预制桩处理黄河冲积地层中液化效应的试验研究

张文斌,李积涛,2,李艾银,华 斌

(1.山东省第一地质矿产勘查院/山东省地质矿产勘查开发局富铁矿找矿与资源评价重点实验室,山东 济南 250100;2.中国海洋大学,山东 青岛 266000)

0 引言

黄河冲积地层存在大量的粉土、粉砂,其在地震工况下易产生液化现象。桩身范围内存在可液化土的地层时,地震作用会使土的抗剪强度迅速减小或完全丧失[1-5]。因此,在单桩承载力设计时,桩的侧摩阻力应考虑液化作用的折减。预制桩因存在挤土效应,使得土体沿桩径向外产生水平位移,挤密作用能够改变原土体的结构,使孔隙比减小、密实度增加,能够大大增加了土体的抗液化能力。通过大量的试验研究[6-14],预制桩成桩前和成桩后的标准贯入试验结果对比,其对粉土和粉砂地层的挤密效果非常明显,挤密后的桩间土其标贯击数会有明显提高。为了进一步研究预制桩对黄河冲积地层中可液化土层的影响效果,本文选取聊城某项目开展试验研究。通过试验评价预制桩对黄河冲积地层中的可液化土层的作用效果。

1 试验区概况

项目区位于聊城江北水城旅游度假区某健康科技园项目,为典型黄河泛滥冲积平原地区,地势较平缓,场地高程最大值33.86 m,最小值33.15 m,相对高差0.71 m。勘察期间,测得地下水位埋深3.40～3.88 m,平均3.75 m,稳定地下水位绝对标高29.7～30.97 m。

根据拟建场地钻探揭露的地层资料及波速测试结果,该场地覆盖层厚度大于50 m,地层的等效剪切波波速为177.6～186.4 m/s。该建筑场地土类型为中软场地土,建筑场地类别为Ⅲ类。抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.15 g,设计地震分组为第二组,特征周期(Ⅲ类场地修正值)为0.55 s。

场地自然地面以下20 m范围内主要土层有9层,分别为①层耕土,厚度0.50～1.20 m;②层粉土,厚度2.00～6.40 m;②-1层粉质黏土,厚度0.50～2.00 m;③层粉质黏土,厚度1.30～4.60 m;③-1层粉砂,局部分布,厚度0.50～2.80 m;④层粉土,厚度0.80～5.80 m;⑤层粉质黏土,厚度1.40～8.40 m;⑤-1层粉土,厚度:0.70～5.00 m;⑥层粉细砂,厚度7.90～18.40 m。其中⑥层粉细砂为桩端持力层,分布较均匀,平均厚度约15 m。试验区代表性地层剖面如图1所示。

黏粒含量是影响粉土液化判别的重要指标,依据规范判别液化公式,采集地表下20 m深度范围内的粉土试样,进行黏粒含量分析,试验场地的各液化粉土地层的黏粒含量百分比在7.40～9.10之间。

根据土工试验指标,第②层粉土、④层粉土、⑤-1层粉土其黏粒含量ρc(%)值分别统计列入表1中所示。

表1 粉土黏粒含量

根据场地前期勘察情况,将桩身范围内的原始土层的标贯数据进行统计结果以及液化等级判别结果列入表2。

表2 原始地层参数表

由表2可知,该场地②层粉土、③-1层粉砂、④层粉土、⑤-1层粉土、⑥层粉细砂均存在不同程度的液化现象,各土层的液化指数ILEi在0.16～5.19之间不等,液化等级判别为轻微。

2 试验方案

试验在4#楼北侧工程桩区域开展。拟建4#楼层高18层,桩基础形式为预制方桩。试验区为5×5试验桩的区域共25棵桩,桩间距4～5 d,纵向桩间距为1 950 mm,横向桩间距为2 250 mm。试验点为S1～S6共6组,分别选取S1～S2纵横桩中心点2组,S3～S4横向间距中点2组以及S5～S6纵向间距中点2组。试验点位置及试验区平面布置见图2。

图2 试验区平面布置图

试验区成桩方式采用静压法沉桩,桩基类型采用同工程桩相同的预应力混凝土实心方桩,控制最大压桩力591 t。设计预应力混凝土实心桩边长为450 mm,桩长19 m。根据相关规范,检测试验工作在静压沉桩后的第10天进行。测试工作采用XY-180型钻机对地层钻探揭露,并在可液化土②层粉土、③-1层粉砂、④层粉土、⑤-1层粉土、⑥层粉细砂进行标准贯入试验,共完成标贯测试点位42个,采取扰动试样24件进行土工试验分析。

3 测试结果分析

试验区工程桩施工结束后,在S1～S6试验点进行钻探揭露地层,分别在可液化地层中进行标准贯入试验。针对对可液化地层成桩后的标贯值N进行分层统计,见表3中。通过规范公式[17],计算液化判别标贯锤击数的临界值Ncr。

(1)

表3 试验测试数据

按公式(1)计算得到各地层的液化临界击数,将临界击数Ncr与实测击数N进行比较,当N≤Ncr时判定为可液化土,当N>Ncr时判定为不液化土。

试验区成桩后,比较N/Ncr其值在1.05～2.30之间且均大于1.0,表明试验区在成桩后液化判别为不液化土。

预制桩成桩以后,挤密作用使得桩间土体受到横向压缩,标贯试验击数提高,用成桩后的标贯击数对土层的液化效应进行判别。原可液化的土层收到挤密作用以后,均判别为不液化土层,见表3所示。

通过对比成桩前后的标贯平均击数的数据,将成桩前后的平均标贯击数分层统计数据以及其增长率绘制成图3中,不难发现其成桩后由于挤密作用使得各层土的标贯击数均有不同程度增高,其平均增长率约在20%左右,其中③-1层粉砂成桩前后增长较高,但因该层为夹层其统计数据偏少,该夹层仅供参考。

图3 成桩前后标贯数据对比

4 经验公式法比较

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(2016年版)推荐的经验公式是工程实践中总结出来打桩前后图形的变化规律,并已在许多工程实例中得到验证。桩间土在打桩以后,其标准贯入击数可按下式计算[17]:

N1=Np+100ρ(1-e-0.3Np)

(2)

式中:N1为打桩后的标贯击数,ρ为预制桩的面积置换率,Np为打桩前的标贯击数。

规范认为,当打入式预制桩或一些其他类型的挤土桩,其桩间距在2.5～4倍的桩径时,桩的数量不低于5×5时,可以计入打桩对土的挤密作用,并考虑其挤密作用对桩间土的有利影响[17]。

按照图2所示,本项目试验区的桩边长为450 mm,桩间距为2 250 mm×1 950 mm,换算其面积置换率ρ=4 502/(2 250×1 950)=0.046。根据试验方案中试验区概况符合经验公式中德基本前提条件。

根据规范推荐的经验公式,选取打桩前的标贯数据(表2)作为原始数据Np,计算打桩后的标贯值N1。经验公式计算打桩后标贯计算数值统计如下表所示。

依据经验公式(2),Np与N1是一条与ρ有关的关系曲线,根据试验区条件换算其面积置换率ρ=0.046,绘制其关系曲线N1如图4所示。将实测的压桩后各地层标贯平均值N实测落入图4的坐标轴中,发现其实测压桩后各土层的标贯数据与经验曲线基本吻合。因经验公式仅针对压桩前后标贯数值的变化统计,未能对不同的地层性质影响进行区分。通过图3可知,粉土地层的压桩后标贯统计数据与经验公式算法吻合度较高,粉砂地层的经验公式算法离散度较粉土稍高。

图4 经验公式与实测数据比较

5 桩侧阻力的提高

依据原勘察报告中提供的桩的极限侧摩阻力标准值,桩身存在可液化土层时,其桩侧摩阻力应进行相应折减,其极限侧摩阻力标准值列入表4中。

表4 桩的极限侧摩阻力标准值

因为挤密作用消除了桩间土的液化效应,使得桩在抗震工况计算的桩侧阻力极限值由1 438.26 KN提高到2 201.76 KN,提高了48%。

6 结语

(1)研究区为典型的黄河冲洪积地貌单元,含有可液化的粉土、粉砂层,选取4#楼工程桩区域范围内进行试验,桩间距4～5 d,面积置换率为0.046。

(2)通过现场试验的方式,对工程桩施工区打桩前后标准贯入试验击数的统计、分类、对比分析,结合室内土工试验黏粒含量的分析,验证了预制桩的挤密作用对处理黄河冲洪积地层液化效应是有效的。

(3)预制桩的挤密作用使得桩身范围内的可液化土层标贯击数升高,其平均增长率约在20%左右。按照压桩后的标贯击数,判定桩身范围内的土层为不液化土。

(4)通过试验实测值与经验公式算法比较,整体吻合度较好,证明经验公式算法比较可靠,但经验公式未能对不同地层进行区分,实测粉土地层较粉砂地层对经验公式的吻合度更好。

(5)因预制桩的挤密作用消除了桩身范围内土层的液化效应,使得抗震工况下单桩承载力得到提高,计算试验区域抗震工况下单桩桩极限侧摩阻力累计提高达到约50%。