黃土震陷引起樁基負摩阻力的一次大型爆破試驗

黃土震陷引起樁基負摩阻力的

一次大型爆破試驗國家自然科學(xué)基金項目“黃土地基抗震陷處理技術(shù)研究”的一部分試驗試驗背景及其研究目的試驗方案設(shè)計試驗獲得的主要結(jié)果對試驗相關(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，天然黃土場地會發(fā)生震陷——黃土震陷性1556年陜西華縣8.5級地震1920年寧夏海原8.5級地震1927年甘肅古浪8.0級地震1995年甘肅永登5.8級地震2003年甘肅民樂-山丹6.1級地震對20m馬蘭黃土層（Q3）7度：<15cm8度：10-50cm9度：30-150cm試驗?zāi)康?.黃土場地震陷時樁基負摩阻力的存在性;2.黃土場地震陷時樁基負摩阻力的衍生過程及其沿樁身的變化規(guī)律;3.爆破地震動下黃土場地的沉降特征。試驗方案設(shè)計試驗場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；實驗場地周圍允許實施爆破工作；場地賠償費用適度交通便利等原則試驗場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。試驗方案（1）試驗觀測試坑直徑30m；沿試坑中軸線布設(shè)直徑800mm、長20m試樁兩根；兩樁相距10m，樁身內(nèi)部，每隔2m成對埋設(shè)應(yīng)變式鋼筋應(yīng)力計，兩根試樁內(nèi)應(yīng)力計的軸面正交。距試坑中心15m附近，直下23m處為藥室；藥室共計30個，每室填藥40kg，藥室兩兩相距3.14m，分15組延時爆破，預(yù)計持續(xù)時間10～12s。試驗方案（2）試坑內(nèi)布設(shè)沉降觀測點97個，試坑外圍布設(shè)沉降觀測點43個，試坑中心附近布設(shè)分層沉降點4個；試坑內(nèi)布置強震儀9臺，樁頂布置強震儀2臺，試坑外圍布置強震儀6臺，爆破地震動衰減場布置強震儀6臺，遠端地震動監(jiān)測布置強震儀2臺。試驗方案設(shè)計剖面圖試驗準(zhǔn)備情況試驗前期準(zhǔn)備工作試樁灌注完工的試樁室內(nèi)常規(guī)土工試驗、震陷試驗黃土土樣挖取波速測試分層沉降觀測點的布置爆破井開挖炸藥填裝炮點井樁夯實回填試樁完整性測試爆破實施前夕安全觀察地點的選定測試儀器的調(diào)試強震儀的架設(shè)試驗預(yù)備工作的開展試驗獲得的主要結(jié)果黃土震陷時場地土層沉降特征；黃土震陷時樁基負摩阻力衍生特征；黃土震陷時樁基負摩阻力沿樁身分布規(guī)律；爆破地震動場地衰減特征。黃土震陷時土層沉降特征本次試驗黃土震陷量最大為33mm，整個場地沉降量自南向北降低，場地中心部分高，外圍低；爆破結(jié)束時，黃土震陷量即可達到土體最終觀測沉降量的50％；黃土震陷發(fā)生后，土體的沉降會經(jīng)歷一個相對緩慢的發(fā)展過程；試驗監(jiān)測表明，黃土震陷的發(fā)展呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢；非飽和黃土發(fā)生震陷時，土體依據(jù)其所處地貌不同，對應(yīng)不盡相同的沉降發(fā)展過程。黃土震陷時土層沉降特征本次試驗黃土震陷量最大為33mm，整個場地沉降量自南向北降低，場地中心部分高，外圍低；爆破結(jié)束時，黃土震陷量即可達到土體最終觀測沉降量的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，土體的沉降會經(jīng)歷一個相對緩慢的發(fā)展過程；非飽和黃土發(fā)生震陷時，土體依據(jù)其所處地貌不同，對應(yīng)不盡相同的沉降發(fā)展過程。紅色十字代表場地中心位置由圖中明顯可以看出，場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爆破過后第2天和第4天的黃土場地沉降黃土震陷后第7天和第9天的土體沉降A(chǔ)、F、K序列沉降觀測點分別位于試驗場地最北端、中心軸線和最南端，由圖可見，這三個典型沉降觀測序列，說明試驗場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、最小沉降量觀測序列土體沉降日增長量的對比，明顯能夠看出沉降量大的觀測點，其沉降增長速度的衰減也較快。黃土震陷時樁基負摩阻力衍生特征黃土震陷時樁基負摩阻力有與黃土濕陷情形下樁基負摩阻力的類似規(guī)律，中性點以上負摩阻力隨深度變化曲線有極值出現(xiàn)；與濕陷時的負摩阻力比較，黃土震陷引發(fā)的樁基負摩阻力其量值更大(樁身平均負摩阻力達54kPa，樁身總的負摩阻力達1654kN)；震陷情形下的樁基負摩阻力表現(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；黃土震陷時樁基負摩阻力沿樁身的最大值亦與場地土層沉降隨深度變化的曲線類型有關(guān)。Ch2Ch4Ch6Ch8Ch10Ch12Ch14Ch16Ch18Ch20Ch3Ch5Ch7Ch9Ch11Ch13Ch15Ch17Ch19Ch2Ch4Ch6Ch8Ch10Ch12Ch14Ch16Ch18Ch20樁身兩側(cè)應(yīng)變響應(yīng)爆破沖擊作用，響應(yīng)強度自樁頂向下增強，至一定深度后，又開始減小。樁身兩側(cè)量值有差異。下圖為樁身不同深度處負摩阻力隨時間的變化，可以看出，爆破及爆破以后的短時間內(nèi)是負摩阻力產(chǎn)生的黃金階段，這也從另一側(cè)面證明，爆破開始后，土體的沉降就開始逐步累積。樁身正摩阻力有與負摩阻力相類似的變化規(guī)律。樁身正負摩阻力對比負摩阻力正摩阻力負摩阻力的這種情形可能與土體各層實際沉降有關(guān)，利用負摩阻力包絡(luò)線，有益于簡化問題。注：其中Start0sec是指爆破起始時刻，S14sec是指爆破過程的時間，A表示爆破后。兩種摩阻力隨時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。此圖將相對稱的應(yīng)力計不同時段摩阻力隨深度的變化情況進行對比。爆破地震動場地衰減特征其中，帶有678字樣的為東西測線上的強震觀測點，1345字樣的為南北測線上的強震觀測點。當(dāng)觀測點布設(shè)距離超過25m后，爆破震動的峰值加速度衰減呈現(xiàn)較強的非線性。EW向試驗場地試坑內(nèi)的地震動明顯高于周邊地方。SN向UD向EW向，紅點是強震儀布設(shè)位置SN向UD向?qū)υ囼炏嚓P(guān)結(jié)果的討論本次試驗爆破誘發(fā)黃土震陷時，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，其自身強度要遠大于黃土浸水濕陷時所能具有的強度，這種高強度使土體沉降受到了更強的制約作用；但從另一方面看，正是這種約束，使得土體沉降時將更多周邊土體的力的作用傳遞給了樁身；本次試驗場地南面臨近陡崖，屬于半自由面，沒有外來土體的過多限制,如果不考慮同一場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)的震陷量定會大些；室內(nèi)震陷試驗預(yù)測的沉降量與場地土體的實際沉降觀測基本相吻合。本次試驗有關(guān)樁基負摩阻力的處理結(jié)果比以前所做黃土濕陷條件下的樁基負摩阻力大得多，這可能是由震陷和濕陷條件下樁基負摩阻力之間衍生、土體強度等差異引起的，也可能有其它尚未發(fā)現(xiàn)的因素在內(nèi)。試驗中強震儀記錄的地震動強度較理論估算的幅值大得多，這為試驗設(shè)計采用的地震動衰減公式的改進提供了契機；從試驗獲得的地震動峰值加速度記錄來看，爆破的實際破壞效應(yīng)與地震的破壞機制差別較大，例如單就加速度記錄值來講，試驗場地應(yīng)該屬于Ⅸ度破壞區(qū)，但是相對于真實土體的震陷量來講，卻只相當(dāng)于Ⅶ度破壞。結(jié)論黃土震陷時樁基負摩阻力確實是存在的，并且比濕陷時更大，平均為其1.33倍。應(yīng)該在黃土地區(qū)樁基設(shè)計中予以考慮。試驗獲得的負摩阻力衍生過程與沿樁身的分布規(guī)律為黃土地區(qū)樁基抗震設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。爆破地震動對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。實驗結(jié)果的應(yīng)用向甘肅省工程界專家開放試