淺析濕陷性黃土場地上單樁豎向靜載荷試驗最大加載值的確定

馬恒山，馬安剛，張 斌，施辰安

（甘肅眾聯建設工程科技有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

濕陷性黃土場地上的基樁，天然含水量狀態下樁周濕陷性土層發揮對承載力有利的正摩阻力Qsk1，而當樁周濕陷性黃土浸水后，土質迅速軟化樁側摩阻力降低為Qsk3，在自重濕陷性黃土場地不但側阻力Qsk1消失且產生負摩阻力作用Qgn（見圖 1）。為確保建筑物在設計基準期內的安全正常使用，樁基設計一般按照樁周濕陷性黃土層在浸水飽和狀態下的承載力考慮，單樁豎向抗壓承載力特征值宜通過現場單樁豎向靜載荷浸水試驗確定。受場地、建設工期、季節、水源等條件的影響，大多數工程很難做浸水試驗，通常在天然含水量狀態下進行承載力試驗［1-3］。

圖1 基樁在不同工況下的受力

單樁豎向抗壓靜載荷試驗的最大加載值直接決定了單樁承載力的安全系數，按照常規做法取工程設計圖紙中單樁承載力特征值的 2 倍作為最大加載值，即安全系數為 2［4］。如前所述，濕陷性黃土場地上的基樁，樁周濕陷性土層在自然含水量狀態和浸水狀態下發揮的側阻力不同，故單樁承載力的取值需從天然含水量狀態下試驗結果中降低或扣除濕陷性土層的摩阻力，按照常規做法得出的基樁承載力安全系數達不到 2，不滿足設計要求［5］。樁周濕陷性土層越厚，常規做法得出的單樁承載力安全系數越低。有些大厚度濕陷性黃土場地上的工程，按常規做法確定的試驗最大加載值甚至還未達到樁周濕陷性土層在自然含水量狀態下發揮的正摩阻力，基樁在自然含水量狀態下的承載力完全滿足要求，一旦浸水，單樁承載力究竟如何，實則無法評價，為工程驗收帶來極大困難；若誤判為合格，則存在重大的工程安全質量隱患，科學規范地確定試驗最大加載值至關重要。

1 樁基設計計算

1.1 非自重濕陷性黃土場地

非自重濕陷性黃土場地上的基樁，在浸水狀態下的受力如圖 1（b）所示，樁基設計須滿足式（1）～式（3）。

式中：Nk為荷載效應標準組合軸心豎向力作用下基樁的平均豎向力；Ra為單樁承載力特征值；K為安全系數，取K=2；Quk為單樁豎向抗壓極限承載力標準值；Qsk3為濕陷下限深度以上土層在飽和狀態下樁的總極限側阻力標準值；Qsk2為濕陷下限深度以下土層樁的總極限側阻力標準值；Qpk為樁的總極限端阻力標準值。

1.2 自重濕陷性黃土場地

1）按文獻［1］規定設計須滿足式（4）～式（6）。

2）按文獻［2］、［3］的規定設計須滿足式（7）～式（9）。

2 試驗最大加載值的確定

在自然含水量狀態下試驗時，試驗所施加的荷載完全由樁周土承擔，如圖 1（a）所示。此時，單樁豎向抗壓極限承載力見式（10）。

式中：Qsk1為濕陷下限深度以上土層在自然含水量狀態下的總極限側阻力標準值，通過空底樁實測得到；其他符號意義同前。

試驗最大加載值取設計要求單樁承載力特征值Ra的 2 倍，自然含水量狀態下的安全系數K=2Ra/Ra=2，或會誤判為“滿足設計要求”。實則樁周濕陷性土層浸水后，承載力降低，安全系數達不到 2，不滿足設計要求。滿足設計要求的試驗最大加載值需按下述 2.1、2.2 節計算確定。

2.1 非自重濕陷性黃土場地

當樁周非自重濕陷性黃土浸水后，土質軟化，樁側摩阻力減小，減小量 ΔQuk1=Qsk1-Qsk3，浸水后Quk=2Ra-ΔQuk，帶入式（6）可得安全系數K=（2Ra-ΔQuk1）/Ra=2-ΔQuk1/Ra，此式中后一項必然大于 0，故安全系數K＜2，不滿足設計要求。令安全系數K=2，可得到自然含水量狀態下試驗最大加載值Q的計算公式，見式（11）。

2.2 自重濕陷性黃土場地

1）按文獻［1］，浸水后Quk=2Ra-Qsk1，帶入式（6）可得安全系數K=（2Ra-Qsk1-kQgn）/Ra=2-（Qsk+kQgn）/Ra，此式中后一項必然大于 0，故安全系數K＜2，不滿足設計要求。令安全系數K=2，可得到自然含水量狀態下試驗最大加載值Q的計算公式，見式（12）。

2）按文獻［2、3］，浸水后Quk=2Ra-Qsk1，帶入式（9）可得安全系數K=（2Ra-Qsk1）/Ra=2-Qsk1/Ra，此式中后一項必然＞ 0，故安全系數K＜2，不滿足設計要求。令安全系數K=2，可得到自然含水量狀態下試驗最大加載值Q的計算公式，見式（13）。

3 工程算例

該工程現場不具備浸水試驗的條件，在自然含水量狀態下進行單樁承載力試驗。試驗最大加載值的確定如下。

1）按照文獻［3］的要求，采用空底樁對①黃土狀粉土層在自然含水量狀態下的側阻力標準值進行測試，得到qsk1=60 kPa。②馬蘭黃土層厚相對較小，未進行側阻力測試，按地方經驗取qsk2=70 kPa。由此可得濕陷下限深度以上土層在自然含水量狀態下的總極限側阻力標準值Qsk1=0.8π（60×35+70×6）=6 330 kN。

4）若本工程的單樁承載力特征值 4 500 kN 是按文獻［1］的表達提出的，則最大加載值的計算改用式（12），負摩阻力標準值可按文獻［1］或文獻［3］取值，文獻［3］按樁周濕陷性土層厚度不同對負摩阻力的取值也不同，同種工藝，厚度越大，負摩阻力取值越大，此處暫按文獻［3］取 19 kPa，則 Qgn=19×41×0.8π=1 957 kN，試驗最大加載值 Q=2×（4 500+1 957）+6 330=19 244 kN。

非自重濕陷性黃土場地上的基樁，可參照此算例的方法選擇式（11）進行計算，此處不再贅述。式中濕陷下限深度以上土層在飽和狀態下樁的總極限側阻力標準值Qsk3計算時，樁側阻力標準值可取 20～30 kPa，擠土樁取高值，非擠土樁取低值。

4 結語

1）文獻［1］和文獻［2］、［3］對設計單樁承載力特征值的規定不同，設計單位在設計圖紙中應注明采用的是那種表達形式，并合理地提出單樁承載力試驗的最大加載值，且按試驗最大加載值進行樁身強度驗算。

2）濕陷性黃土場地上的基樁在進行承載力試驗時，優先選擇浸水載荷試驗；確有困難時，可在自然含水量狀態下試驗，試驗最大加載值按場地濕陷類型選擇式（11）～式（13）計算確定。

3）采用本文公式確定自然含水量狀態下試驗最大加載值時，宜采用空底樁測試濕陷性土層的摩阻力。

4）目前，行業內同一名詞采用不同表達方式的情況時有出現，此種情況在跨行業間出現的更多，甚至同一名詞所表達的意思差之千里，為工程技術人員的正常交流帶來諸多不便，期盼早日形成統一。Q