汪国烈黄雪峰--大厚度自重湿陷性黄土的湿陷变形特征、地基处理方法和桩基承载性状研究

1大厚度自重湿陷性黄土的桩基承载性状与负摩阻力试验研究汪国烈黄雪峰21.大厚度自重湿陷性黄土场地概况试验场地的地质概况试验场地位于宁夏固原七营镇，地处黄河一级支流清水河Ⅲ级阶地中部，场地地层分为上下2层：上部为黄土层，厚35m，属自重湿陷性黄土，湿陷等级为Ⅳ级；下部为壤土层，厚大于25m，属非湿陷性土层。该场地的地下水位深度大于60m。3现场大面积浸水试验概况现场试验浸水试坑平面尺寸为110m×70m，是迄今为止国内规模最大的现场浸水试验。试坑深1m，坑内打渗水孔，渗水孔直径150cm，孔深23m，孔距5.0m，孔内填入碎石或砂砾石。浸水时，水头保持在0.5m以上；持续观测224d。4浸水试坑平面布置5现场浸水试坑初期的地表形态6浸水试坑内的沉降标点7浸水量与地表沉降观测8浸水后的地面沉降试坑周围裂缝开展情况9中期试坑周围的地面裂缝开展情况10裂缝形成的错台（最大39cm）11裂缝的水平宽度（最大40cm）120.001.002.003.004.005.006.00050100150200250浸水天数（昼夜）一昼夜的湿陷量（cm）浸水停水0.001.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00050100150200250浸水天数（昼夜）一昼夜的湿陷量(cm)浸水停水湿陷速率随浸水时间变化规律浸水期（图中蓝线），湿陷速率呈“小→大→小→稳定”规律；停水后（图中红线），湿陷速率呈“大→小→稳定”规律。13耗水量与浸水时间的关系050010001500200025003000350040000306090120150180浸水时间（昼夜）昼夜耗量（方）14累计湿陷量与浸水时间的关系050100150200250050100150200250浸水时间（昼夜）总湿陷量（cm）坑内6－5号观测点152、大厚度自重湿陷性黄土中桩基的试验研究宁夏扶贫扬黄灌溉工程大部分渡槽的基础处于大厚度自重湿陷性黄土地基上。由于黄土地基湿陷等级高，渡槽为大量用水构筑物，要消除地基土的全部湿陷，加上分撒，地基处理难度非常之大。经过多种处理方案比较，采用桩基础穿透湿陷性土层的方案合理。结合工程在该类型场地上进行了桩基试验研究。16浸水试坑与试验桩布置本次试桩现场布置分为天然状态和饱和状态两个试验点，两点相隔距离约50m(地质条件一致)，均为人工挖孔灌注桩，试桩5根，其编号分别为ZH1、ZH2、ZH3、ZH4和ZH5。各试桩的特点如下表所示：试桩编号桩长（m）桩径（m）扩底直径说明ZH1400.8无扩底桩侧与土隔离（测定无侧阻力下的端阻力）ZH2250.8无扩底桩底脱空（测定无端阻力下的摩阻力）ZH3400.8无扩底端承摩擦桩（桩身设置应力计测桩身内力传递）ZH4400.8无扩底端承摩擦桩（桩身设置应力计桩身内力传递）ZH5200.8无扩底悬吊桩（测定负摩阻力）171号点试验桩布置（天然状态下试验）182号点试验桩布置（分天然状态和饱和状态两种情况）19悬吊法试桩(ZH5)20深标点及编号A1～A6分别为2.5～35m试坑内浅标点及编号试坑外浅标点及编号试桩沉降观测点浸水试坑和沉降观测点布置21桩基试坑浸水时的状况22加荷的千斤顶与钢梁23分层沉降观测点设置深标点编号A1A2A3A4A5A6埋设深度（m）2.551015253524分层沉降观测点埋设状况25桩身内力测试元件的设置滑动测微计的滑管26滑动测微计27钢筋应力计28应变式数据采集仪器29试验成果及分析30天然状态下单桩竖向静载荷试验与荷载传递单桩ZH1端阻力Q-S曲线（桩侧无摩阻力）024681012141602004006008001000Q（kN）S（mm）极限端阻力为800kN/0.5m2=1600kPa31单桩ZH2摩阻力Q-S曲线（桩底脱空，无端阻力）05101520253035080016002400320040004800Q（kN）S（mm）桩身极限摩阻力为63kPa32单桩极限承载力试验与荷载传递特性天然状态下单桩ZH3的Q-S曲线0102030405060708090016003200480064008000960011200Q（kN）S（mm）单桩极限承载力为8400kN33天然状态下ZH3桩身轴向力的传递特征05101520253035400100200300400500600700实测应变(1/1000000)桩长(m)1600kN2400kN3200kN4000kN4800kN5600kN6400kN6800kN7200kN05101520253035400100200300400500600700回归应变(1/1000000)桩长(m)1600kN2400kN3200kN4000kN4800kN5600kN6400kN6800kN7200kNZH3桩身应变随桩顶荷载的变化（滑动测微计）34051015202530354002004006008001000应变(1/1000000)桩长(m)3200kN4800kN6000kN7200kN8000kN8800kN9600kN10000kN051015202530354002004006008001000应变(1/1000000)桩长(m)3200kN4800kN6000kN7200kN8000kN8800kN9600kN10000kNZH3桩身应变随桩顶荷载的变化（钢筋应力计）35051015202530354002000400060008000轴向力(kN)桩长(m)1750kN2500kN3200kN4000kN4800kN5600kN6400kN6800kN7200kN0510152025303540020406080100120摩阻力(kPa)桩长(m)1750kN2500kN3200kN4000kN4800kN5600kN6400kN6800kN7200kNZH3轴向力和摩阻力（滑动测微计）3605101520253035400200040006000800010000kN桩长(m)3200kN4800kN6000kN7200kN8000kN8800kN9600kN10000kN0510152025303540020406080100120kPa桩长(m)3200kN4800kN6000kN7200kN8000kN8800kN9600kN10000kNZH3轴向力和摩阻力（钢筋应力计）37ZH3桩侧摩阻力、端阻力与桩顶荷载关係01000200030004000500060007000010002000300040005000600070008000桩顶荷载(kN)摩阻力或端阻力(kN)SkinForce(kN)EndForce(kN)多项式(SkinForce(kN))多项式(EndForce(kN))在极限状态下，摩、端阻力分配比例关系接近6：1摩阻力端阻力38ZH3桩顶沉降和桩身弹性压缩变形与荷载关係010203040010002000300040005000600070008000荷载(kN)总变形或桩顶沉降(mm)桩顶沉降(黑)和桩身弹性压缩变形(红)接近桩顶沉降弹性压缩39ZH3桩竖向承载力与端阻力、摩阻力取值在天然状态下，该试桩竖向极限承载力为8400kN。极限端阻力为1550kPa，与ZH1测得的1600kPa很接近。正摩阻力的平均值为66kPa～81kPa，大于由ZH2测得的63kPa。试验结果表明：采用不同的试验方法，结果是不同的，不可忽视端阻力对摩阻力的影响。40饱和状态下单桩竖向静载荷试验与荷载传递特征桩顶无载、饱和状态下，ZH3桩身应变随时间的变化过程0510152025303540050100150200实测应变(1/1000000)桩长(m)2002.3.32002.3.42002.3.72002.3.92002.3.122002.3.152002.4.182002.5.10510152025303540050100150200回归应变(1/1000000)桩长(m)2002.3.32002.3.42002.3.72002.3.92002.3.122002.3.152002.4.182002.5.1（滑动测微计）41051015202530354005001000150020002500轴向力(kN)桩长(m)2002.3.32002.3.42002.3.72002.3.92002.3.122002.3.152002.4.182002.5.10510152025303540-100-80-60-40-200204060摩阻力(kPa)桩长(m)2002.3.32002.3.42002.3.72002.3.92002.3.122002.3.152002.4.182002.5.1（滑动测微计）ZH3的轴力、摩阻力随时间的变化42饱和状态下ZH4桩的Q-S曲线01020304050607001600320048006400Q（kN）S（mm）浸水沉降ZH4桩的极限承载力为4400kN43ZH4桩身轴向力的传递特征0510152025303540020406080100应变(1/1000000)桩长(m)400kN800kN1200kN1600kN0510152025303540020406080回归应变(1/1000000)桩长(m)400kN800kN1200kN1600kN天然状态下（钢筋应力计实测）44天然状态下（钢筋应力计实测）0510152025303540050010001500kN桩长(m)400kN800kN1200kN1600kN0510152025303540010203040kPa桩长(m)400kN800kN1200kN1600kNZH4桩身轴向力的传递特征450510152025303540050100150200250300实测应变(1/1000000)桩长(m)1d5d10d20d30d40d50d56d62d0510152025303540050100150200回归应变(1/1000000)桩长(m)1d5d10d20d30d40d50d56d62d桩顶荷载恒定、饱和状态下桩身应变随时间的变化（钢筋应力计实测）ZH4桩身轴向力的传递特征46051015202530354001000200030004000kN桩长(m)1d5d10d20d30d40d50d56d62d0510152025303540-40-20020406080kPa桩长(m)1d5d10d20d30d40d50d56d62d桩顶荷载恒定、饱和状态下（钢筋应力计实测）ZH4桩身轴向力的传递特征4705101520253035400100200300400500600应变(1/1000000)深度(m)1600kN2002.3.72002.5.12400kN3200kN4000kN4800kN5200kN05101520253035400100200300400500600回归应变(1/1000000)深度(m)1600kN2002.3.72002.5.12400kN3200kN4000kN4800kN5200kN桩顶荷载恒定浸水饱和状态下桩身应变随时间的变化（滑动测微计实测）ZH4桩身轴向力的传递特征48051015202530354002000400060008000轴向力(kN)桩深(m)1600kN2002.3.72002.5.12400kN3200kN4000kN4800kN5200kN0510152025303540-100-50050100150正负摩阻力(kPa)桩深(m)1600kN2002.3.72002.5.12400kN3200kN4000kN4800kN5200kN桩顶荷载恒定、饱和状态下桩身应变随时间的变化（滑动测微计实测）ZH4桩身轴向力的传递特征49ZH4桩饱和状态端阻力与摩阻力的发挥特征（桩侧摩阻力、端阻力分担桩顶荷载的比例）01000200030004000010002000300040005