既有基础螺旋桩顶升纠偏机理透明土试验

2022-09-23孙智文孔纲强付贵海王文明胡达张根宝

铁道科学与工程学报 2022年8期

孙智文，孔纲强，付贵海，王文明，胡达，张根宝

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室，江苏南京 210098；2.湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳 413000；3.山东建筑大学土木工程学院，山东济南 250101)

随着社会经济的持续发展与基础设施建设进程的加快，建(构)筑物的数量不断增加[1]。建(构)筑物在正常使用的过程中，受地质灾害的影响或因勘察设计、施工、管理和使用方法不当等方面的影响造成地基整体沉降或不均匀沉降，导致其基础发生倾斜或破坏，对上部结构安全构成了严重威胁[2-3]。既有建(构)筑物基础纠偏与加固技术是建(构)筑物倾斜纠正的重要有效手段之一，也是现代建筑技术中的一个重要分支，对古建筑保护等具有重要意义[4]。微型桩以其施工速度快、场地适应性强、轴向承载力高和工程造价相对较低等技术优点，在既有建(构)筑物基础纠偏等工程中得到了广泛应用[5-6]。意大利LIZZI等采用钻孔注浆施工工艺制作微型钢管桩，应用于意大利St Andrew’s Church和Naplas市政府办公楼的加固，以及Venice的Burano钟楼基础的加固止倾[7]。SADEK等[8]基于数值模拟研究了桩-网复合系统中倾斜微型桩在水平向及倾斜向荷载下的承载特性。高森亚[9]研究了微型钢管桩在工程应用中的设计方案及施工方法，并对其受力特点进行了具体分析，结合工程经验补充完善了理论设计上的不足。董天文等[10-11]针对输电工程中的螺旋桩基础，研究了螺旋桩的极限承载力和荷载传递机理。螺旋桩作为微型桩的一种，不仅施工方便，而且相比于直线形桩，螺旋桩改变了桩-土相互作用机理，其叶片增加了与土体之间的嵌合力，可以有效提高桩基竖向抗压和抗拔承载力，相同承载要求下可以适当减少桩长或桩径以降低工程成本，在输变线塔基础、风电基础等既有基础纠偏和加固工程应用方面具有广阔的推广前景。然而，既有基础环境下利用螺旋桩顶升纠偏的作用机理尚不清楚。基于透明土材料和PIV数字图像处理技术的透明土试验技术，可以非嵌入式可视化观测土体内部位移场，并在桩基沉桩过程、桩-土相互作用等方面获得有效应用[12-14]。因此，依托实际工程案例，开展螺旋桩顶升纠偏既有基础的透明土试验，分析既有基础环境下螺旋桩沉桩过程中的挤土效应，探讨顶升法纠偏过程中的既有基础下部土体位移场、基础变形、作用机理以及纠偏效果，以期为实际既有建筑基础纠偏加固工程的设计与施工提供参考依据。

1 模型试验简介

1.1 依托工程背景

依托于连云港振兴花卉市场内输电线路杆塔基础纠偏工程[3]。输电杆总高度31m，基础形式为3阶钢筋混凝土独立基础，基底尺寸为4.8 m×4.8m，基础总高度1.8m，埋深1.5m，基础及设备总重量约55 t。该输电杆在运行过程中，输电杆顶部向北偏移1.54m，向东偏移0.62m，该纠偏工程采用102mm直径后注浆直线形微型钢管桩，在基础东、西、北三侧加装牛脚，各布置4根桩进行顶升纠偏。其倾斜情况及顶升纠偏设计平面图如图1所示。

图1 输电杆倾斜情况及顶升纠偏设计平面图Fig.1 Leaning of transm ission pole and design plan of jacking rectification

1.2 模型试验装置及材料

模型试验装置与设备主要包括自动沉桩加载仪、模型槽、CCD高速工业相机、激光仪器、手持电钻、万向水准仪和计算机。

自动沉桩加载仪压杆升降范围为0～200mm，升降速度为0～5mm/s；电钻转速为0～20 r/s；模型槽由有机玻璃制成，槽内腔尺寸为200 mm×200mm×250mm，壁厚为10mm；激光源输出功率为0～2W，片光厚度为0～1mm，出光张角为10°～25°，照射于透明土样可形成一激光剖面，显示出特有散斑场。模型试验装置及布置实物图如图2所示。

图2 模型试验装置及布置实物图Fig.2 Model testdevice and layout

独立基础模型和螺旋桩模型分别如图3(a)和3(b)所示，依托实际工程及试验条件进行缩尺，简化模型基础尺寸为70mm×70mm×10mm，由高强度有机玻璃制作而成；螺旋桩模型以一种原型桩(杆径150mm，叶片直径为300mm)按1︰30缩尺，桩体直径d为5mm，叶片直径为10mm，螺纹倾角为15°，桩尖角度为30°，桩长为115mm，由树脂材料3D打印而成；小型液压千斤顶由加载仪和3支注射器构造而成。倾斜纠偏示意图如图3(c)所示，基础上部结构设计总荷载为100 N，上部结构与基础组合为刚性整体，基础埋深为10mm，模型结构整体向基础一侧倾斜，初始倾角θ为5°。

图3 模型制作及倾斜纠偏示意图Fig.3 Design ofmodeland diagram of rectification

所用透明土材料由熔融石英砂、正12烷和15号白油制配而成。透明土相对密实度为60%，粒径范围为0.5～1.0mm，折射率为1.458 5，基本性质具体见表1所示。孔隙液体采用正12烷和15号白油混合制成，利用阿贝折射仪测定混合液体折射率，调配至与熔融石英砂具有相同的折射率。

表1 试验所用熔融石英砂基本性质Table 1 Basic propertiesofmolten quartz sand used in the test

1.3 试验方案与工况设计

螺旋桩受压承载力由3部分组成，分别为螺旋桩与土体之间的摩擦力、螺旋叶片之间圆柱形剪切面上的剪应力、最下层叶片的“端阻力”，当叶片数为1时，可视作多叶片的特殊情况，即螺旋叶片之间圆柱形剪切面上的剪应力为0，具体螺旋桩单桩极限承载力如式(1)所示。

式中：h为螺旋桩入土深度；d为螺旋桩直径；γ为土体重度；φ为土体内摩擦角；N为待定参数；当D>600mm时，N=6；当300mm

顶升桩位数量由式(2)确定。

式中：r为杠杆系数，一般取0.5；K为顶升安全系数，一般取1.5；Qk和Quk分别为建筑物总荷载和单桩极限承载力。

经设计计算，开展整体结构自重为100 N，基础埋深为10mm，初始倾角θ为5°的螺旋桩顶升纠偏模型试验，具体试验方案与工况设计见表2所示，桩位及监测点布置形式如图4所示。测得既有基础环境下沉桩入土深度分别为8d和16d时的桩周土体位移场，及纠偏过程中结构物倾角分别为3°和0°时的基础下土体扰动情况，监测既有基础上各监测点位移变化规律。

图4 桩位及监测点布置形式Fig.4 Layoutofmonitoring pointsand piles

表2 试验方案与工况设计Table 2 Testscheme and working conditions

2 试验结果与分析

2.1 沉桩挤土效应

图5(a)和5(b)分别为既有独立基础环境下沉桩深度为8d与16d时桩侧位移矢量图。由图5可知，螺旋桩沉桩过程中不同时刻均主要表现为无基础一侧的桩侧土体的位移，位移方向为斜向上方向，与曹兆虎等[13]所开展的沉桩挤土效应试验中桩周土体经典位移场规律相似；既有独立基础下土体位移相对较小；既有基础侧贴近桩身处的土体以向上运动为主，最后表现为基础与桩之间土体的隆起。桩侧的土体随着螺旋桩沉桩深度的增加，位移不断累积，影响范围也向水平和竖直方向拓展；图5(b)中螺旋叶片处的土体位移方向与桩身轴线相垂直，螺旋叶片以下桩端土体呈斜向下的微小位移，主要因为沉桩下压力随着沉桩深度的增加不断增加，该区域土体受到向下挤压的作用及拖曳效应。

图5 不同沉桩深度桩侧土体位移矢量图Fig.5 Soildisplacementvector diagram of differentpile sinking depths

沉桩过程中桩侧土体的水平位移与竖向位移云图分别如图6和7所示；图6(a)，6(b)，图7(a)和7(b)分别为沉桩深度为8d和16d时水平方向和竖直方向位移云图。对比可知，随着沉桩深度的增加，桩侧水平方向位移与竖直方向位移均有所增大，向深度方向延伸，最大位移出现位置均在无基础一侧桩身中上部；在水平方向，沉桩过程土体扰动最大影响范围约为55mm(11d)，位于无基础一侧。由图7(b)可知，沉桩深度为16d时，在竖直方向，桩端及螺旋叶片处出现了明显的分界，形成了类似于人体鼻腔的“鼻锥区”，即该区域土体在螺旋桩沉桩过程中随着螺旋叶片一同下沉，这与WHITE等[15]发现一致；沉桩深度为8d时没有出现，主要由于沉桩深度较浅时沉桩阻力较小，螺旋桩以旋入为主，且桩端部存在30°的桩尖角度，故桩端处主要表现为刺入挤土，土体在水平方向受到挤压。

图6 沉桩深度为8d时桩侧土体位移云图Fig.6 Cloudmap of soil displacementwhen pile sinking depth is8d

图7 沉桩深度为16d时桩侧土体位移云图Fig.7 Cloudmap of soildisplacementwhen pile sinking depth is16d

2.2 纠偏过程中基础下土体扰动情况

纠偏过程中不同时刻既有独立基础下土体位移场变化分别如图8(a)和8(b)所示；通过对比纠偏过程中基础倾角为3°和0°时的位移矢量图变化，可以得到以下规律：由图8(a)可知，倾角为3°时基础下的土体大致呈以基础中心为圆心的圆弧状运动趋势，运动方向与基础纠偏转动方向大致相同，从沉降较小一侧(右侧)向沉降较大一侧(左侧)运动；主要由于结构物基础纠偏过程中基底压力的重新分布，导致右侧基底压力增大，土体呈斜向下运动趋势；基础抬升一侧(左侧)土体竖向应力得到释放，该侧土体由于受到右侧土体位移的挤压和基底压力的释放，土体呈向斜上运动的趋势，表现为地表土体隆起；基础转动轴线所在竖直平面下的土体以水平向位移为主，主要表现为右侧土体运动时的挤压作用。由图8(b)可知，基础抬升侧(左侧)与右侧的土体分别为斜向上的位移与斜向下的位移，运动规律与基础倾角为3°时的结果大致相同。

图8 纠偏过程不同时刻基础下土体位移矢量图Fig.8 Soildisplacementvectoratdifferentperiod of the rectification

图9(a)，9(b)和图10(a)，10(b)分别为纠偏过程中基础倾角为3°和0°时的水平方向和竖直方向位移云图。由图9(a)和10(a)可知，纠偏过程中基础下土体水平位移大致呈半圆形向深度方向拓展，影响范围不断增大。由图9(b)和10(b)可知，土体的竖向位移主要集中在基础的抬升侧(左侧)和相对侧(右侧)，抬升侧土体向上位移，另一侧相反。对比二者可知，纠偏过程中基础下土体位移是一个不断累积的过程，随着纠偏角度的增加，土体水平位移和竖直位移均有所增大；纠偏全过程中最大水平位移大致出现在基础转动轴线所在竖直平面及偏右处；既有基础顶升纠偏过程中沿深度方向对土体的最大影响范围在40mm(0.57B)左右(B为基础宽度)。由于螺旋桩埋深较深，桩体刚度、承载力储备较大，且有螺旋叶片的锚固作用，实测桩顶位移接近于0可忽略不计。

图9 倾角θ为3°时位移云图Fig.9 Cloudmap when the inclinationθis3°

图10 倾角θ为0°时位移云图Fig.10 Cloudmap when the inclinationθis0°

2.3 基础位移情况

既有基础上监测点J1，J2和J3随倾角θ的位移变化如图11(a)和11(b)所示；约定以向上的位移和向左的位移为正。由图11可知，纠偏过程中各点位移随倾角基本上呈线性变化，J1点最终达到了约2.9mm的竖直位移量，为设计顶升量的50%左右，主要由于该独立模型基础下的透明土具有一定的流动性与压缩性，故实际顶升量应小于设计顶升量；J2最终向左位移1.62mm；J3最终达到了约-2.3mm的竖向位移，J2和3的位移变化曲线同样也说明了该透明土具有流动性与压缩性这一特点；J1和J3的位移变化证实了前文所说该土质条件下既有基础在纠偏过程中绕着某一转动轴转动的特点。