饱和粉土地基低强度混凝土桩振动沉管及静载试验.pdf
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1、第 3 2卷 第 4期 2 0 1 5年 7月 建筑科 学与 J o u r n a l 0 f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo 1 3 2 No 4 J u l y 2 0 1 5 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 6 0 0 6 饱和粉土地基低 强度混凝土桩振 动沉管及静载试验 张宏博 , 厉 超 , 宋修广 , 解全一 , 李红超。 ( 1 山东大学 土建与水利学院 , 山东 济南2 5 0 0 6 1 ; 2 山东大学 山东省路
2、基安全工程技术研究 中心 , 山东 济南 2 5 0 0 6 1 ;3 河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院 , 河南 洛阳4 7 1 0 2 3 ) 摘 要 : 为研 究饱 和粉 土地基 低 强度混 凝土桩 振动 沉管施 工产 生 的超 孔 隙水压 力分布 、 消散 规律及 单 桩 和复合 地基 的承 栽特性 , 对 滨州 市饱 和粉 土地基 进行 了低 强度 混凝 土桩 的振 动 沉管和静 载试 验 。 结果表 明 : 沉管振 动下沉 时 , 最大超 孔 隙水压 力一般 出现在桩 端 以上 2 3 m; 沉管振 动 下 沉对桩 周 土体 的扰 动较 小, 最 大超 孔 隙 水 压 力 与
3、 上 覆 土有 效 应 力 的 比 值 仅 为 0 3 2 7 ; 单 桩 振 动 拔 管后 1 5 mi n , 临近超 孔 隙水 压 力的消散 率 可达到 6 5 7 5 ; 与 设计 规 范 的估 算值 相 比, 振 动 沉 管成桩 后 单桩竖向极限承载力偏小, 仅为估算值的 5 5 6 0 ; 低强度混凝土桩的加固作用明显, 复合地基 承载 力与 天然地基 相 比提 高 了约 1倍 。 关键词: 饱和粉土地基 ; 振动沉管; 低 强度混凝土桩 ; 静载试验 ; 超孔隙水压力 中 图分 类 号 : U4 4 1 4 文献标 志码 : A Vi b r a t i o n Pi pe S
4、i n ki ng a n d S t a t i c Lo a d Te s t o f Lo w s t r e n g t h Co nc r e t e Pi l e i n S a t u r a t e d S i l t S o i l Fo u n d a t i o n Z HANG Ho n g b o ,L I Ch a o , ,S ONG Xi u g u a n g , ,XI E Qu a n y i ,L I Ho n g c h a o 。 ( 1 S c h o o l o f C i v i l En g i n e e r i n g ,S h a n
5、d o n g Un i v e r s i t y ,J i n a n 2 5 0 0 6 1 ,S h a n d o n g,Ch i n a ;2 S h a n d o n g En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h Ce n t e r f o r S u b g r a d e S a f e t y ,S h a n d o n g Un i v e r s i t y,J i n a n 2 5 0 0 6 1 ,S h a n d o n g,Ch i n a ; 3The Thi r d Ge ol
6、og i c a l Ex pl or a t i on I ns t i t ut e o f Ge ol og y a n d M i ne r a l Re s ou r c e s,He na n Bu r e a u o f Ge o e x p l o r a t i o n Mi n e r a l De v e l o p me n t ,Lu o y a n g 4 7 1 0 2 3 ,He n a n,Ch i n a ) Ab s t r a c t :I n o r d e r t o s t u dy t h e d i s t r i bu t i o n a n
7、d d i s s i p a t i o n l a w o f e x c e s s po r e wa t e r pr e s s u r e p r o d u c e d d u r i n g c o n s t r u c t i o n,t h e s i n g l e p i l e a n d c o mp o s i t e f o u n d a t i o n l o a d b e a r i n g c ha r a c t e r i s t i c s i n s a t ur a t e d s i l t s o i l f o und a t i
8、on,v i br a t i o n p i pe s i nki ng a nd s t a t i c l o a d t e s t o f l o w s t r e ng t h c o nc r e t e pi l e we r e c a r r i e d ou t i n Bi nz ho u Ci t y The r e s u l t s s ho w t ha t whe n vi br a t i on p i pe s i nk i ng, t he ma xi mum e x c e s s p or e wa t e r pr e s s u r e a p
9、p e a r s 2 - 3 m a b ov e t he e nd o f pi l e ; v i br at i o n pi p e s i nki ng d i s t ur bs t h e s o i l a r ou nd t h e p i l e l i t t l e,t he ma x i m u m e x c e s s p or e wa t e r pr e s s ur e i s o nl y 0 3 2 7 of t ha t o f o v e r l y i ng s oi l e f f e c t i ve s t r e s s ;t he
10、d i s s i pa t i on r a t e o f e x c e s s po r e wa t e r p r e s s u r e c a n r e a c h 6 5 一 7 5 a f t e r e x t u b a t i o n f o r f i f t e e n mi n u t e s ;c o mp a r e d wi t h t h e e s t i ma t e v a l u e of d e s i gn n o r m s,t h e s i n gl e p i l e ve r t i c a l u l t i ma t e b
11、e a r i n g c a pa c i t y o f vi b r a t i on p i l e s i n k i n g i s o n l y 5 5 一 6 0 o f t h e e s t i ma t e v a l u e ;t h e l o w s t r e n g t h c o n c r e t e p i l e r e i n f o r c e me n t e f f e c t i s ob v i ou s a nd t h e be a r i n g c a p a c i t y o f c o m p os i t e f o u n
12、d a t i on c a n i n c r e a s e by l t i me c o mpa r e d wi t h t ha t o f na t ur a l f ou nd a t i o n Ke y wo r d s :s a t u r a t e d s i l t s o i l f o un da t i o n;v i b r a t i o n p i p e s i nk i ng;l ow s t r e ng t h c o nc r e t e p i l e;s t a t 一 收稿 日期 : 2 0 1 5 - 0 1 2 9 基金项 目: 国家
13、 自然科学基金项 目( 5 1 2 0 8 2 8 4 ) ; 山东省科技 发展计划项 目( 2 0 1 3 G S F 1 1 6 0 3 ) 作者简介 : 张宏博 ( 1 9 7 7 一 ) , 男, 山东济宁人 , 副教授 , 工学博士 , E ma i l : z h a n g h o n g b o s d u e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 张 宏博 , 等 : 饱 和粉 土地 基低 强度 混凝 土桩 振动 沉 管及静 载试 验 6 1 i c l oa d t e s t ;e x c e s s p o r e
14、 wa t e r pr e s s u r e U 引 再 低强度混凝土桩通常指用水泥 、 石子及其他掺 合料 ( 砂 、 粉煤灰 、 石灰等) 加水拌合, 在原地基 中形 成 的强 度等 级为 C 5 C 2 5的胶 结 材 料桩 , 主要 桩 型 有 C F G桩 、 透水性混凝土桩等 。近年来 , 低强度 混 凝土 桩在 高速 公路 软基 处理 方面 得到 了广 泛 的应 用 , 为 桥头 跳车 、 道路 拓宽 等 问题提 供 了 良好 的解决 途径 。 低 强 度混凝 土 桩成桩 工 艺主要 有振 动沉 管法 和 长螺旋 钻 管 内泵压灌 注 , 目前 较 多采用 振动 沉管 法 。
15、 振动沉管施工时, 产生超孔隙水压力 , 周围土体受到 挤压导致超孔隙水压力增大, 严重时导致土体隆起、 侧向移动等病害 , 同时导致沉管下沉困难 , 不但影响 施 工进 度 , 还 影 响桩体 承载 力 , 因此研 究振 动沉 管施 工超 孔 隙水 压力 分布 和消 散规律 是 十分必 要 的 。不 同于预 制桩 振动 沉 桩 , 低 强度 混 凝 土 桩 振 动 沉 管施 工属于现浇桩沉桩施工, 其成桩机理 、 桩体承载力等 与预制 桩有 较大 区 别 , 目前各 国学 者 针 对 软 粘 土地 区低强 度混 凝土 桩振 动沉 管施 工工 艺和单 桩 振动 沉 管引起 的超孔 隙水 压力
16、以及成 桩后 桩体 承载 力等 有 了一定 研 究 , 积 累 了较多 的试 验数据 , 理 论研 究得 到 了不断进步_ 5 。然而相关研究多侧重于饱和软粘 性土 地基 试验 , 对 于 振 动沉 管 施 工 的超 孔 隙水 压 力 分布 、 消 散规律 及 单 桩 和复 合 地 基 的 承 载特 性 论 述 还不 够全 面 , 且 饱 和 粉 土地 基 的 低 强度 混 凝 土 桩 沉 管及桩体承载力试验较少, 有必要做进一步研究 。 本文依托在建道路 的软基处理工程, 在滨州市 饱 和粉土 地基 进行 了低 强 度 混 凝 土桩 的现 场 试 验 。 试验观测 了沉管过程中超孔隙水压力的
17、变化 , 分析 了饱 和粉 土 地基振 动沉 管 的动 力 学 机理 , 并 对 成 桩 后单桩和复合地基进行 了静载试验。试验结果可为 类 似工 程 的设计 及施 工提供 参 考 。 1 现场试 验概 况 1 1工程 地质 情况 试验场地位于 山东省滨州市境内, 该 区域主要 为黄河 冲 积平 原 区 , 地 形 较 为 平 坦 开 阔 , 岩 性 以粉 土、 粉质粘土为主。根据地质勘探资料 , 试验场地地 基 土 的分层 及土 体 参 数如 表 1所 示 , 实 测 地 下 水 位 埋 深 约 2 1 m。 1 2试 验 现场布 置 现场共布置 6根试桩, 设计桩径为 5 0 0 mm,
18、桩 表 1 试验场地地基土层及土体参数 Tab 1 Fo u nd a t i o n So i l S t r a t a a n d S o i I Pa r a me t e r s o f Te s t Si t e 土层 层底埋 含水 重度 承载力 桩侧 土摩 土层 名称 容许值 阻力标准 编 号 深 m 率 ( k N m一 3 ) k P a 值 k P a 2 粉 土 3 6 O 3 3 1 1 8 1 1 O O 3 O 2 1 粉质粘土 5 6 0 3 0 0 1 9 2 1 2 0 3 5 3 1 粉土 8 2 0 3 0 8 1 9 2 1 1 O 3 5 3 粉质粘土
19、 1 0 6 0 2 7 6 1 9 2 1 3 O 3 6 4 1 粉土 1 3 2 O 2 3 3 1 9 9 1 3 O 3 8 4 粉质粘土 1 7 2 O 3 1 3 1 9 1 1 4 O 3 8 长为 8 m。为监测 试桩 振 动沉管 的超孔 隙 水压 力 变 化, 现场布设 4个孔隙水压力观测孔, 每个孔隙水压 力观 测孔 埋设 4个 振 弦 式孔 隙水 压 力 计 , 埋 深 分 别 为 4 , 6 , 8 , 1 0 m。试桩及孔 隙水压力计的平面布置 如 图 1所 示 。 低 强 度 混 凝 土 桩 0 孔 隙水 压 力计 4 5 4 5 0 0 3 号 2 号 1 号
20、图 1 试 桩 及 孔 隙 水 压 力 计 布 置 ( 单位 : m) Fi g 1 Ar r a ng e m e nt of Te s t Pi l e s a nd Po r e Wa t e r P r e s s u r e G a u g e s( U n i t : m) 为准 确 观测 孔 隙 水 压力 变 化 , 孑 L 隙水 压 力 计 由 下至上依次投放 , 且每两孔隙水压力计之间用膨润 土球进 行 填充 , 以确保 相 邻 两 孔 隙 水压 力 计 之 间 相 互隔离, 孔隙水压力计的竖向布置如图 2所示 。 孔 隙水 压 力计 在 沉 管试 验 前 预 先埋 设 ,
21、并 连 续 观测 孔 隙水压 力计 的读 数 变 化 , 待 各 观测 孔 孔 隙水 压力计 读 数稳 定后 , 再 开始进 行沉 管试 验 , 此 时 观测 到孔隙水压力计 的稳定频率读数为超孔隙水压力的 基频 。沉 管试 验开 始 后 , 对 振 动 沉 管 过程 的孔 隙水 压力 进行 观测 。沉 管 成 桩 完 成 后 , 对 各 观测 孔 孔 隙 水压力进行连续观钡 4 , 直至超孔隙水压力消散。 1 3静载试 验 方法 成桩 2 8 d后, 对试桩进行单桩竖 向抗压静载试 验和复合地基竖向抗压静载试验 。单桩试验加载前 进行桩头加固, 复合地基试验加载前在桩顶及桩周 学兔兔 w w
22、 w .x u e t u t u .c o m 6 2 建筑科 学与工程学报 2 0 1 5笨 7 。 地面 寸 - 一 。 。 V V I一 超 孔 隙水 j 硅 , 图 2 孔 隙 水 压 力 计 竖 向布 置 【 单位 : m) Fi g 2 Ve r t i c a l Ar r a n g e me nt o f Po r e Wa t e r P r e s s u r e Ga u g e s( Un i t : m) 铺设 厚度 为 1 5 2 0 c m 碎 石 垫 层并 夯 实 , 并 选 用 尺 寸为 1 1 m1 1 m 的刚性 承 载板 进行 加 载 。静 载 试验
23、 按 照慢速 维持 荷 载法 进 行 分 级加 载 和 卸 载 , 荷 载通过油压千斤顶及压力传感器控制施加 , 沉降采 用 4个精度为 0 0 1 mm 的位移传感器监测 , 通过 DH3 8 2 1静态 应 力一 应 变 测 试 分 析 系统 进 行 实 时 采 集数据 。 1 4振动沉管施工概况 试验采用弹簧振动锤进行振动沉管 , 其振动频 率 为 1 0 5 0 r mi n _ 。 , 激 振力 为 2 3 7 k N。为 避免 沉 桩 的彼 此影 响 , 振 动沉管 按照 1 号 桩一3号桩 一4号 桩一6号 桩一 2 号 桩一 5号桩 的先 后顺 序 进 行施 工 。 沉管振动下
24、沉至预定深度后 , 停机并向沉管内投料 , 然后 启 动 马 达 , 留 振 5 1 0 S后 以 1 2 1 5 m rai n 的 速 度 进 行 拔 管 , 沉 管 拔 出 地 面 , 确 认 成桩符合设计要求后 , 采 用 混 凝 土 材 料 封 顶 。振 动 沉 管 施 工 现 场 如 图 3 所示 。 试 验 所 用 振 动 沉 管 的夹桩器为单夹, 沉桩时 部分桩体 出现倾斜 现象, 垂 直度基 本 为 3 6 , 其 中 1号 桩 倾 斜 最 严 重 , 桩体垂直度仅 为 1 3 5 9 6 , 属于成 桩质 量较 差 的试 桩 , 不 对 其进 行后 续 静 载 图 3振动沉
25、管施工现场 Fi g 3 Con s t r u c t i o n S i t e o f Vi b r a t i o n Pi pe S i nki ng 试验 。实 测各试桩 长 度为 8 8 5 m, 其 中 2号 桩 桩 长 为 8 2 m, 3号桩 桩长 为 8 3 m。对 成桩 用混凝 土 取 样制 成 试 件 , 实 测 室 内 养 护 2 8 d抗 压 强 度 为 1 6 8 1 MP a , 2 8 d水 下抗压 强度 为 1 3 0 6 MP a 。 2试验 结果及分析 2 1超孔 隙水压 力结 果分析 2 1 1 超 孔 隙 水 压 力 累积 沉 管 自地 面 下 沉
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