黃土的濕陷性對橋梁樁基礎承載力及沉降的影響

張 多 平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

鄭州至西安客運專線全長458.8 km[1]，陜西境內線路穿越渭河沖積平原,南倚秦嶺,北臨渭河,沿線80%區段分布濕陷性黃土，濕陷性黃土孔隙比高，壓縮性大，濕陷后不僅樁側摩阻力會顯著降低，更會急劇加大路基、橋梁和隧道工程的沉降，這是濕陷性黃土區修建高速鐵路需要解決的最大技術難題。黃土計算參數的合理選取不僅能夠保證結構的安全，而且能夠有效降低投資；之前研究濕陷性黃土的側重點是承載力，對黃土濕陷后樁基礎的附加變形關注較少，無碴軌道高速鐵路沉降控制是線下工程的核心技術，也是修建高速鐵路成敗的關鍵[2,3]。2005年8月，項目單位在3個不同地貌單元進行了濕陷性黃土的樁基載荷試驗。其中潼關縣高橋鄉(鄭西鐵路里程DK346+950)濕陷性黃土覆蓋層厚，濕陷嚴重，下文僅就該處試驗情況及試驗成果對設計的指導情況做一簡單介紹。

1 試驗點地層地質情況

2 試驗內容及過程

2.1 試驗裝備及安裝

兩根試驗樁樁徑80 cm，其中1號樁長60 m，2號樁長50 m；8根錨樁。浸水試驗坑短軸長42 m，長軸長48 m，為加快濕陷，試坑內設置多個滲水孔，孔內填砂卵石，整個試坑內鋪設10 cm～15 cm厚的砂卵石，見圖1。采用滑動測微計探測樁身應變、計算軸力。每根試樁通過反力梁對應4根錨樁。

2.2 試驗內容及過程

對試樁1、樁2在浸水前加壓至設計工作荷載(1號、2號試樁的工作荷載為3 000 kN和2 000 kN)，變形穩定后，向試坑內浸水，至全部濕陷性土層達到飽和(其間樁頂荷載不變)、樁頂下沉穩定后，繼續分級豎向加載至極限狀態。

3 試驗主要成果

3.1 試驗結果的修正

第一，樁身斷面修正：由于工程試樁樁徑隨深度而變化，由此導致樁身各測段實測應變值具有變異性，因此將其歸一化到樁身設計直徑80 cm；其次，承載能力換算到工程實際樁徑125 cm方便比較。

第二，樁身彈性模量修正：混凝土的應力—應變關系在超過一定的應力水平后呈現出非線性特性，其彈性模量將隨應變或軸力的增加而降低。本次試驗各樁混凝土彈性模量根據樁頂實測應力應變求算。

第三，應變曲線擬合：試樁回歸應變—樁深關系曲線采用約束樣條擬合方法進行磨光處理，目的是消除局部量測誤差引起的離散點。

3.2 浸水濕陷引起樁的附加變形

1號、2號試樁加載變形穩定后，盡管外載不變，但由于土壤的浸水濕陷，樁頂仍將發生較大的附加變形，見圖2。1號、2號樁外載變形僅為2.61 mm和1.76 mm，但由于土壤的浸水濕陷引起的附加變形達到11.69 mm和11.08 mm。

3.3 樁基負摩阻力的大小及出現規律

1號、2號:1月3號開始浸水，50 d后樁周土飽和，共計浸水49 704 m3。1號、2號樁維持樁頂荷載3 000 kN,2 000 kN不變，不同時期樁身各測段截面修正(樁徑仍為80 cm)后的應變值見圖3。

根據樁身應力應變關系，樁側阻力沿樁身分布曲線見圖4。由圖4看出：

1)隨浸水周期的延長，樁側摩阻力的中性點位置逐漸下移，下移速率逐漸降低，最終穩定在17 m～18 m間。

2)負摩阻峰值位置相對固定，約在7 m處，最大值22.0 kPa～36.5 kPa間。

3.4 單樁豎向極限承載力

如圖5所示，1號樁加載到10 200 kN時，樁的沉降量已超過前一級荷載作用下沉降量的5倍，樁頂總沉降量超過40 mm；2號樁試驗加載到8 000 kN時，樁的沉降量已是前一級荷載作用下沉降量的11倍，樁頂總沉降量達到38.2 mm，且24 h未達到穩定。

說明樁頂荷載達到10 200 kN和8 000 kN時，1號和2號試驗樁已達到破壞狀態，取其前一級荷載9 600 kN和7 500 kN作為1號樁和2號樁的單樁極限承載力。換算到同場地條件下125 cm樁60 m及50 m的極限承載力為13 900 kN和10 100 kN。

4 設計原則及理論計算

4.1 濕陷性黃土負摩阻力的取值原則

試驗結果表明，黃土濕陷后，樁側摩阻力的中性點在樁頂下17 m～18 m之間，由此可以認為，黃土濕陷的影響范圍一般在地表下20 m范圍內；同時，根據圖3，3月15日的黃土濕陷發生最充分，負摩阻力的平均值接近15 kPa，與GB 50025—2004濕陷性黃土地區建筑規范取值15 kPa[4]基本吻合。

4.2 樁基承載能力計算

根據濕陷性黃土負摩阻力的取值原則，結合《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》，針對試驗場地地質資料，黃土濕陷后，125 cm樁樁長60 m及50 m時的設計承載能力分別為4 582 kN和3 207 kN。

4.3 總沉降計算

鄭西線樁基礎的沉降計算采用在工程實踐中普遍應用的等效作用分層總和法[5]。按單樁理論計算沉降，樁底面以上樁間土及樁基本體的壓縮所引起的沉降量很小，一般情況下，可以通過計算樁底土層的壓縮來控制樁基礎的沉降設計。考慮負摩阻力，1號、2號樁樁頂外荷載分別是3 000 kN和2 000 kN時，計算總沉降分別為10 mm和8 mm。

5 結語

1)等效作用分層總和法計算樁基礎的沉降偏于保守，采用這種計算辦法是安全的，但濕陷性黃土浸水飽和后的附加變形比較大，需額外重視由此引起的沉降造成鐵路工程的不良后果。

2)從試驗過程可以看出，樁基濕陷后的附加變形遠大于外載變形，但樁基的濕陷過程是一個緩慢的過程，所以，加強墩臺的防排水設計是避免黃土濕陷、節省投資的有效途徑。

3)相對于天然狀態，濕陷性黃土浸水后的單樁極限承載力有顯著降低，但從黃土發生濕陷的條件看，濕陷一般在地面下一定范圍內較易發生，所以，樁側負摩阻力的取值范圍不宜根據濕陷性黃土的厚度來確定，但可以根據工程發生浸水的時效性選取濕陷厚度。