黃土震陷引起樁基負(fù)摩阻力的一次大型爆破試驗(yàn)

黃土震陷引起樁基負(fù)摩阻力的

一次大型爆破試驗(yàn)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“黃土地基抗震陷處理技術(shù)研究”的一部分試驗(yàn)試驗(yàn)背景及其研究目的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)獲得的主要結(jié)果對(duì)試驗(yàn)相關(guān)結(jié)果的討論與結(jié)論黃土地基的工程病害黃土地基遇水濕陷——濕陷性，并形成了第四代《濕陷性地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025－2004）

樁基成為黃土地區(qū)廣泛使用的基礎(chǔ)形式。在地震作用下，天然黃土場(chǎng)地會(huì)發(fā)生震陷——黃土震陷性1556年陜西華縣8.5級(jí)地震1920年寧夏海原8.5級(jí)地震1927年甘肅古浪8.0級(jí)地震1995年甘肅永登5.8級(jí)地震2003年甘肅民樂(lè)-山丹6.1級(jí)地震對(duì)20m馬蘭黃土層（Q3）7度：<15cm8度：10-50cm9度：30-150cm試驗(yàn)?zāi)康?.黃土場(chǎng)地震陷時(shí)樁基負(fù)摩阻力的存在性;2.黃土場(chǎng)地震陷時(shí)樁基負(fù)摩阻力的衍生過(guò)程及其沿樁身的變化規(guī)律;3.爆破地震動(dòng)下黃土場(chǎng)地的沉降特征。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)場(chǎng)地的選擇黃土層厚度適中，樁端可設(shè)置在非震陷土層上；樁周土層具有明顯的震陷性；實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地周?chē)试S實(shí)施爆破工作；場(chǎng)地賠償費(fèi)用適度交通便利等原則試驗(yàn)場(chǎng)地選定在甘肅省臨洮縣太石鎮(zhèn)李家灣村

村北李家灣坪南緣。試驗(yàn)方案（1）試驗(yàn)觀測(cè)試坑直徑30m；沿試坑中軸線布設(shè)直徑800mm、長(zhǎng)20m試樁兩根；兩樁相距10m，樁身內(nèi)部，每隔2m成對(duì)埋設(shè)應(yīng)變式鋼筋應(yīng)力計(jì)，兩根試樁內(nèi)應(yīng)力計(jì)的軸面正交。距試坑中心15m附近，直下23m處為藥室；藥室共計(jì)30個(gè)，每室填藥40kg，藥室兩兩相距3.14m，分15組延時(shí)爆破，預(yù)計(jì)持續(xù)時(shí)間10～12s。試驗(yàn)方案（2）試坑內(nèi)布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)97個(gè)，試坑外圍布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)43個(gè)，試坑中心附近布設(shè)分層沉降點(diǎn)4個(gè)；試坑內(nèi)布置強(qiáng)震儀9臺(tái)，樁頂布置強(qiáng)震儀2臺(tái)，試坑外圍布置強(qiáng)震儀6臺(tái)，爆破地震動(dòng)衰減場(chǎng)布置強(qiáng)震儀6臺(tái)，遠(yuǎn)端地震動(dòng)監(jiān)測(cè)布置強(qiáng)震儀2臺(tái)。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)剖面圖試驗(yàn)準(zhǔn)備情況試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作試樁灌注完工的試樁室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)、震陷試驗(yàn)黃土土樣挖取波速測(cè)試分層沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置爆破井開(kāi)挖炸藥填裝炮點(diǎn)井樁夯實(shí)回填試樁完整性測(cè)試爆破實(shí)施前夕安全觀察地點(diǎn)的選定測(cè)試儀器的調(diào)試強(qiáng)震儀的架設(shè)試驗(yàn)預(yù)備工作的開(kāi)展試驗(yàn)獲得的主要結(jié)果黃土震陷時(shí)場(chǎng)地土層沉降特征；黃土震陷時(shí)樁基負(fù)摩阻力衍生特征；黃土震陷時(shí)樁基負(fù)摩阻力沿樁身分布規(guī)律；爆破地震動(dòng)場(chǎng)地衰減特征。黃土震陷時(shí)土層沉降特征本次試驗(yàn)黃土震陷量最大為33mm，整個(gè)場(chǎng)地沉降量自南向北降低，場(chǎng)地中心部分高，外圍低；爆破結(jié)束時(shí)，黃土震陷量即可達(dá)到土體最終觀測(cè)沉降量的50％；黃土震陷發(fā)生后，土體的沉降會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)緩慢的發(fā)展過(guò)程；試驗(yàn)監(jiān)測(cè)表明，黃土震陷的發(fā)展呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢(shì)；非飽和黃土發(fā)生震陷時(shí)，土體依據(jù)其所處地貌不同，對(duì)應(yīng)不盡相同的沉降發(fā)展過(guò)程。黃土震陷時(shí)土層沉降特征本次試驗(yàn)黃土震陷量最大為33mm，整個(gè)場(chǎng)地沉降量自南向北降低，場(chǎng)地中心部分高，外圍低；爆破結(jié)束時(shí)，黃土震陷量即可達(dá)到土體最終觀測(cè)沉降量的50％；黃土震陷發(fā)生后，黃土震陷的發(fā)展呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢(shì)，土體的沉降會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)緩慢的發(fā)展過(guò)程；非飽和黃土發(fā)生震陷時(shí)，土體依據(jù)其所處地貌不同，對(duì)應(yīng)不盡相同的沉降發(fā)展過(guò)程。紅色十字代表場(chǎng)地中心位置由圖中明顯可以看出，場(chǎng)地中心以南部位沉降最為顯著，而且發(fā)展較其它位置更加迅速。N爆破過(guò)后第2天和第4天的黃土場(chǎng)地沉降黃土震陷后第7天和第9天的土體沉降A(chǔ)、F、K序列沉降觀測(cè)點(diǎn)分別位于試驗(yàn)場(chǎng)地最北端、中心軸線和最南端，由圖可見(jiàn)，這三個(gè)典型沉降觀測(cè)序列，說(shuō)明試驗(yàn)場(chǎng)地土體震陷由南向北依次減弱。以上兩圖分別為試坑內(nèi)、試坑外圍的最大、最小沉降量觀測(cè)序列土體沉降日增長(zhǎng)量的對(duì)比，明顯能夠看出沉降量大的觀測(cè)點(diǎn)，其沉降增長(zhǎng)速度的衰減也較快。黃土震陷時(shí)樁基負(fù)摩阻力衍生特征黃土震陷時(shí)樁基負(fù)摩阻力有與黃土濕陷情形下樁基負(fù)摩阻力的類(lèi)似規(guī)律，中性點(diǎn)以上負(fù)摩阻力隨深度變化曲線有極值出現(xiàn)；與濕陷時(shí)的負(fù)摩阻力比較，黃土震陷引發(fā)的樁基負(fù)摩阻力其量值更大(樁身平均負(fù)摩阻力達(dá)54kPa，樁身總的負(fù)摩阻力達(dá)1654kN)；震陷情形下的樁基負(fù)摩阻力表現(xiàn)出與震陷快速發(fā)生而后按指數(shù)規(guī)律衰減相適應(yīng)的衍生特征；黃土震陷時(shí)樁基負(fù)摩阻力沿樁身的最大值亦與場(chǎng)地土層沉降隨深度變化的曲線類(lèi)型有關(guān)。Ch2Ch4Ch6Ch8Ch10Ch12Ch14Ch16Ch18Ch20Ch3Ch5Ch7Ch9Ch11Ch13Ch15Ch17Ch19Ch2Ch4Ch6Ch8Ch10Ch12Ch14Ch16Ch18Ch20樁身兩側(cè)應(yīng)變響應(yīng)爆破沖擊作用，響應(yīng)強(qiáng)度自樁頂向下增強(qiáng)，至一定深度后，又開(kāi)始減小。樁身兩側(cè)量值有差異。下圖為樁身不同深度處負(fù)摩阻力隨時(shí)間的變化，可以看出，爆破及爆破以后的短時(shí)間內(nèi)是負(fù)摩阻力產(chǎn)生的黃金階段，這也從另一側(cè)面證明，爆破開(kāi)始后，土體的沉降就開(kāi)始逐步累積。樁身正摩阻力有與負(fù)摩阻力相類(lèi)似的變化規(guī)律。樁身正負(fù)摩阻力對(duì)比負(fù)摩阻力正摩阻力負(fù)摩阻力的這種情形可能與土體各層實(shí)際沉降有關(guān)，利用負(fù)摩阻力包絡(luò)線，有益于簡(jiǎn)化問(wèn)題。注：其中Start0sec是指爆破起始時(shí)刻，S14sec是指爆破過(guò)程的時(shí)間，A表示爆破后。兩種摩阻力隨時(shí)間的變化具有非常相似的規(guī)律。樁身的偏心受力，與樁周土體的差異性沉降直接相關(guān)，容易致使樁體受力復(fù)雜，分析困難。此圖將相對(duì)稱(chēng)的應(yīng)力計(jì)不同時(shí)段摩阻力隨深度的變化情況進(jìn)行對(duì)比。爆破地震動(dòng)場(chǎng)地衰減特征其中，帶有678字樣的為東西測(cè)線上的強(qiáng)震觀測(cè)點(diǎn)，1345字樣的為南北測(cè)線上的強(qiáng)震觀測(cè)點(diǎn)。當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)距離超過(guò)25m后，爆破震動(dòng)的峰值加速度衰減呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性。EW向試驗(yàn)場(chǎng)地試坑內(nèi)的地震動(dòng)明顯高于周邊地方。SN向UD向EW向，紅點(diǎn)是強(qiáng)震儀布設(shè)位置SN向UD向?qū)υ囼?yàn)相關(guān)結(jié)果的討論本次試驗(yàn)爆破誘發(fā)黃土震陷時(shí)，表現(xiàn)出了非常明顯的不均勻沉降特征；非飽和黃土震陷時(shí)，其自身強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于黃土浸水濕陷時(shí)所能具有的強(qiáng)度，這種高強(qiáng)度使土體沉降受到了更強(qiáng)的制約作用；但從另一方面看，正是這種約束，使得土體沉降時(shí)將更多周邊土體的力的作用傳遞給了樁身；本次試驗(yàn)場(chǎng)地南面臨近陡崖，屬于半自由面，沒(méi)有外來(lái)土體的過(guò)多限制,如果不考慮同一場(chǎng)地不同位置黃土物理力學(xué)參數(shù)的不均勻性，相比其它位置，臨近陡崖這一側(cè)的震陷量定會(huì)大些；室內(nèi)震陷試驗(yàn)預(yù)測(cè)的沉降量與場(chǎng)地土體的實(shí)際沉降觀測(cè)基本相吻合。本次試驗(yàn)有關(guān)樁基負(fù)摩阻力的處理結(jié)果比以前所做黃土濕陷條件下的樁基負(fù)摩阻力大得多，這可能是由震陷和濕陷條件下樁基負(fù)摩阻力之間衍生、土體強(qiáng)度等差異引起的，也可能有其它尚未發(fā)現(xiàn)的因素在內(nèi)。試驗(yàn)中強(qiáng)震儀記錄的地震動(dòng)強(qiáng)度較理論估算的幅值大得多，這為試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用的地震動(dòng)衰減公式的改進(jìn)提供了契機(jī)；從試驗(yàn)獲得的地震動(dòng)峰值加速度記錄來(lái)看，爆破的實(shí)際破壞效應(yīng)與地震的破壞機(jī)制差別較大，例如單就加速度記錄值來(lái)講，試驗(yàn)場(chǎng)地應(yīng)該屬于Ⅸ度破壞區(qū)，但是相對(duì)于真實(shí)土體的震陷量來(lái)講，卻只相當(dāng)于Ⅶ度破壞。結(jié)論黃土震陷時(shí)樁基負(fù)摩阻力確實(shí)是存在的，并且比濕陷時(shí)更大，平均為其1.33倍。應(yīng)該在黃土地區(qū)樁基設(shè)計(jì)中予以考慮。試驗(yàn)獲得的負(fù)摩阻力衍生過(guò)程與沿樁身的分布規(guī)律為黃土地區(qū)樁基抗震設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。爆破地震動(dòng)對(duì)黃土土體的變形破壞作用與天然地震作用存在著一定差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用向甘肅省工程界專(zhuān)家開(kāi)放試