膨脹土中基樁脹拔力原型試驗研究

吳志偉，宋漢周，王宏宇，劉長吉，姜 勇

（1. 東北電力設計院，長春 130033；2. 河海大學 地球科學與工程學院，南京 210098）

1 引 言

對于膨脹土地區的建筑物，為了減小因膨脹土脹縮對建筑物產生的破壞，常采用樁基礎。膨脹土吸水膨脹會產生脹切力，這種沿樁側分布的脹切力會使樁身受到脹拔力，若脹拔力過大，會將樁拉裂，甚至將樁拉斷，因此，在樁基礎設計中將其視為不利荷載之一。

膨脹土的物理性質與其含水率關系密切[1]，在自然條件下，氣象因素（主要是大氣降水引起土壤含水率的變化）對膨脹土的脹縮特性起到控制作用[2]。對于膨脹土中的樁基，現行規范[3]要求驗算樁端進入大氣影響急劇層以下或非膨脹土層中的深度，計算時需確定大氣急劇影響層內樁側土的極限脹拔力，而基于土體本構模型的理論計算將涉及較多參數。實際工程中推薦采用現場試驗來確定極限脹拔力，即通過樁的浸水脹拔力試驗得到。

關于膨脹土中的樁土作用效應，國外開展過室內大型模擬實驗，研究含水率變化對樁土相互作用的影響[4]。在理論方面，高忠等[5]把受潮膨脹過程比擬成堅固物體受熱膨脹，利用熱彈性理論來求解膨脹土脹切力問題，但吸水膨脹和受熱膨脹的微觀機制并不完全相同，還需要進一步研究。在室內模擬試驗方面，在特定試驗平臺上采用人工填土，肖宏斌等[6]開展了混凝土樁的浸水膨脹性試驗；王年香等[7]采用外徑為50 mm的鋁合金管模擬單樁，研究浸水過程中單樁的上升及脹切力變化規律。這些研究成果多數是以室內實驗為基礎開展的模擬研究，而基于實際工程條件下的研究并不多。

為研究實際工況條件下膨脹土中基樁的浸水脹拔特性，在某工程場地開展了浸水條件下基樁脹拔力原型試驗，獲得浸水過程中基樁脹拔力的變化特征，結合基樁膨脹機理分析及室內模擬實驗研究，對試驗成果進行分析，進一步說明浸水過程中基樁的工作性狀。

2 試驗場地概況

老撾某電廠位于膨脹土地區，樁基設計前開展了基樁浸水脹拔力試驗，研究膨脹土對基樁的潛在危害。該試驗場地的地層巖性主要為第四系黏土及下伏的第三系泥巖、砂巖組成。泥巖呈灰色、紫紅色、棕紅色，泥質結構，局部夾粉砂巖、煤層透鏡體，呈硬塑、堅硬土狀，全風化～強風化狀態。泥巖屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。全風化泥巖平均自由膨脹率為 43%，50 kPa平均膨脹率為0.78%，平均膨脹力為68.8 kPa，評價為具有弱膨脹潛勢。全風化泥巖膨脹性試驗結果如表 1所列。

表1 全風化泥巖膨脹性試驗結果Table1 Test results of expansive feature of mud stone

場區內，部分地區地勢低洼，后期用素填土回填整平。在回填區采用樁基礎，本次試驗在該整平區進行，樁側、樁端的土層均為素填土。素填土由附近開挖的全風化泥巖經分層碾壓而成，其物質組成與全風化泥巖一致，具有弱膨脹潛勢。同時，該素填土呈松散～中密狀態，具有中等壓縮性～高壓縮性，性質較不均一。平均天然含水率ω=21.0%，平均重度γ=19.8 kN/m3，平均天然孔隙比e=0.628，平均壓縮模量Es=12.3 MPa，平均標貫擊數為14.6擊。

根據當地的氣候條件，膨脹土地基的大氣影響深度為5.00 m，大氣急劇影響深度為2.25 m。2011年7月在該電廠回填土場地開展了基樁浸水脹拔力試驗。本次試驗主要討論大氣影響深度內浸水條件下的“樁-土”相互作用。

3 浸水脹拔力原型試驗

3.1 試驗樁樁型

樁型為直徑為400 mm的鉆孔灌注樁，2根試驗樁長為2.25 m，1根試驗樁長為5.00 m，成孔采用長螺旋鉆機干孔作業成孔。為避免樁端土層與樁體的嵌固作用，在灌注混凝土前，在樁底埋設尼龍編織袋，使樁端脫空100 mm。混凝土標號為C35，配筋為8φ16 mm鋼筋，低應變檢測反映試樁樁身質量等級為I級，待混凝土養護完成后開始試驗。

3.2 試驗方案

利用反力裝置約束樁頂位移，在樁頂與反力裝置之間放置測力計，試驗開始后，通過浸水孔向地層中浸水，地層發生膨脹變形，使樁頂擠壓反力裝置，觀測樁頂的脹拔力變化，直至穩定。試驗相關的技術要點如下。

（1）試驗樁布置

試驗布置如圖1所示，共3根試驗樁（T1～T3），其中T2樁長取大氣影響深度（5.00 m），T1、T3樁長取大氣急劇影響深度（2.25 m）。

（2）浸水方法

如圖1所示，在試驗區兩側對稱布置2排浸水孔，共34孔，孔間距為0.35 m，孔徑約為127 mm，浸水孔中心軸線與樁中心距為1.0 m，孔深5.0 m，孔內充填中粗砂，浸水孔頂部開挖水槽。試驗開始后，通過水槽及浸水孔向地層中浸水，試驗過程中保持水槽水頭基本不變。

（3）脹拔力觀測

通過支承梁和配重，限制浸水過程中樁頂向上位移，在樁頂與支承梁之間放置測力計，直接測得測力計受到的靜壓力，即樁頂的脹拔力。素填土較不密實，滲水較快，觀測間隔定為約4 h觀測一次。

試驗時，布置深測標，分層測定土體豎向隆起量。深測標沿樁軸線均勻布置，深度分別為 0.1、0.6、1.2、1.8 m。

圖1 基樁浸水脹拔力原型試驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of expansive force prototype test

3.3 觀測資料的應用

繪制相關時程曲線，包括脹拔力時程曲線、土體隆起量時程曲線等。由脹拔力時程曲線讀取最大脹拔和穩定的脹拔力。

根據現場實測的單樁極限脹拔力，按下式計算不同大氣影響深度范圍內的極限脹切力平均值：

4 試驗成果及分析

4.1 土體位移

深測標豎向位移時程曲線如圖2所示。膨脹土浸水后，最初幾小時內豎向位移迅速增大，之后緩慢增大，并最終趨于穩定。水槽注水后，水沿著土體顆粒間的細微空隙下滲，大部分土體迅速飽和，蒙脫石等吸水礦物吸水膨脹，產生較明顯的豎向位移。之后土顆粒吸水過程減緩，當所有土體顆粒逐漸吸水飽和，豎向膨脹量也逐漸達到穩定。

本次試驗中的土層最大位移量小于 8 mm，遠小于室內試驗條件下測得的土體位移（如文獻[7]），究其原因，除膨脹土的物質組成存在差異外，主要是由于本次土層回填碾壓所達到的密實程度較低。

由圖 2還可以看出，（1）沿深度方向，表層土體的最終位移量比深層土體大，是由于表層土體的位移量是該水平位置以下所有膨脹土的膨脹量之和，而深部土體受到上覆土體自重壓力，密實度較大，水滲入較困難，其含水率明顯低于淺部的飽和土體，因此位移量較小。（2）下部土體膨脹變形達到穩定所需的時間較短，是深測標所測得的土體位移是膨脹力與自重壓力相互作用的結果。

由此可知，增大膨脹土的上覆壓力可以有效消除其因吸水膨脹而帶來的危害。

4.2 基樁脹拔力

為測量試驗樁在試驗過程中發生的豎向位移，在 T1樁的樁頂設置位移傳感器，實測結果如圖 3所示。實測結果表明，T1樁的最大樁頂位移僅0.65 mm，可忽略不計，則可認為測力計所測得的靜力值可以近似作為樁頂所受的脹拔力。

圖3 T1試驗樁的樁頂位移時程曲線Fig.3 Displacement of pile top vs. time of T1

3根試驗樁的浸水脹拔力實測值如圖4所示。由圖可見，（1）浸水過程中，脹拔力逐漸增大，達到最大值之后略有下降，之后脹拔力測試值基本不變，認為達到了膨脹穩定狀態。該最大值稱為最大脹拔力vemax，穩定值稱為穩定脹拔力vesta。（2）浸水初期（1～2 d），脹拔力增長迅速。由于土體膨脹與含水率關系密切，而試驗場地素填土的密實度較小，土體滲透系數k較大（據室內實驗結果，約為k = 1×10-3cm/s），因此水入滲速度較快。（3）T2的樁長（5.00 m）大于T1和T3（2.25 m），樁頂所受的脹拔力也是最大的。因為本次試驗浸水孔深度為5.0 m，T2的樁側土充分浸水，膨脹力有效發揮，故土層脹切力較大，產生的脹拔力也較大。

圖4 基樁浸水脹拔力時程曲線Fig.4 Expansive forces vs. times

對T1～T3的浸水脹拔力試驗成果進行統計，如表2所列。T2極值出現時間較晚，說明其浸水飽和過程用時較長，數值上T2所受的脹拔力是T1、T3的數倍至數10倍以上。表2給出的通過式（1）計算得到的樁側土極限脹切力平均值，極限脹切力平均值能夠用于工程設計，即根據樁長計算樁頂的脹拔力。實際工程中，試驗得到的樁頂脹拔力是土體膨脹剪切力克服樁體自重、土體自重及樁土間摩擦力，使樁體具有向上位移趨勢所形成的一種力。由此可見，測試土體吸水膨脹過程中作用在樁側豎向界面的切應力是比較困難的。

表2 基樁浸水脹拔力測試結果Table2 Expansive force test results

4.3 基樁脹拔機理分析

水通過水槽及浸水孔滲入土體的空隙，進而與土體顆粒中的親水性礦物（以蒙脫石為主）結合，使土體發生膨脹變形。在試驗過程中，樁頂豎向位移為零，試驗裝置在樁頂施加豎直向下的壓力。該壓力能夠通過測力計測得，在數值上等于樁頂處由于膨脹土膨脹引起的基樁脹拔力ve。

浸水膨脹條件下基樁的受力簡圖如圖5所示。樁體限制其周圍土體的豎向膨脹變形，土體豎向位移se在樁土界面為0，在影響范圍之外等于土體自然膨脹量。樁體之所以能阻礙土體位移，是因為樁土界面存在向下的摩擦力。根據樁體的受力特征，有如下關系：

式中：F為樁頂壓力；G為樁體自重；f為樁土界面靜摩擦力；qe為脹切力，且在深度z方向上非線性變化；c為樁周長；L為樁長。

樁頂壓力與樁頂脹拔力是一對作用力與反作用力，樁頂脹拔力反映了樁側脹切力與基樁自重和樁土界面摩擦力的差值。在浸水過程中，基樁受力過程為3個階段，①樁頂脹拔力為0階段：當脹切力小于樁體自重和樁土極限靜摩擦力之和時，樁體不產生向上位移的趨勢，實測脹拔力為 0；②樁頂脹拔力緩慢增大階段：當脹切力大于樁體自重和樁土極限靜摩擦力之和時，產生脹拔力，而且脹拔力隨著脹切力的增大而增大；③樁頂脹拔力穩定階段：土體膨脹穩定之后，脹切力不再增長，脹切力與樁體自重、樁土摩擦力及樁頂荷載達到平衡，實測的脹拔力就達到穩定。

在深度范圍內，存在脹切力qe等于樁土界面靜摩擦力的位置，此位置即為中性點，中性點以下的樁體起到錨固作用。

綜上分析可知，本次試驗測得的樁頂脹拔力是浸水條件下，基樁在脹切力、自重壓力和樁土界面摩擦力共同作用下的結果，是一個綜合性的參數。在實際工程應用過程中，應該合理設置樁長，確保中性點以下的樁體錨固力大于樁頂極限脹拔力，以使建筑物的樁基礎不因脹拔力而破壞。

5 結 論

（1）土體位移緩慢增長，浸水飽和時，達到穩定。由于土體自重壓力的影響，表層土體位移大于深部土體位移。

（2）基樁樁頂脹拔力在起始段迅速增大，之后緩慢增大，最終穩定。較長的試驗樁（T2）所受的脹拔力最大。

（3）通過基樁浸水脹拔過程的力學分析認為，基樁樁頂脹拔力是浸水過程中土的脹切力，樁體自重和樁土界面靜摩擦力共同作用的結果，在設計中，應校核樁長深度范圍內的錨固力是否大于基樁脹拔力。

在實際膨脹土工程場地，設計了基樁浸水脹拔力原型試驗平臺，有效地開展了基樁浸水脹拔力原型試驗。由實驗結果表明，土的脹切力及樁土界面的靜摩擦力是一個動態變化的過程，后續的研究中可以考慮采用高精度儀器進行測試分析。

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