微型樁在軟土地基上的應(yīng)用

微型樁在軟土地基上的應(yīng)用

1單樁+群樁ccs隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家對能源基礎(chǔ)設(shè)施的投資日益增加。目前,軟土地基中桿塔基礎(chǔ)的主要形式是擴(kuò)展式基礎(chǔ)。擴(kuò)展式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算方法簡單,但基礎(chǔ)方量和開挖工程量大、占地面積大,施工機(jī)具笨重,搬運(yùn)困難。微型樁(Micropile)一般指樁徑小于350mm,長細(xì)比較大(一般大于30),采用鉆孔、壓力注漿工藝施工的小直徑樁。這種樁型具有施工場地小、鉆孔適用各種類型的土、布置形式靈活、與同體積灌注樁相比承載力較高等特點(diǎn),主要用于基礎(chǔ)工程。通過二次注漿,大大提高了單樁承載力。微型樁的上述特點(diǎn),在軟土地基桿塔基礎(chǔ)中將得到充分的發(fā)揮。為了研究單樁和群樁的荷載-沉降特性,指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工,已經(jīng)做了一些現(xiàn)場試驗(yàn)、模擬試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析,但這些研究都是針對普通樁型的,不適宜指導(dǎo)微型樁的設(shè)計(jì)和施工。為了了解微型樁單樁和群樁的傳力機(jī)理、荷載-沉降特性,對現(xiàn)場施工的單樁和群樁,進(jìn)行了抗壓、抗拔和水平試驗(yàn),揭示了微型樁的工作特性,以期為其在桿塔基礎(chǔ)工程中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。2試驗(yàn)總結(jié)2.1主要物理性能試驗(yàn)場地位于某變電所東北側(cè)。場地埋深在17m范圍內(nèi)的地基土層可劃分為三個工程地質(zhì)層:(1)塘泥,深度范圍為0～1.0m,飽和、流塑、新近回填、性狀極差;(2)淤泥質(zhì)黏土,深度范圍為1.0～10.0m,軟塑狀態(tài)、飽和、高壓縮性;(3)粉土,深度范圍為9.0m以下,稍密,飽和,中等壓縮性,并夾有粉質(zhì)黏土薄層。各土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。地質(zhì)剖面圖如圖1所示。2.2群樁抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)包括單樁和群樁的抗壓、抗拔和水平荷載試驗(yàn)以及成孔質(zhì)量檢測等。限于篇幅本文介紹了單樁和群樁的抗壓試驗(yàn)和抗拔試驗(yàn)成果。單樁試驗(yàn)布置了6根,群樁試驗(yàn)布置了兩個(分別是3×3和4×4群樁)。樁長15m,直徑250mm,通長配筋,3～10m部分樁身配筋率為2.5%,10～15m配筋減半,斜樁的傾角都為10°。G1群樁承臺下布置了土壓力計(jì)。群樁G1、G2的平面圖和剖面圖如圖2所示,群樁承臺埋深0.3m。單樁抗壓試驗(yàn)采用堆重平臺反力法,單樁抗拔試驗(yàn)反力由地基提供,在地基上放置兩根7m長、450kg重的鋼梁作為反力支撐。群樁抗壓試驗(yàn)以采用可以承受1000t、直徑14m的傘形架裝置作為反力架,一臺高壓油泵供壓,一臺600t液壓千斤頂加載。群樁抗拔試驗(yàn)同樣由地基提供反力,由于地基土體相對較弱,事先打了4m長的木樁。測量系統(tǒng)事先均進(jìn)行了標(biāo)定,試驗(yàn)設(shè)備的安裝按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94)的規(guī)定進(jìn)行。3骨料的清孔、注漿和鉆孔微型樁施工時,首先用地質(zhì)鉆機(jī)成孔,成孔完畢后,插入初次注漿管(作初次注漿使用),吊放綁扎有二次注漿管的鋼筋籠,同時利用初次注漿管進(jìn)行清孔,清孔完畢后倒入粗骨料,繼續(xù)用清水清孔,直至孔口出來的水中不含泥砂為止。然后用初次注漿管注漿,注漿壓力為0.3～0.5MPa,漿液的水灰比為0.5,至孔口溢出濃漿為止。間隔4～6h用二次注漿管注漿,注漿壓力為0.8～1.0MPa。為了檢測成孔情況,采用JJY-2井徑儀測試了鉆孔直徑,實(shí)測孔徑均大于250mm,滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)完成后,對樁頂混凝土取芯進(jìn)行室內(nèi)抗壓試驗(yàn),結(jié)果表明樁身混凝土的平均立方體強(qiáng)度為11MPa。4單鏈試驗(yàn)的結(jié)果分析4.1樁身抗壓強(qiáng)度單樁抗壓試驗(yàn),直樁和斜樁的荷載-沉降曲線如圖3所示。從圖3看出,直樁S3、S5和斜樁S1的荷載-沉降曲線基本相同,都屬于緩變型。荷載加到約429kN時樁頂沉降約33mm,完全卸載后回彈變形約13mm,樁頂回彈率近40%,樁頂殘余變形達(dá)到20mm,采用注漿工藝成樁的混凝土強(qiáng)度較低,這一點(diǎn)通過鉆芯取樣試驗(yàn)也得到了驗(yàn)證,試樣的平均抗壓強(qiáng)度僅11MPa。因此,微型樁設(shè)計(jì)時需要充分考慮樁身抗壓強(qiáng)度較低的特點(diǎn)。現(xiàn)行樁基規(guī)范規(guī)定,采用靜載荷試驗(yàn)確定單樁豎向承載力,對于荷載-沉降曲線屬于緩變型的,可取樁頂沉降為40～60mm對應(yīng)的荷載作為試樁的極限承載力。而圖3表明,樁頂沉降為20～30mm時,樁頂荷載-沉降曲線有加速下降的趨勢,可以以20～30mm對應(yīng)的荷載作為樁的極限承載力。按此標(biāo)準(zhǔn)確定的單樁S1、S3和S5的極限承載力分別為363kN、363kN和330kN,所對應(yīng)的沉降分別為18.04mm、22.13mm和20.24mm。具體見表2所示。4.2單樁抗拔承載力單樁上拔荷載試驗(yàn)曲線匯總于圖4。從圖4可以看出,三根直樁的上拔曲線具有非常好的一致性,最大試驗(yàn)荷載分別加載到185kN和202kN,所對應(yīng)的上拔量約為27mm和33mm,回彈率約為35%。斜樁S2的上拔量小于直樁S3、S4、S6的上拔量,說明斜樁可以更好地承擔(dān)上拔荷載。這主要是由于斜樁在上拔荷載的作用下,樁身周圍的土體可以提供豎向壓力,而直樁僅提供摩擦力,因而斜樁比直樁可以承受更大的上拔荷載。單樁抗拔承載力見表2。根據(jù)上拔荷載試驗(yàn)曲線的形狀,可以采用兩種方法確定上拔極限承載力。對陡降型的上拔荷載試驗(yàn)曲線,取上拔量明顯增大的前一級荷載作為極限承載力,對緩變型的試驗(yàn)曲線,取上拔量達(dá)到20～30mm對應(yīng)的上拔荷載作為極限承載力,小直徑樁取小值。斜樁S2的試驗(yàn)曲線為陡降型,取220kN作為上拔極限承載力,對應(yīng)的上拔量為16.0mm。直樁S3、S4、S6的試驗(yàn)曲線具有緩變型特征,結(jié)合曲線形狀,以20～30mm上拔量對應(yīng)的荷載作為極限承載力,分別為185kN、185kN、202kN。5公共樁試驗(yàn)分析5.1承地面下土壓力圖5為群樁G1和G2的抗壓試驗(yàn)曲線。群樁的荷載-沉降曲線表現(xiàn)出陡降型的特征。群樁G1樁頂荷載達(dá)到4642kN以后,位移隨荷載增加而增加得更快。因此,群樁G1的抗壓極限承載力為4642kN。采用類似的分析方法,群樁G2的抗壓極限承載力為2923kN。群樁G1的承臺下埋設(shè)了土壓力盒,測試承臺下土壓力。圖6為地基反力-沉降曲線。從圖6看出,隨著承臺的下沉,地基反力在不斷增大,但是,當(dāng)承臺的沉降達(dá)到20mm以后,地基反力的增加幅度很小,地基基本達(dá)到塑性狀態(tài),承載力不再隨外荷載的增加而明顯增加。由于承臺下地基土體主要是塘泥,地基承載力很低,因此最大反力僅為5kPa左右。分析承臺下地基土壓力曲線(圖7),圖中土壓力曲線,是群樁G1承臺I-I剖面下(圖2)地基土壓力隨外荷載變化曲線。當(dāng)荷載較小時,地基反力表現(xiàn)為剛性基礎(chǔ)反力的性質(zhì),中間小、邊緣大,呈馬鞍形;隨著荷載增加,承臺邊緣土體逐漸塑性破壞,承臺中間位置土反力增加,地基反力趨于均勻,呈線性分布;當(dāng)荷載繼續(xù)增加時,中間土反力增加得較快,地基反力表現(xiàn)出鍋底形分布。5.2群樁3g的抗拔承載力群樁G1和G2的抗拔試驗(yàn)曲線如圖8所示。分析群樁G2的荷載-位移曲線,可以看出,在樁頂上拔荷載達(dá)到1523kN以后,荷載-位移曲線的變化速度更快,曲線在這里形成了一個拐點(diǎn)。因此,群樁G2的抗拔承載力確定為1523kN。對群樁G1采用類似的分析,得到抗拔承載力為3020kN。由于地基反力不夠,群樁抗拔試驗(yàn)上拔量比較小。6單元績效分析6.1抗壓及拔正率分析群樁抗壓效率ηd=PunQuk(1)ηd=ΡunQuk(1)式中,ηd為群樁抗壓效率系數(shù),Pu為群樁抗壓極限承載力,n為樁數(shù),Quk為單樁抗壓極限承載力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,單樁抗壓承載力取為330kN,計(jì)算得到16樁的群樁抗壓效率系數(shù)為0.88,9樁群樁的抗壓效率系數(shù)為0.98。為了分析群樁效應(yīng),這里把群樁各級荷載按總樁數(shù)平均,以單樁或者群樁中平均單樁的荷載為橫坐標(biāo),變形為縱坐標(biāo),分析比較單樁和群樁的荷載-變形規(guī)律,分別研究群樁抗壓、抗拔承載力試驗(yàn)中群樁與單樁的區(qū)別(圖9、圖10)。從圖9可以看出,群樁中單樁的平均豎向荷載-沉降曲線和單樁相比較,在豎向荷載比較小時(低于200kN時),兩種曲線基本是重合的,在豎向荷載繼續(xù)增加時,群樁中的單樁平均沉降量增加得更快。分析原因,是由于群樁在下壓荷載作用下,地基中附加應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng),隨著外荷載的增加,地基逐漸達(dá)到塑性破壞,使得地基壓縮更大,因而群樁基礎(chǔ)的沉降更大。在設(shè)計(jì)計(jì)算群樁的承載力時,都是以單樁極限承載力和相應(yīng)狀態(tài)下的群樁效率系數(shù)進(jìn)行計(jì)算的,而工作荷載下群樁的效率系數(shù)比極限狀態(tài)下大,這樣計(jì)算得到的群樁設(shè)計(jì)承載力偏低,因而從承載力方面看設(shè)計(jì)偏于保守。6.2抗壓、抗拔承載力群樁荷載-拔拔量計(jì)算群樁抗拔效率系數(shù)計(jì)算ηu=VunUk(2)ηu=VunUk(2)式中,ηu為群樁抗拔效率系數(shù),Vu為群樁抗拔極限承載力,Uk為單樁抗拔極限承載力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,單樁抗拔試驗(yàn)承載力取為202kN,計(jì)算得到16樁群樁抗拔效率系數(shù)為0.93,9樁群樁抗拔效率系數(shù)為0.84。本次試驗(yàn)所在地基是軟弱地基,實(shí)測表明承載力很低,在計(jì)算群樁效率系數(shù)時忽略了承臺下地基反力。把群樁抗壓、抗拔承載力群樁效率系數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表3。從表3可以看出,群樁的抗壓、抗拔效率,基本上在0.85以上,還是比較大的。從圖10可以看出,群樁中的單樁平均上拔荷載-變形曲線,同單樁相比較,基本上是接近的,沒有抗壓試驗(yàn)中所表現(xiàn)出來的群樁中的單樁更早出現(xiàn)塑性。這同群樁抗拔試驗(yàn)中,群樁的最后上拔量比較小有關(guān)(群樁試驗(yàn)中,最大上拔量G1為16mm,G2為24mm)。從圖10還可以看出,群樁的平均上拔荷載-變形曲線同單樁中的直樁更接近,而單樁中的斜樁S2,在同樣的上拔荷載作用下,樁頂?shù)纳习瘟勘容^小,其荷載-變形曲線表現(xiàn)出更大的抵抗上拔荷載的能力。所以,在上拔荷載的作用下,群樁和單樁中的直樁表現(xiàn)出相似的荷載-變形關(guān)系,而斜樁表現(xiàn)出比較大的抵抗上拔荷載的能力。7樁身強(qiáng)度特性本次現(xiàn)場試驗(yàn),對微型樁基礎(chǔ)的單樁和群樁進(jìn)行了豎向荷載、水平荷載、上拔荷載以及傾斜荷載試驗(yàn),得到了許多寶貴的數(shù)據(jù),本文對單樁和群樁抗壓試驗(yàn)、抗拔試驗(yàn)的樁頂位移以及土壓力結(jié)果進(jìn)行了分析。根據(jù)對這部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,主要得出以下結(jié)論:(1)單樁荷載-沉降曲線是緩變型,屬摩擦樁,可以以20mm沉降量對應(yīng)的荷載作為樁的極限承載力。采用注漿工藝成樁的混凝土強(qiáng)度較低,微型樁設(shè)計(jì)時需要考慮樁身混凝土強(qiáng)度較低的特點(diǎn)。單樁抗拔試驗(yàn)表明斜樁可以更好地承擔(dān)上拔荷載。(2)在豎向荷載繼續(xù)增加時,群樁中的單樁平均沉降量增加得更快,表現(xiàn)出更大的塑性。根據(jù)極限狀態(tài)群樁效率系數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算群樁承載力偏于