湿陷性黄土地区单桩负摩阻力监测
发布时间:2018-06-23
李光煜
(中国科学院武汉岩土力学研究所    武汉430071

摘要 本文介绍了三个湿陷性黄土地区单桩负摩阻力监测实例,试验桩安置于浸水坑中,其直径或边长约等于桩长。观测期间不停地往坑内注水,直到桩端土体饱和时停止注水,并继续观测桩身应变及地表沉降,至二者均稳定为止。共测试了9条桩三种桩型,其中4条桩桩顶无荷载,其余桩在浸水过程中维持设计荷载。桩身应变测试采用瑞士产”滑动测微计”,它是一种便携式长标距高精度应变仪,可连续地监测相邻二点之间的相对变形,二点间距为1m,仪器分辨率为0.001mm,即应变分辨率可达1。监测结果表明,湿陷值一般小于按室内试验数据计算值,但负摩阻力大于规范值。

概  述:

1.1黄土特征及其分布

黄土是一种第四纪沉积物,具有以下全部特征,当缺少其中一项或几项特征的称为黄土状土,这些特征是:

(1)颜色以黄色、褐黄色为主,有时呈灰黄色;

(2)颗粒组成以粉粒(0.050.005mm)为主,含量一般在60%以上,几乎没有粒径大于0.25mm的颗粒;

(3)孔隙比较大,一般在1.0左右;

(4)富含碳酸钙盐类;

(5)垂直节理发育;

(6)一般有肉眼可见的大孔隙。

黄土及黄土状土分布范围很广,全世界约1300km2,占陆地总面积的9.3%[1],主要分布于南北美洲及欧洲中纬度干旱地区。我国黄土面积63.5km2,占世界黄土总面积的4.9%,主要分布在北纬3445°之间,区域内气候干燥,降雨量介于250500mm,小于250mm的沙漠地区及大于750mm的地区基本上无黄土分布。

我国黄土主要分布于黄河中下游,而黄土状土主要分布于新疆天山南北及松辽平原,海拔高程最低为200m,最高2400m

我国黄土面积占世界黄土面积的比例虽然不大,但最具典型性[2],堆积厚度也最大,黄河中游,特别是洛河和泾河流域中下游,最大厚度达180200m,而欧洲地区的黄土厚度小于10m

并不是所有黄土都具有湿陷性,我国湿陷性黄土约占总黄土面积的60%,大部分分布于黄河中游地区,如陇东、陕北地区,陇西、关中、河南、山西地区,其厚度一般小于15m,最大30m

随着我国西部大开发的进展,必须在黄土地区兴建大型工程,如火电站及引水工程,这些工程的基础处理,一般采用桩基础。因此,由于黄土湿陷导致的桩身负摩阻力必须在设计中予以充分考虑。我所近15年来,参加了四个工程单桩负摩阻力监测,试验桩位于圆形或长方形浸水坑中,坑径或边长一般等于或大于桩长,测试过程中不间断地向试坑注水至桩端土体饱和度达80%为止,停水后继续观测至水位降至桩端,且地表停止沉降为止。

1.2负摩阻力监测对仪器设备的要求

   负摩阻力是由于土层沉降大于桩下沉量,导致下曳力作用于桩侧面,增大了桩身荷载及下沉量,如考虑不周,有时会导致灾害。土层沉降可以由于地面堆载,地下水位降低,黄土湿陷,冻土融化以及欠固结软土或水力充填土的自重等多种原因引起。有许多估算负摩阻力的公式,有的考虑土的抗压强度,有的考虑有效应力及抗剪强度,有的考虑标准贯入击数,以及桩的类型和表面粗糙度等。不同公式算出的值有较大差异,因而实测具有重要意义。

   负摩阻力监测的主要目的是确定地层沉降期间桩身轴向应力分布规律,因而对测试原理及仪器的长期稳定性均有特殊要求。应力不能直接测量,而是通过测定应力作用下某种力学或物理参数的变化,如应变,声波传播速度等,然后根据材料的本构关系,进一步推算应力,因此除准确测定相应的敏感量以外,还需了解材料的本构关系。

   桩身摩阻力监测中,以往一般是沿轴向安装多个钢筋计、混凝土”应力计”或压力盒。由于探头与介质无法作到理想匹配,以及固定埋设的电测元件或多或少存在零点飘移,实测结果在很大程度上只能是定性的。以钢筋计为例,它是以实测钢筋上某一点处的应变来代替该断面上桩身平均应变。然后乘以桩身平均弹模,求出该断面轴向应力。这样作存在一系列问题,首先,测点处的应变由于探头或电阻片(包括防潮层、导线)的介入,局部受力状态变化,实测应变不等于真实应变;其次,桩身平均弹模只是一个估算值,实际上它沿轴向变化很大,特别是现场灌注桩,而且弹模值还与加载量级和速率有关;再者,测点有限,间距一般为35m,甚至更大,相邻点之间的测值用直线连接,依据不足;此外另点飘移,注水期间土体温度变化都无法确定。即使提供了轴向力曲线及中性点位置,但实际上它只是测值中最大值的位置,并不代表真正的中性点,因而也不可能确定负摩阻力分布曲线。

1.3线法监测原理及滑动测微计

八十年代初,瑞士联邦苏黎世工学院K.Kovari教授等提出了线法监测(Linewise observation)及相应的测试技术,如滑动测微计、三向位移计等[34567]。如前所述,钢筋计,压力盒等属点法监测(Point observation),点法监测充其量只能获得测点处的信息,测点之间如有某种不连续面或空洞(E值降低),则无法分辨出来。线法监测原理是连续地测定一条线(直线或曲线)上相邻二点间的相对位移,这样,不仅可合理地计算轴力、摩阻力、还可揭露桩身的所有缺陷。

滑动测微计主体为一标长1m,两端带有球状测头的位移传感器,内装一个线性电感位移计(LVDT)和一个NTC温度计。为了测定测线上的应变及温度分布,测线上每隔1m安置一个具有特殊定位功能的环形标,其间用硬塑料管相连,滑动测微计可依次地测量两个环形标之间的相对位移,可用于多条测线,是一种便携式高精度应变仪。(图1)。

 

1滑动测微计

Sliding Micromeiler ISETH

 


 线法(滑动测微计)与点法

  (”钢筋计”)监测的基本区别

 

 

与传统方法相比,新方法具有如下主要优点:


   (1)它连续地测定标距1m的桩身平均应变,桩身任何部位微小变形都反映在测值中,而传统方法只能测定几个点的应变,两点之间的变形只能推断,而且测点处的应变由于探头的介入而产生局部应力畸变,其测值将偏离真实值。

(2)传统方法是将被测元件予埋在桩身内部,不仅测点有限,而且易于损坏,更主要的是零点飘移无法避免,无法修正,新方法只在桩内埋设套管和测环,用一个探头测量,简单可靠,不易损坏;而且探头可随时在铟钢标定筒内进行标定,可有效地修正零点飘移,特别适用于长期观测。

(3)新方法所用探头具有温度自补偿功能。温度系数小于0.002mm/m/°C,而且附有一分辨率为0.1°C的温度计,可随时监测测段温度,特别适用于观测期有温度变化的现场监测,以区分温度应变及应力导致的应变,这是传统方法无法作到的。浸水期,由于原地温与水温相差很大(例如冬季),浸水后地温将降低好几度。

(4)当用于垂直试桩时,不仅可提供摩阻力负摩阻力、端阻力等参数,还可评估桩身质量,缺陷部位,提供弹性模量等。用于水平试桩时,除提供临介承载力Hcr及极限承载力Hu外,还可提供挠度曲线,其精度可达10-5,比常用钻孔测斜仪高一个量级。

 

2 温陷性黄土地区负摩阻力测试

我所自83年从瑞士购入滑动测微计以来,约20个试桩工程采用了该仪器,其中有五个工程监测负摩阻力,除一个工程在沿海淤泥地基外,其余四个均处于黄土地区。


2.1蒲城电厂负摩阻力测试

蒲城电厂位于陕西渭北黄土原上,地层为黄土与古土壤分层交互分布,上部6m为马兰黄土(Q3)下部为离石黄土(Q2),总厚60m,属大厚度黄土地基,地下水稳定水位为-62.8m

试桩为钻孔灌注桩,二种尺寸,各二根A型为φ1.2m,长40m,扩大端φ2.5mB型为φ1.0m,长32m,扩大端φ2.2m

试桩及锚桩均置于φ40m1m的试坑中,坑底0.3m小卵石。坑内布置φ157mm,深32-40m,间距3m的注水孔140个,孔中填粒径为28cm卵石。

为使桩基土层饱和,从901115日开始注水,共注水79860m3,历时40天,于1225日停水。40m以上地层饱和度达90%。沉降观测延续至91129日,当最后5天平均湿陷量小于1mm时,符合《黄土规范》稳定标准,即停止观测,最大湿陷量为65mm,小于70mm,评定为非自重湿陷性黄土。特别值得指出的是,注水期间,地层不但不沉降,反而抬升,湿陷是停水后,随着地下水位下降,土层固结而发生的。

试桩期间对A1A2B1B2四桩进行了全面的试验,包括天然状态下的垂直和水平静载试验,浸水期负摩阻力监测,饱和状态下垂直和水平静载试验。试验由建科院地基所主持,以下仅介绍浸水期负摩阻力监测[8]

(1)A1B1由于桩顶分别施加了60004800kN轴向力,浸水期间桩顶沉降较大(分别为37.7mm15.6mm),因而中性点位置较高(分别为18m11m),而A2B2二桩由于顶部荷载为零,沉降只是由于浸水后土层下曳力引起,因而较小,中性点位置较低,而且随水位下降而下移,A215m下降至25m处,B215m下降至21mA2B2中性点处的轴向力只在停水后才随水位降低而增长。由于最后一次观测时,水位仍停留在25m处,因此尚未达到最大值。

(2)浸水初期,A2B2不但未出现负摩阻力,反而产生拉应变,特别是A2桩,在17252935m四处,高达1285με,这一现象可用浸水初期地表抬升来解释,浸水后,土颗粒结构尚未破坏,而有效应力降低到(γ-1H,桩身自重由于浮力也降低了,而桩端因扩大头的镶嵌作用,相当于一固定端座,这些因素导致桩身产生拉应力。A2桩由于原有裂缝的存在,水渗入后产生“楔”作用,使裂纹扩张。停水后,水位下降,裂纹自上而下逐渐闭合。(图3

(3)4表明各种工况条件下B1桩实测应变,回

归应变及正负摩阻力的变化曲线。数据处理方法将在下一节叙述。(图4

(4)浸水期间,桩身正负摩阻力及端阻力分布如表

1所示, B1桩由于下沉量大大超过其他三根桩,因而

 


 A2桩浸水期实测应变

 

中性点最高,负摩阻力和单位负摩阻力较小。对于无桩顶荷载的A2B2桩而言,单位正摩阻力略高于负摩阻力。

 

              

4a  B1桩实测应变曲线           4b  B1桩回归应变曲线          4c  B1桩正负摩阻力曲线



 蒲城电厂浸水期间正负摩阻力及端阻力

桩顶荷载

(kN)

中性点

(m)

负摩阻力

(kN)

fN

(KPa)

正摩阻力

(kN)

fp

(KPa)

端阻力

(kN)

端阻力

总荷载

A1

6000

18

2171

32.0

4759

54.9

3412

0.42

B1

4800

11

542

19.2

3964

60.1

1583

0.29

A2

0

25

4056

43.01

3429

60.6

679

0.16

B2

0

21

3237

49.1

2383

69.0

880

0.27

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