預制樁處理黃河沖積地層中液化效應的試驗研究

張文斌,李積濤,2,李艾銀,華 斌

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院/山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局富鐵礦找礦與資源評價重點實驗室,山東 濟南 250100;2.中國海洋大學,山東 青島 266000)

0 引言

黃河沖積地層存在大量的粉土、粉砂,其在地震工況下易產(chǎn)生液化現(xiàn)象。樁身范圍內(nèi)存在可液化土的地層時,地震作用會使土的抗剪強度迅速減小或完全喪失[1-5]。因此,在單樁承載力設計時,樁的側(cè)摩阻力應考慮液化作用的折減。預制樁因存在擠土效應,使得土體沿樁徑向外產(chǎn)生水平位移,擠密作用能夠改變原土體的結(jié)構,使孔隙比減小、密實度增加,能夠大大增加了土體的抗液化能力。通過大量的試驗研究[6-14],預制樁成樁前和成樁后的標準貫入試驗結(jié)果對比,其對粉土和粉砂地層的擠密效果非常明顯,擠密后的樁間土其標貫擊數(shù)會有明顯提高。為了進一步研究預制樁對黃河沖積地層中可液化土層的影響效果,本文選取聊城某項目開展試驗研究。通過試驗評價預制樁對黃河沖積地層中的可液化土層的作用效果。

1 試驗區(qū)概況

項目區(qū)位于聊城江北水城旅游度假區(qū)某健康科技園項目,為典型黃河泛濫沖積平原地區(qū),地勢較平緩,場地高程最大值33.86 m,最小值33.15 m,相對高差0.71 m?？辈炱陂g,測得地下水位埋深3.40～3.88 m,平均3.75 m,穩(wěn)定地下水位絕對標高29.7～30.97 m。

根據(jù)擬建場地鉆探揭露的地層資料及波速測試結(jié)果,該場地覆蓋層厚度大于50 m,地層的等效剪切波波速為177.6～186.4 m/s。該建筑場地土類型為中軟場地土,建筑場地類別為Ⅲ類?？拐鹪O防烈度為7度,設計基本地震加速度值為0.15 g,設計地震分組為第二組,特征周期(Ⅲ類場地修正值)為0.55 s。

場地自然地面以下20 m范圍內(nèi)主要土層有9層,分別為①層耕土,厚度0.50～1.20 m;②層粉土,厚度2.00～6.40 m;②-1層粉質(zhì)黏土,厚度0.50～2.00 m;③層粉質(zhì)黏土,厚度1.30～4.60 m;③-1層粉砂,局部分布,厚度0.50～2.80 m;④層粉土,厚度0.80～5.80 m;⑤層粉質(zhì)黏土,厚度1.40～8.40 m;⑤-1層粉土,厚度:0.70～5.00 m;⑥層粉細砂,厚度7.90～18.40 m。其中⑥層粉細砂為樁端持力層,分布較均勻,平均厚度約15 m。試驗區(qū)代表性地層剖面如圖1所示。

黏粒含量是影響粉土液化判別的重要指標,依據(jù)規(guī)范判別液化公式,采集地表下20 m深度范圍內(nèi)的粉土試樣,進行黏粒含量分析,試驗場地的各液化粉土地層的黏粒含量百分比在7.40～9.10之間。

根據(jù)土工試驗指標,第②層粉土、④層粉土、⑤-1層粉土其黏粒含量ρc(%)值分別統(tǒng)計列入表1中所示。

表1 粉土黏粒含量

根據(jù)場地前期勘察情況,將樁身范圍內(nèi)的原始土層的標貫數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計結(jié)果以及液化等級判別結(jié)果列入表2。

表2 原始地層參數(shù)表

由表2可知,該場地②層粉土、③-1層粉砂、④層粉土、⑤-1層粉土、⑥層粉細砂均存在不同程度的液化現(xiàn)象,各土層的液化指數(shù)ILEi在0.16～5.19之間不等,液化等級判別為輕微。

2 試驗方案

試驗在4#樓北側(cè)工程樁區(qū)域開展。擬建4#樓層高18層,樁基礎形式為預制方樁。試驗區(qū)為5×5試驗樁的區(qū)域共25棵樁,樁間距4～5 d,縱向樁間距為1 950 mm,橫向樁間距為2 250 mm。試驗點為S1～S6共6組,分別選取S1～S2縱橫樁中心點2組,S3～S4橫向間距中點2組以及S5～S6縱向間距中點2組。試驗點位置及試驗區(qū)平面布置見圖2。

圖2 試驗區(qū)平面布置圖

試驗區(qū)成樁方式采用靜壓法沉樁,樁基類型采用同工程樁相同的預應力混凝土實心方樁,控制最大壓樁力591 t。設計預應力混凝土實心樁邊長為450 mm,樁長19 m。根據(jù)相關規(guī)范,檢測試驗工作在靜壓沉樁后的第10天進行。測試工作采用XY-180型鉆機對地層鉆探揭露,并在可液化土②層粉土、③-1層粉砂、④層粉土、⑤-1層粉土、⑥層粉細砂進行標準貫入試驗,共完成標貫測試點位42個,采取擾動試樣24件進行土工試驗分析。

3 測試結(jié)果分析

試驗區(qū)工程樁施工結(jié)束后,在S1～S6試驗點進行鉆探揭露地層,分別在可液化地層中進行標準貫入試驗。針對對可液化地層成樁后的標貫值N進行分層統(tǒng)計,見表3中。通過規(guī)范公式[17],計算液化判別標貫錘擊數(shù)的臨界值Ncr。

(1)

表3 試驗測試數(shù)據(jù)

按公式(1)計算得到各地層的液化臨界擊數(shù),將臨界擊數(shù)Ncr與實測擊數(shù)N進行比較,當N≤Ncr時判定為可液化土,當N>Ncr時判定為不液化土。

試驗區(qū)成樁后,比較N/Ncr其值在1.05～2.30之間且均大于1.0,表明試驗區(qū)在成樁后液化判別為不液化土。

預制樁成樁以后,擠密作用使得樁間土體受到橫向壓縮,標貫試驗擊數(shù)提高,用成樁后的標貫擊數(shù)對土層的液化效應進行判別。原可液化的土層收到擠密作用以后,均判別為不液化土層,見表3所示。

通過對比成樁前后的標貫平均擊數(shù)的數(shù)據(jù),將成樁前后的平均標貫擊數(shù)分層統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及其增長率繪制成圖3中,不難發(fā)現(xiàn)其成樁后由于擠密作用使得各層土的標貫擊數(shù)均有不同程度增高,其平均增長率約在20%左右,其中③-1層粉砂成樁前后增長較高,但因該層為夾層其統(tǒng)計數(shù)據(jù)偏少,該夾層僅供參考。

圖3 成樁前后標貫數(shù)據(jù)對比

4 經(jīng)驗公式法比較

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)(2016年版)推薦的經(jīng)驗公式是工程實踐中總結(jié)出來打樁前后圖形的變化規(guī)律,并已在許多工程實例中得到驗證。樁間土在打樁以后,其標準貫入擊數(shù)可按下式計算[17]:

N1=Np+100ρ(1-e-0.3Np)

(2)

式中:N1為打樁后的標貫擊數(shù),ρ為預制樁的面積置換率,Np為打樁前的標貫擊數(shù)。

規(guī)范認為,當打入式預制樁或一些其他類型的擠土樁,其樁間距在2.5～4倍的樁徑時,樁的數(shù)量不低于5×5時,可以計入打樁對土的擠密作用,并考慮其擠密作用對樁間土的有利影響[17]。

按照圖2所示,本項目試驗區(qū)的樁邊長為450 mm,樁間距為2 250 mm×1 950 mm,換算其面積置換率ρ=4 502/(2 250×1 950)=0.046。根據(jù)試驗方案中試驗區(qū)概況符合經(jīng)驗公式中德基本前提條件。

根據(jù)規(guī)范推薦的經(jīng)驗公式,選取打樁前的標貫數(shù)據(jù)(表2)作為原始數(shù)據(jù)Np,計算打樁后的標貫值N1。經(jīng)驗公式計算打樁后標貫計算數(shù)值統(tǒng)計如下表所示。

依據(jù)經(jīng)驗公式(2),Np與N1是一條與ρ有關的關系曲線,根據(jù)試驗區(qū)條件換算其面積置換率ρ=0.046,繪制其關系曲線N1如圖4所示。將實測的壓樁后各地層標貫平均值N實測落入圖4的坐標軸中,發(fā)現(xiàn)其實測壓樁后各土層的標貫數(shù)據(jù)與經(jīng)驗曲線基本吻合。因經(jīng)驗公式僅針對壓樁前后標貫數(shù)值的變化統(tǒng)計,未能對不同的地層性質(zhì)影響進行區(qū)分。通過圖3可知,粉土地層的壓樁后標貫統(tǒng)計數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式算法吻合度較高,粉砂地層的經(jīng)驗公式算法離散度較粉土稍高。

圖4 經(jīng)驗公式與實測數(shù)據(jù)比較

5 樁側(cè)阻力的提高

依據(jù)原勘察報告中提供的樁的極限側(cè)摩阻力標準值,樁身存在可液化土層時,其樁側(cè)摩阻力應進行相應折減,其極限側(cè)摩阻力標準值列入表4中。

表4 樁的極限側(cè)摩阻力標準值

因為擠密作用消除了樁間土的液化效應,使得樁在抗震工況計算的樁側(cè)阻力極限值由1 438.26 KN提高到2 201.76 KN,提高了48%。

6 結(jié)語

(1)研究區(qū)為典型的黃河沖洪積地貌單元,含有可液化的粉土、粉砂層,選取4#樓工程樁區(qū)域范圍內(nèi)進行試驗,樁間距4～5 d,面積置換率為0.046。

(2)通過現(xiàn)場試驗的方式,對工程樁施工區(qū)打樁前后標準貫入試驗擊數(shù)的統(tǒng)計、分類、對比分析,結(jié)合室內(nèi)土工試驗黏粒含量的分析,驗證了預制樁的擠密作用對處理黃河沖洪積地層液化效應是有效的。

(3)預制樁的擠密作用使得樁身范圍內(nèi)的可液化土層標貫擊數(shù)升高,其平均增長率約在20%左右。按照壓樁后的標貫擊數(shù),判定樁身范圍內(nèi)的土層為不液化土。

(4)通過試驗實測值與經(jīng)驗公式算法比較,整體吻合度較好,證明經(jīng)驗公式算法比較可靠,但經(jīng)驗公式未能對不同地層進行區(qū)分,實測粉土地層較粉砂地層對經(jīng)驗公式的吻合度更好。

(5)因預制樁的擠密作用消除了樁身范圍內(nèi)土層的液化效應,使得抗震工況下單樁承載力得到提高,計算試驗區(qū)域抗震工況下單樁樁極限側(cè)摩阻力累計提高達到約50%。