濕陷性黃土區鐵路樁基試驗研究

黃世斌

(廣西工學院 土木建筑工程系，廣西 柳州545006)

濕陷性黃土中的樁基受力機理與負摩阻力是黃土地區樁基設計的重要問題［1－3］。鄭州—西安鐵路修建通過大量濕陷性黃土地區，其橋梁基礎主要采用鉆孔灌注樁，設計樁長均為50～60 m，國內外對濕陷性黃土區樁基開展了大量的現場試驗研究，但絕大多數樁長較短，濕陷性黃土層較薄［4－6］，如何合理評價黃土濕陷性對鐵路樁基承載力及變形的影響，目前國內還處于研究階段。據文獻[7] 在自重濕陷性黃土場地進行樁基設計時，不僅不能計入自重濕陷地層的正側摩阻力，還要扣除負摩阻力，這使樁長大大增加，投資亦大量增加。故現場選定典型地段進行樁基浸水載荷試驗，對濕陷性黃土產生的樁基影響進行全面分析，為濕陷性黃土地基處理及樁基方案的優化提供相關參數和設計依據。

1 工程地質條件

試驗工點位于三門峽市大橋鎮，地貌單元為黃河二級階地，現為農田，地勢較平緩，境內地表主要以黃土出露為主，未見基巖。其中本場地樁長范圍內地層劃分主要為:松散砂質黃土(深度0～16 m)、中密砂質黃土(深度16～33 m)、粉砂(深度 33～36 m)、粉土(深度 36～38 m)、粉砂(深度 38～41 m)、粉土(深度41～45 m)、粉砂(深度 45～52 m)、粉土(深度 52～56 m)、細砂夾少量圓礫(深度56～60 m)。其中具有自重濕陷性的土層主要在5～29 m，根據探井的室內試驗資料計算得出的濕陷量 Δs分別為575.3 mm和585.2 mm，自重濕陷量Δzs分別為349.2 mm和336.4 mm，該場地濕陷性黃土地基的濕陷等級為 II級(中等)[7]。

2 試驗方法與內容

2.1 試驗方法

本次樁基浸水載荷試驗共布置5根試樁(S1－S5)，12根錨樁，試樁及錨樁均布置在試驗坑內。試樁中，S2、S4試樁樁長為 50 m，其余樁長為 60 m，試、錨樁直徑均為800 mm。S1、S2、S5試樁混凝土強度等級為C45，S3、S4試樁混凝土強度等級為 C35，錨樁混凝土強度等級為C25。試樁鋼筋籠主筋為16φ22 mm，錨樁鋼筋籠為19φ28 mm。試驗中采用瑞士Solexperts公司生產的滑動測微計進行樁體微應變的測量。

2.2 試驗內容

2.2.1 天然狀態下單樁豎向抗壓靜載試驗

分別對S1、S2試樁進行豎向抗壓靜載試驗，測試各級載荷下樁身軸向應變，分析計算天然狀態下單樁側摩阻力、端阻力等設計參數。

2.2.2 飽和狀態下單樁豎向抗壓靜載試驗

分別對 S3、S4試樁在天然狀態下，浸水(不飽和)、設計工作載荷下，飽和狀態、極限載荷下進行單樁豎向抗壓靜載試驗，測定各級壓力下樁頂沉降及樁身應力、分析負摩阻力變化規律及飽和狀態下有關設計參數。對S5試樁在浸水(不飽和)、無載荷，飽和、分級加載至極限載荷下進行單樁豎向抗壓靜載試驗，測定各級壓力下樁頂沉降及樁身應力、分析負摩阻力變化規律及飽和狀態下有關設計參數。

3 試驗成果及分析

3.1 天然狀態下單樁豎向抗壓靜載試驗

圖1為S1試樁樁身軸力沿樁長分布曲線。從圖1可見，在樁頂載荷作用下，試樁樁身軸力均隨樁長的增加而遞減，反映出摩擦樁的特征。試樁終止載荷下樁端受力很小，都不足樁頂載荷的10%。圖2為 S1試樁側摩阻力沿樁長分布曲線。從圖2可見，試樁的側摩阻力沿樁長分布呈“單峰狀”，側摩阻力峰值隨樁頂載荷的增大而增大，試樁中峰值側摩阻力位置隨載荷增加而不斷下移，且樁越長，移動幅度越大。

圖1 S1試樁樁身軸力沿樁長分布曲線

圖2 S1試樁側摩阻力沿樁長分布曲線

圖3為不同樁頂載荷作用下試樁端阻力曲線。從圖3可見，當端阻力產生作用后，端阻力占樁頂載荷比例隨樁頂載荷增加而有所增加，但總體幅度有限。端阻力受載荷及樁長共同影響，兩試樁當載荷超過9 600 kN時，端阻力增加變快。

3.2 飽和狀態下單樁豎向抗壓靜載試驗

3.2.1 負摩阻力變化規律

圖3 不同樁頂載荷作用下試樁端阻力曲線

圖4為S3試樁在浸水過程中側摩阻力沿樁長分布變化曲線，由圖4可見樁負摩阻力在浸水過程中產生明顯，隨浸水時間的延長逐漸增大，在“浸水后”加壓過程中，負摩阻力未立即消失，其變化是一個漸變過程，隨加壓級別的增加，中性點逐漸向上移動，負摩阻力逐漸減小。S3試樁加壓至9 000 kN時、S4試樁加壓至7 000 kN時、S5試樁加壓至8 400 kN時，其樁側上部負摩阻力均變為正摩阻力。從總體形態上看，當負摩阻力消除后，各樁側摩阻力沿樁長的分布均呈“單峰狀”。試樁S3峰值位置保持在36 m左右;試樁S4峰值位置保持在32 m左右;試樁S5峰值位置保持在42 m左右。側摩阻力峰值隨樁頂荷載的增大而增大。

圖4 S3試樁浸水過程中側摩阻力沿樁長分布變化曲線

試驗中“預濕”(S5試樁)和“后濕”(S3、S4試樁)兩種工況下“浸水期”的負摩阻力均隨浸水時間的延長逐漸增大，但兩種工況下的負摩阻力值有較大差異。將統計出的負摩阻力發揮值匯于表1。從表1可見，由于S3、S4試樁在“浸水期”是在有荷狀態下，其樁頂的附加沉降量均大于S5試樁，當樁周土發生沉降時，S3、S4試樁的樁土之間的相對位移趨勢較S5試樁小，相應的負摩阻力的效應也較弱，故S3、S4試樁的最大負摩阻力值、負摩阻力平均值和總負摩阻力等指標均小于S5試樁。

3.2.2 極限載荷下樁側摩阻力和樁端阻力

根據試樁浸水加壓過程中側摩阻力沿樁長分布變化曲線，可計算出場地各土層在極限荷載下的側摩阻力和端阻力試驗建議值。另據文獻[8] 結合本場地土層物理力學性質，可得出場地各土層極限側摩阻力和 端阻力的規范值。綜合對比見表2。由表2可見，樁身中上部土層極限側摩阻力試驗建議值比規范值大，下部土層試驗建議值小于規范值。樁基深度范圍內場地極限總側摩阻力試驗建議值大于規范值近18.5%，樁端土層極限端阻力試驗建議值大于規范值67%～85%。可見各土層的承載能力不僅與土的物理力學性質有關，還與埋深及外部載荷形式有關。

表1 負摩阻力發揮值統計表

表2 極限荷載下場地各土層極限側摩阻力及極限端阻力試驗建議值與規范值對比

3.2.3 黃土自重濕陷性對樁基沉降的影響

S3、S4、S5試樁在浸水后發生了較明顯附加沉降，且浸水初期附加沉降速度較大，其后隨浸水時間的增加逐漸減小并趨于穩定。自重濕陷引起的樁頂沉降與樁頂有無載荷有關，但其對樁頂沉降的影響是有限的，而自重濕陷性黃土場地長期浸水對樁基的影響大于正常工作載荷的影響。

4 結論

1)濕陷性黃土區樁基具有典型的摩擦樁特征。濕陷性黃土產生的負摩阻力在一定范圍內對樁基整體承載力具有一定影響，其大小及變化規律與黃土體浸水時間、浸水與加載次序及載荷大小有直接關系。

2)場區黃土體極限側摩阻力與極限端阻力試驗建議值與規范值差異很大，在土體物理力學屬性差別不大的情況下，現場試驗中所產生的各種力學曲線較有代表性。

3)樁基沉降監測顯示，自重性濕陷性黃土場地長期浸水對樁基的影響大于正常工作載荷的影響。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.鄭西客運專線濕陷性黃土地基加固技術研究報告［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司.2009.

[2] 錢鴻縉，羅宇生.濕陷性黃土地基［M］.北京:中國建筑工業出版社，1985.

[3] 劉祖典.黃土力學與工程［M］.陜西:科學技術出版社，1997.

[4] 李大展，滕延京，何頤華，等.濕陷性黃土中大直徑擴底樁垂直承載性狀的試驗研究［J］.巖土工程學報，1994，16(2):11－21.

[5] 黃雪峰，陳正漢，哈雙，等.大厚度自重濕陷性黃土中灌注樁承載性狀與負摩阻力的試驗研究［J］.巖土工程學報，2007，29(3):338－346.

[6] 穆蘭，張煒，胡宇庭.濕陷性黃土鉆孔夯擴擠密樁復合地基參數試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(10):60－62.

[7] 中華人民共和國建設部.GB50025—2004濕陷性黃土地區建筑規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.