆破冲击作用，响应强度自桩顶向下增强，至一定深度后，又开始减小。桩身两侧量值有差异。下图为桩身不同深度处负摩阻力随时间的变化，可以看出，爆破及爆破以后的短时间内是负摩阻力产生的黄金阶段，这也从另一侧面证明，爆破开始后，土体的沉降就开始逐步累积。桩身正摩阻力有与负摩阻力相类似的变化规律。桩身正负摩阻力对比负摩阻力正摩阻力负摩阻力的这种情形可能与土体各层实际沉降有关，利用负摩阻力包络线，有益于简化问题。注：其中Start0sec是指爆破起始时刻，S14sec是指爆破过程的时间，A表示爆破后。两种摩阻力随时间的变化具有非常相似的规律。桩身的偏心受力，与桩周土体的差异性沉降直接相关，容易致使桩体受力复杂，分析困难。此图将相对称的应力计不同时段摩阻力随深度的变化情况进行对比。爆破地震动场地衰减特征其中，带有678字样的为东西测线上的强震观测点，1345字样的为南北测线上的强震观测点。当观测点布设距离超过25m后，爆破震动的峰值加速度衰减呈现较强的非线性。EW向试验场地试坑内的地震动明显高于周边地方。SN向UD向EW向，红点是强震仪布设位置SN向UD向对试验相关结果的讨论本次试验爆破诱发黄土震陷时，表现出了非常明显的不均匀沉降特征；非饱和黄土震陷时，其自身强度要远大于黄土浸水湿陷时所能具有的强度，这种高强度使土体沉降受到了更强的制约作用；但从另一方面看，正是这种约束，使得土体沉降时将更多周边土体的力的作用传递给了桩身；本次试验场地南面临近陡崖，属于半自由面，没有外来土体的过多限制,如果不考虑同一场地不同位置黄土物理力学参数的不均匀性，相比其它位置，临近陡崖这一侧的震陷量定会大些；室内震陷试验预测的沉降量与场地土体的实际沉降观测基本相吻合。本次试验有关桩基负摩阻力的处理结果比以前所做黄土湿陷条件下的桩基负摩阻力大得多，这可能是由震陷和湿陷条件下桩基负摩阻力之间衍生、土体强度等差异引起的，也可能有其它尚未发现的因素在内。试验中强震仪记录的地震动强度较理论估算的幅值大得多，这为试验设计采用的地震动衰减公式的改进提供了契机；从试验获得的地震动峰值加速度记录来看，爆破的实际破坏效应与地震的破坏机制差别较大，例如单就加速度记录值来讲，试验场地应该属于Ⅸ度破坏区，但是相对于真实土体的震陷量来讲，却只相当于Ⅶ度破坏。结论黄土震陷时桩基负摩阻力确实是存在的，并且比湿陷时更大，平均为其1.33倍。应该在黄土地区桩基设计中予以考虑。试验获得的负摩阻力衍生过程与沿桩身的分布规律为黄土地区桩基抗震设计提供了科学依据。爆破地震动对黄土土体的变形破坏作用与天然地震作用存在着一定差异。实验结果的应用向甘肃省工程界专家开放试