自重湿陷性黄土地基中双向螺旋挤土灌注桩负摩阻力的浸水试验研究

∗

负摩阻力的浸水试验研究

(1.兰州有色冶金设计研究院有限公司,兰州　730000;2.甘肃土木工程科学研究院有限公司,兰州　730020)

陈天镭1　谢　飒1　吴　健2

　　摘　要:当前,双向螺旋挤土灌注桩(SDS桩)已在工程中广泛应用。但SDS桩在湿陷性黄土地基中的设

计仍缺乏理论依据,为探究SDS桩在湿陷性黄土地区浸水状态下的力学性状,在强湿陷性黄土场地上开展了的变化特征等力学特性。

　　关键词:双向螺旋挤土灌注桩;湿陷性黄土地区;负摩阻力;浸水载荷试验

双向螺旋挤土灌注桩原位足尺浸水试验,得到了浸水状态下双向螺旋挤土灌注桩桩侧负摩阻力沿桩身传递

　　DOI:10.13204/j.gyjz202006003

IMMERSIONTESTRESEARCHONNEGATIVEFRICTIONRESISTANCEFORSOIL

DISPLACEMENTSCREWPILESINSELF-WEIGHTCOLLAPSIBLELOESSFOUNDATION

(1.LanzhouEngineering&ResearchInstituteofNonferrousMetallurgyCo.,Ltd.,Lanzhou730000,China;

CHENTianlei1　XIESa1　WUJian2

2.GansuCivilEngineeringResearchInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730020,China)

Abstract:Soildisplacementscrew(SDS)pileshavebeenwidelyusedinengineeringfields,butthetheoreticalbasis

ofdesignforSDSpilesincollopsibleloesszoneswasstillabsent.Inordertoexplorethemechanicalpropertiesunder

immersionstates,afull-scaleimmersiontestofmechanicalpropertiesforSDSpileswascarriedout.Thenegative

frictioncharacteristicsoftwo-waySDSpilesalongpileshaftsunderimmersionwereobtained.

Keywords:SDSpile;collapsibleloessarea;negativefrictionalresistance;immersiontest

　　双向螺旋挤土灌注桩(SDS桩)自20世纪90年中得到了广泛应用[1]。工程实践表明:这种桩型具有承载力高、施工速度快,对施工场地污染少,具有

代在欧洲、美洲、亚洲、大亚洋等地区的砂土、粉土、黄土、黏性土、强风化土及人工填土等可压缩性地层

料:上部土层厚度约为39.0m,以下为碎石类土,勘

探深度内未见地下水。

地貌单元属黄河南岸高阶地与黄土梁峁冲沟复合地貌,通过勘探揭露:试验场地地层结构简单,岩土种类不多且比较均匀,岩土层层位稳定,岩土性质变化不大。其岩土工程性状自上而下依次为:填土层,厚0.5m,褐黄色,疏松,

广泛的地层适应性。但是对湿陷性黄土中双向螺旋挤土灌注桩浸水后桩侧负摩阻力的分布及大小尚缺乏足够的研究,尤其对于深厚湿陷性黄土场地,如何保证SDS桩胜任支承高重结构物,仍是目前有待解决的问题。本研究以兰州市榆中县和平镇深厚自重湿陷性黄土场地和兰州新区场地的双向螺旋挤土桩及灌注桩的室外足尺试验为基础,探讨了桩侧负摩阻力的取值,为甘肃省地方行业标准的编写提供参考。1　试验概况

1.1　试验场地基本情况

试验场地位于兰州市榆中县和平镇,地貌单元属于黄河南岸高阶地,地貌单元单一。根据勘探资

IndustrialConstructionVol.50,No.6,2020

一般为耕植土;黄土状粉土层,厚38.0m,浅黄

色,土质较均匀,多孔,稍湿,稍密,坚硬—硬塑状态,属自重湿陷性土层;角砾层,埋深约40m,勘探未穿透。

试验场地黄土状粉土层物理力学指标参见

表1。

∗甘肃省科技计划资助项目(18YF1GA055)。授级高级工程师。

第一作者:陈天镭,男,1963年出生,全国有色金属行业设计大师,教电子信箱:1327984377@qq.com收稿日期:2019-09-27

11工业建筑　2020年第50卷第6期　　

表1　场地土层主要物理力学性质指标

统计值范围值平均值标准差σ变异系数δ

天然密度ρ/1.28~1.801.550.1260.081(g·cm)

-3

干密度ρd/(g·cm)

-3

Table1　Themainphysicalandmechanicalpropertyindexesoftheloess

天然含水量w/%5.1~21.213.504.1050.304

天然孔隙比

e0.805~1.3840.9860.1270.128

液限wL/24.8~26.726.01.0010.038%

塑限wp/16.3~17.517.00.5180.030%

压缩系数a1-2/MPa

-1

1.13~1.501.360.0830.061

0.08~1.160.190.2111.081

2.06~21.9814.395.1840.360

压缩模量Es/MPa

湿陷系数≥0.1330.0480.0320.664

自重湿陷系数≥0.1140.0410.0260.634

200kPa及饱和土自重压力下,湿陷系数δs最大值

　　根据土工试验报告(表2):黄土状粉土层在为0.133,自重湿陷系数δzs最大值为0.114,计算总湿陷量介于1451.3~1498.9mm,自重湿陷量介于

土浸水湿陷特点及变化规律。

浸水试验采用2台大功率水泵供水,供水量为32m2/h,水头高度保持300mm。

试验桩及锚桩设于试坑相对中央部位。坑内外

1土场地152.0,~湿陷等级为1537.9mm。IV该场地为深厚自重湿陷性黄级,湿陷程度很严重。自重湿陷性土层下限深度为33.5周边土质分布较均匀。

m。试验场地自身及

表2　湿陷量计算

Table2　Calculationofcollapsiblesettlements

湿陷土层

计算湿陷量/mm探井号下限深度m/总湿自重

湿陷性评价陷量Δ25.01s湿陷量ΔT11zs

451.3

152.0

自重湿陷性,T2

30.0

1498.9

1537.9

Ⅳ湿陷等级

自重湿级

Ⅳ级

陷性,湿陷等级1.2　试验内容

置11)天然状态下,桩底脱空桩(成孔后在桩底设限正摩阻力m厚草袋或泡沫。

)单桩静载荷试验确定桩侧极沿桩身传递特征2)浸水过程中、负摩阻力随浸水湿陷的变化情况,双向螺旋挤土灌注桩负摩阻力

。1.3　试验方案

试验设三个试验区(图1),其中“整片挤密试验

区”为双向螺旋挤土桩地基设计参数检测区。

注:为探井取样点;D为桩直径。图1　试验分区示意　m

Fig.1　Theschematicdiagramofthetestsite

1.3.1　浸水试验区

浸水试验区为圆形,直径20.0m,面积为314m2

浸水试验,主要测试双向螺旋挤土桩在浸水条。

件下负摩阻力的大小、传递规律,深厚自重湿陷性黄　12

设计了浅层地面观测点、坑内设计了机械式深层观测点。

1.3.2　浸水区试验桩、锚桩分布

浸水坑内试桩,其中FZ1~FZ4采用双向螺旋挤土混凝土灌注桩,FZ5、FZ6采用旋挖钻孔非挤土灌注桩,分别考察挤土和非挤土桩的承载特性。试桩及锚桩布置见图2。

锚桩;

挤土桩;

非挤土桩。

注:锚桩长为39.5FZ1、FZ2长均为m,均为10.直径为10.00m,直径均为800mm,500嵌入持力层mm;FZ3~0.FZ65m长

深;图2　浸水试验区布置平面m,直径均为800　mm。

mmFig.2　Theimmersiontestplan

上述各桩桩身混凝土强度等级均为C40,所用水泥强度等级均不低于42.5R。试桩配筋:主筋8ϕ14通长配置;箍筋,上部2.02.0m以下为ϕ8@200,加劲筋为m螺旋ϕ14@箍筋为2000。ϕ8@浸水

100,

坑内锚桩,均为非挤土成孔钢筋灌注桩,锚桩间距为

5为m,0.桩长皆5为39.5上部2.m。0ϕ8@200。

m锚螺桩m。锚桩桩底进入角砾层深度

旋配箍筋筋主为筋:10ϕ25ϕ8@100,通长2.0配m置,以箍下筋为

:1.3.3　试验装置及读数

试验采用悬吊试桩法———空底试桩桩底空腔

预留施工,钢筋笼底部焊封ϕ795、厚度为20的钢板,钢筋笼下距孔底1mm

编织袋封堵并固定,然后将m钢处筋时笼对整钢体板固边定缘并用

悬吊在支承于已施工好的锚桩的基础梁上,再浇灌

工业建筑　2020年第50卷第6期

混凝土。浇灌过程中,对钢筋笼和混凝土变化情况进行观测,未发现下沉现象,采用油压表及测力环测读桩侧土的下拉荷载,利用锚盒连接试验桩,反力平台由钢梁及两侧锚桩组成。2　试验结果及分析

2.1　天然状态下基桩桩侧正摩阻力试验2.1.1　空底单桩(KZ1~KZ4)桩侧正摩阻力测试

在桩间距为2D、2.5D(D为桩径)的试验区各　　

布置了2根空底桩,共4根桩(KZ1~KZ4)。对其做单桩竖向静载荷试验,测试空底桩侧阻力。试验采用慢速维持荷载法、钢梁锚桩反力装置系统,试验设计按照GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》

进行。实际测试的试验曲线见图3~6。2.1.2　试验情况分析

1)2.0D区空底桩测试。

向最大稳定加荷量3600kN,总沉降量分别为42.36,　　

KZ1、KZ2桩位于2D区,在天然状态下,桩顶竖

a—Q-s曲线;b—s-lgt曲线。图3　KZ1空底单桩静载试验曲线

Fig.3　ThestaticloadtestcurvesofsuspensionsinglepileKZ1

51.36mm,其Q-s曲线上有可判定极限承载力的明

a—Q-s曲线;b—s-lgt曲线。图4　KZ2空底单桩静载试验曲线

Fig.4　ThestaticloadtestcurvesofsinglesuspensionpileKZ2

显陡降段,且桩顶总沉降量超过40mm,即停止加

竖向最大稳定加荷量3300kN,总沉降量KZ3、KZ4

载。试桩单桩竖向极限承载力取Q-s曲线相应于明显陡降起点对应的荷载值,即KZ1、KZ2单桩竖向极限承载力均为3300kN。

分别为51.78,43.29mm,其Q-s曲线上有可判定极

40mm,即停止加载。据Q-s曲线分析,试桩单桩竖

限承载力的明显陡降段,且桩顶总沉降量超过向极限承载力取Q-s曲线相应于明显陡降段起点对应的荷载值,即KZ3、KZ4单桩竖向极限承载力均为3000kN,试验结果见表3所示。

由于KZ1、KZ2试桩没有桩端阻力,根据实测数

据计算得出,在不考虑桩间土挤密的情况下,其桩侧极限正摩阻力平均值为105.1kPa。

2)2.5D区空底桩测试。

KZ3、KZ4桩位于2.5D区,在天然状态下,桩顶

由于KZ3、KZ4试桩没有桩端阻力,根据实测数

据计算得出,桩侧极限正摩阻力平均值为95.5kPa。

通过对2D、2.5D区KZ1~KZ4试桩结果分析对

　13

自重湿陷性黄土地基中双向螺旋挤土灌注桩负摩阻力的浸水试验研究———陈天镭,等

图5　KZ3空底单桩静载试验曲线

a—Q-s曲线;b—s-lgt曲线。

Fig.5　ThestaticloadtestcurvesofsinglesuspensionpileKZ3

图6　KZ4空底单桩静载试验曲线

a—Q-s曲线;b—s-lgt曲线。

Fig.6　ThestaticloadtestcurvesofsinglesuspensionpileKZ4

表3　KZ1~KZ4竖向抗压静载荷试验结果Table3　Verticalcompressionstaticloadtestresults

重湿陷的产生和发展,桩侧的负摩阻力从无到有、从小变大;浸水20~25d时,测力装置测得的数据表

forpileKZ1toKZ4

明各浸水桩负摩阻力达到最大值,处于相对稳定状

承载力

曲线

极限值/

形态

MN

3.33.33.03.0

桩长/桩径/桩间距/桩号

mmmKZ1KZ2KZ3KZ4

20202020

0.50.50.50.5

1.001.001.251.25

桩型空底空底空底空底

最大总沉

加载量/降量/MNmm3.63.63.33.3

态。停水后,桩周土发生固结变形,桩侧负摩阻力迅速增大,停水后第7天达到最大值,各试桩桩侧负摩阻力均较浸水期间的最大值又有增大,具体数值见表4。

表4　浸水期间桩侧负摩阻力检测结果Table4　Measurednegativefrictionresistance

42.36陡降型51.36陡降型51.78陡降型43.29陡降型

比,2D区试桩桩侧极限正摩阻力平均值大于2.5D2.2　浸水状态下挤土桩与非挤土桩桩侧负摩阻力试验结果

吊,其桩侧总负摩阻力、桩侧单位面积负摩阻力变化情况如图7所示。FZ3~FZ6桩的情况与FZ1、FZ2相似,其总的变化规律是:浸水期间,随着桩周土自　14

FZ1、FZ2悬吊桩由两根锚桩通过钢梁固定悬区,相差10.1kPa。

duringimmersion

桩编号FZ1FZ3FZ2FZ4FZ5FZ6

试桩挤土桩挤土桩挤土桩挤土桩非挤土桩非挤土桩类型

桩径/500500800800800800mm

实测447414672656540623

极限桩侧28.4726.3726.7526.1121.5024.80

桩侧负摩阻力平均值/kPa27.4026.4023.10

荷载/kN负摩阻力/kPa

工业建筑　2020年第50卷第6期

图7　FZ1、FZ2号试验桩负摩阻力值随时间变化曲线

a—FZ1号桩;b—FZ2号桩。

Fig.7　Curvesofnegativefrictionvaluesoftestpiles

　　根据试验结果可知:挤土桩桩侧负摩阻力随着负摩阻力大于非挤土桩,说明挤土效应会增大桩的负摩阻力。

2.3　负摩阻力传递特征及随浸水时间的变化情况

随桩周土湿陷变形的发展,上部桩侧正摩阻力逐渐降低,进而产生桩侧负摩阻力;下部桩侧正摩阻力先逐渐发挥作用,后随着桩周土体自重湿陷的向下发展,桩侧正摩阻力减退,并逐渐产生桩侧负摩阻力。负摩阻力与累计相对湿陷量、浸水时间的关系,具体表现为:1)随着累计相对湿陷量(或时间)的增长,负摩阻力先急剧增长、再缓慢增长,后趋于某一稳定值;平均单位负摩阻力最大值的出现需经较长的浸水时间;桩侧正、负摩阻力交界的中性点,也随着桩侧负摩阻力的逐渐增大而下移;2)桩侧负摩阻力沿桩身向下的发展是随浸水时间的延续,自上而下发生和发展的,这一过程也是桩侧正摩阻力减小、消失的过程。

3　结束语

桩径的增加而逐渐减小;在相同条件下,挤土桩平均

摩阻力试验结果中,桩径500mm的挤土桩平均桩

1)浸水饱和状态下,挤土桩和非挤土桩桩侧负

侧负摩阻力为27.4kPa;桩径800mm的挤土桩平均桩侧负摩阻力为26.4kPa;桩径800mm的非挤

土桩平均桩侧负摩阻力为23.1kPa。挤土桩桩侧负

摩阻力随着桩径的增大而逐渐减小;在相同条件下,挤土桩平均桩侧负摩阻力大于非挤土桩。

体得到有效的挤密,桩侧摩阻力得到有效提高,桩间距越小,桩周土挤密效果越好,桩侧摩阻力越高。

因此,合理采用素土挤土桩与混凝土挤土桩组合,可有效消除土的湿陷性,大大提高基桩的承载力,消除“肥桩效应”[2]。

参考文献

[1]　王康.双向螺旋挤土灌注桩(SDS桩)在湿陷性黄土地基中的

应用[J].科技视界,2017(20):83-84.

[2]　陈天镭,牛梦实,谢飒.自重湿陷性黄土地基中双向螺旋挤土

灌注桩的“肥桩效应”及复合地基湿陷系数的变化规律[J].工业建筑,2020,50(6):6-10.

2)在施工过程中,螺旋挤土桩桩端和桩侧的土

《岩土锚固与喷射混凝土支护工程设计施工指南》出版发行

由程良奎、范景伦、李成江、康红普、张孝松等编著的《岩土锚固与喷射混凝土支护工程设计施工指南》已由中国建筑工业出版社出版发行。

域的最新发展,涵括了岩土锚杆与喷射混凝土和锚固结构的基本理论、工作特性、锚固设计、稳定性分析、工锚杆、喷射混凝土、隧道及大型峒室的锚喷支护、煤矿巷道锚杆支护、边坡锚固、深基坑锚固、基础锚固、混凝土坝的锚固、岩土锚杆和锚固的长期性能及安全评价等诸多现实工程课题,是对国家标准GB50086—2015

《指南》总结了我国在岩土锚固与喷射混凝土支护工程设计、施工、科研等方面的经验和国内外在该领

程材料、施工技术、试验、监测、长期工作性能等内容,涉及到预应力岩土锚杆锚索、低预应力锚杆与非预应力

《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》的进一步诠释、解析和深化,有益于提高对岩土锚固和喷射混研单位研究人员参阅。

自重湿陷性黄土地基中双向螺旋挤土灌注桩负摩阻力的浸水试验研究———陈天镭,等

凝土技术的认知,促进其应用和发展,可供土木、水利、建筑和矿业工程界专业人员和高等院校师生及相关科

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