基于樁土相對位移特征的深厚濕陷性黃土地區樁基承載力計算方法

陳曉廣

中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600

濕陷性黃土在上部荷載和遇水條件下會發生大量下沉，導致工程構筑物開裂、坍塌，嚴重威脅其安全性和耐久性［1-3］。在大厚度黃土地區進行工程建設時，預先消除地基濕陷性顯得尤為重要。近年來，樁基礎作為有效處理黃土地基濕陷的手段在工程建設中得到廣泛應用［4-5］，但伴隨而來的負摩阻力取值不當等問題日益凸顯。

樁土之間相對位移是產生負摩阻力的根本原因［6］，部分學者采用現場試驗和室內模型試驗對樁基中性點位置和負摩阻力展開了研究。李心平［7］通過浸水載荷試驗，對強濕陷性黃土地區樁基負摩阻力的分布特征進行了研究；周奎、黃雪峰等［8-9］開展了深厚濕陷性黃土場地現場浸水試驗，研究了樁基承載力、側摩阻力、中性點的變化及規律；張延杰等［10］在室內建立群樁基礎浸水模型，對樁周土體濕陷變形規律和樁基礎荷載傳遞特征進行了分析研究；馬學寧等［11］建立圍載和單側荷載作用下模型試驗，對不同位置樁基軸力、側摩阻力、中性點位置和樁基承載力安全系數的變化規律及差異進行了研究。

傳統方法采用JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》中推薦的中性點參考值來確定正負摩阻力的作用位置，從而計算樁基承載力，但其中性點參考值不夠精確，導致部分樁基工程實測負摩阻力高于規范參考值，使設計的樁基承載力偏低。基于此，本文在現場浸水試驗基礎上提出一種計算深厚濕陷性黃土地基單樁承載力的新方法，根據黃土地層沿深度方向濕陷等級的差異，將摩阻力分為負摩阻力段（滑動摩阻段和黏結強度段）、過渡段（中性區）和正摩阻力段三部分來計算樁基承載力，并結合現場浸水試驗驗證其合理性。

1 樁基負摩阻力問題

1.1 中性點

中性點的概念往往與負摩阻力密切相關，是樁土間相對位移和摩阻力為0 的特征點，也是樁基軸力最大處和樁身最容易破壞的點。未浸水時，黃土地基中樁基荷載由樁側摩阻力和樁端承載力共同承擔；浸水初期，水分由淺層向深層入滲，淺層樁周土最先飽和并發生濕陷下沉，導致樁側產生負摩阻力，其分布區間為樁基表層至土體濕陷區底部；浸水后期，淺層土體濕陷充分，濕潤峰下移，深層土體發生濕陷，且產生大于樁基自身的沉降變形，負摩阻力作用深度增加，中性面隨著濕陷的發展不斷下移，如圖1所示。

圖1 中性面發展過程

1.2 樁土界面荷載傳遞模型

近年來，樁土界面的力學傳遞問題一直是研究的難點和熱點，部分學者通過建立線性、三折線、指數、雙曲線等荷載傳遞模型來研究樁基的承載變形特性［12］。其中，雙曲線模型能夠更準確地描述樁土界面的剪切性狀，應用最廣泛。式（1）—式（4）為線性、三折線、指數和雙曲線模型對應的樁土界面荷載傳遞模型函數表達式，圖2 為各種模型的側摩阻力與樁土位移關系。其中，E為土的彈性模量，kPa。

圖2 樁土界面荷載傳遞模型

式中：s為樁土相對位移，m；Su為達到極限側阻時的臨界位移，m；τ(z)為不同深度處的側摩阻力，kN；Cs為土的剪切變形系數，kN/m3；τmax為樁側極限摩阻力，kPa。

式中：τ為側摩阻力，kN；k1、k2為土體彈性、側阻軟化階段的剪切剛度系數，Pa/m；su1、su2分別為彈性、塑性階段的臨界位移，m；β為強度系數。

式中：K為土的側壓力系數；γ為土的重度，kN/m3；φ為土的內摩擦角，°；k為相關系數；su為樁側摩阻力最大時的臨界位移，m。

式中：M、A為試驗常數，A=τu/(Msu)+1；τu為極限側摩阻力，kN。

隨著對黃土地基樁基承載問題研究的逐漸深入，傳統的樁土界面雙曲線模型已無法滿足現有研究的需求，曹衛平［13］在前人雙曲線模型研究基礎上進行改進，給出了分級加載時應力與位移關系表達式，改進后的雙曲線模型能夠反映樁土法向應力增加時界面的剪切特性。

1.3 樁基承載力計算方法

依據JGJ 94—2008 要求，為保證工程建設中樁基的強度和穩定性，往往會預先通過原位測試法或經驗參數法來計算單樁的豎向承載力。

1.3.1 原位測試法

在靜載試驗條件困難的情況下，可通過原位靜力觸探測量土的貫入阻力（錐頭阻力和側摩阻力）來計算單樁極限承載力設計值。單樁豎向極限承載力Quk的計算式為

式中：u為樁身周長，m；li為樁周第i層土的厚度，m；βi為第i層土的樁側摩阻力修正系數；fsi為第i層土的探頭平均側阻力，kPa；α為端樁阻力修正系數；qc為樁端平面上下探頭阻力加權平均值，kPa；AP為樁端面積，m2。

1.3.2 經驗參數法

當受條件限制無法進行現場試驗時，可通過經驗參數法計算單樁極限承載力。依據土的類型、液塑限、密實度等相關條件，查閱規范得到極限側摩阻力和極限端阻力經驗值，代入式（6）計算單樁極限承載力。

式中：qsik為樁側第i層土的極限側摩阻力經驗值，kPa；qpk為極限端阻力經驗值，kPa。

2 現場浸水試驗

相對位移法計算樁基承載力時，需要先明確黃土地基沿深度方向的濕陷特性。因此，基于現場浸水試驗，根據場地深層位移和土中豎向應力變化規律，分析黃土地基沿深度方向的濕陷特性。

在中蘭鐵路新區南站附近選取浸水試驗場地，依據現場勘察和室內試驗結果，得到濕陷性土層下限深度為22 m，依據GB 50025—2018《濕陷性黃土地區建筑標準》要求，設計直徑24 m、深0.5 m圓形試坑，浸水前在場地埋置8 個土壓力盒，見圖3、圖4。浸水過程中采用水管引流的方式進行間斷注水，始終保持水頭高度0.5 m左右，試驗歷時290 d，共計注水5 449 m3。

圖3 現場浸水試驗

圖4 土壓力盒布置（單位：m）

2.1 深層位移分布規律

不同深度處累計沉降曲線見圖5。可知，深度為0～ 12.0 m 時沉降曲線分為劇烈濕陷、緩慢增加和穩定固結三個階段。浸水開始后，深度3.0 m 處土體最先飽和并發生濕陷，0～15 d累計沉降0.64 m，之后緩慢增加，226 d時沉降趨于穩定，累計沉降達到1.08 m；深度3.0 m 處土體浸水飽和后，濕潤峰逐漸下移，浸水4 d后到達深度6.0 m 處，4～ 23 d 累計沉降0.28 m，226 d 時沉降趨于穩定，累計沉降達到0.66 m。深度16.5～ 27.0 m 內累計沉降較小，沉降曲線分為緩慢增加和穩定固結兩個階段，深度16.5 m 處0～ 151 d 累計沉降緩慢增加，151 d達到0.21 m；深度19.5 m 處累計沉降達到0.14 m；深度24.0 m 和27.0 m 處累計沉降在0～ 15 d內略有增加，之后基本保持不變。

圖5 不同深度處累計沉降曲線

浸水過程中，水分由表層向深層不斷入滲，隨著土層深度的增大，水分到達各沉降觀測點的時間就越長，發生濕陷的時間越靠后。對比深度3.0 m與12.0 m處累計沉降曲線可以發現，深度3.0 m 處最先發生濕陷，且濕陷更為劇烈。深度24.0 m 與27.0 m 處累計沉降增長幅度較小，主要是深度越大，土體結構越穩定，密實程度較高，不利于水分入滲；隨著上部土體浸水飽和并發生濕陷，土體密實程度增加，支架孔隙減少，水分入滲速度減緩；孔隙中空氣不斷被水分填充，深層土體孔隙中氣體來不及排出，孔隙氣壓力增大阻礙水分繼續入滲，深層土體含水率未達到濕陷變形臨界點，沉降較小。

綜上，深度3.0 m 處沉降最明顯，深度6.0、9.0、12.0 m 處沉降較大且較為接近，表明土層0～ 12.0 m內浸水充分且濕陷性強烈；深度16.5、19.5 m 處沉降較小，土層具有中等濕陷性；深度24.0、27.0 m 處沉降變化不明顯，土層不發生濕陷。

2.2 土中豎向應力分布規律

不同深度土中豎向應力變化曲線見圖6。根據室內試驗得出場地飽和黃土重度為15 kN/m3，浸水前各深度處土中豎向應力監測點均為0。

圖6 土體豎向應力沿深度變化曲線

由圖6 可知：隨著水分的入滲，淺層土體浸水飽和，土體結構發生破壞，在自重作用下發生濕陷，3 m處土中豎向應力率先增大，土體濕陷充分；濕潤峰逐漸下移，在上覆荷載作用下土體被壓密固結，291 d時場地15 m 處監測點土中豎向應力達到最大值224.6 kPa，接近飽和自重壓力界限。

綜上，深度0～ 15 m 內浸水效果良好，土中豎向應力接近飽和自重應力界限，濕陷充分；深度15 m 以下含水率達到土體濕陷臨界值，濕陷變形明顯減少，土中豎向應力距離飽和自重應力界限較遠，土體濕陷不充分。

2.3 濕陷性黃土地基浸水濕陷特征

由累計沉降變化與土中豎向應力結果可知，試驗場地深度0～ 15 m 內累計沉降變化較為明顯，土體濕陷性強烈；深度15～ 21 m 內土體浸水飽和，但累計沉降較小，土體具有中等濕陷性；深度21～ 22 m 內土體濕陷變形不明顯，累計沉降很小，土層具有輕微濕陷性；深度22 m以下土壓力接近0，土體無濕陷。

3 濕陷性地基中樁基承載力

3.1 土體濕陷特征

黃土地層中，深度越大土體越密實，濕陷性越小。淺層土體中支架孔隙數量較多，土顆粒間以點點、點邊接觸為主，對水的敏感性較高，土體結構更加脆弱，遇水浸濕后，土體結構發生破壞，產生大量沉降。而深層土體在長年上覆荷載作用下，土體結構更為密實，且水分難以入滲，土體含水量無法達到濕陷臨界值，濕陷性較小。

正負摩阻力是由于樁土之間的相對錯動引起的。如圖7所示，當樁土間錯動較大時，樁周土會給予樁基自身向下的滑動摩阻力；樁土之間具有一定黏結強度，當土體沉降略大于樁體沉降時，樁土間的黏結力會對樁基造成下拉作用，產生黏結摩阻力；當樁土間不發生相對錯動時，樁土間不產生側摩阻力，該區域為中性區，也是樁基軸力最大區域；樁體自身沉降大于樁周土沉降時，樁體承受樁周土帶來的正摩阻力，正摩阻力越大，分布區間越長，樁體自身就越安全。

圖7 不同濕陷性土層單樁受力示意

3.2 摩阻力分布及大小

在樁基設計時，確定樁側摩阻力的分布和大小是關鍵問題。摩阻力的分布和大小與中性點的位置無關，而與樁土間的相對位移和上部荷載有關。因此，明確濕陷性土層厚度，尤其是強濕陷土層的厚度，就能確定負摩阻力的分布區間，從而計算出樁基的承載力。

以試驗場地地層特征為例，摩阻力分布如圖8 所示。深度0～ 15 m 內，土層濕陷性較大且濕陷充分，樁土間相對位移較大，樁體承受來自土體的滑動負摩阻力；深度15～ 21 m 內，土層具有中等濕陷性，且濕陷不充分，但土體位移仍大于樁體本身位移，該段樁土承受來自土體的黏結負摩阻力；深度21～ 22 m 內，土層具有輕微濕陷性，濕陷量較小，且與樁體位移大致相等，該段樁土間沒有相對位移，因此無側摩阻力；深度22 m以下土體沒有濕陷性，樁體承受來自于土體向上的正摩阻力。

圖8 摩阻力分布（單位：m）

工程經驗法和有效應力法是確定負摩阻力大小的重要方法。采用工程經驗法確定負摩阻力大小時，會根據土的類型、密實度和稠度選取相應的負摩阻力參考值。而有效應力法會通過土體累計沉降量來確定負摩阻力系數，再根據有效豎向應力和負摩阻力系數的乘積確定負摩阻力的大小。

3.3 實例計算

試驗場地地層巖性特征見表1。經過查勘確定土層濕陷性的下限深度為22 m 左右，現設計預應力混凝土樁，樁徑0.5 m，樁長32 m，采用經驗參數法和相對位移法估算出單樁豎向承載力，并進行對比分析。

表1 試驗場地地層巖性特征

3.3.1 經驗參數法

查閱JGJ 94—2008 表5.4.4-2確定中性點深度比為0.68，場地濕陷的下限深度取22 m，計算得到中性點深度約為15 m。根據地層巖性特征和中性點深度，將土層劃分為三段，0～15 m 內摩阻力為負值，15～32 m內摩阻力為正值。查閱JGJ 94—2008 中表5.3.5-1 和表5.3.5-2，確定樁側摩阻力和樁端摩阻力經驗值，通過式（6）計算出樁基豎向極限承載力，見表2。

表2 經驗參數法計算結果

3.3.2 相對位移法

根據3.2 節中分析結果，將摩阻力按場地濕陷性強弱分為四層：0～ 15 m 為滑動摩阻力段，15～ 21 m 為黏結強度段，21～ 22 m為中性區，22～ 32 m為正摩阻力段。通過有效應力法計算出各層深度的平均豎向有效應力，查閱JGJ 94—2008 表5.4.4-1 確定負摩阻力系數，計算出負摩阻力大小，再根據式（6）計算出單樁豎向極限承載力值，見表3。

表3 相對位移法計算結果

3.4 結果對比

經驗參數法與相對位移法計算出的單樁豎向極限承載力分別為2 926.5、3 251.6 kN，相對位移法計算出的樁基極限承載力更能發揮樁基承載能力。該方法無需確定樁基中性點位置，只要明確土層的濕陷特性，就能確定負摩阻力的作用區間，從而準確計算樁基承載力，達到節省時間、減少工程花費的目的。

4 結論

1）現場浸水試驗可知，場地累計沉降隨深度的增大而減小。3.0 m 處累計沉降最大，16.5 m 和19.5 m處累計沉降較小，22.0 m以下土層基本不發生濕陷。

2）土壓力監測表明，0～ 15 m 內土體濕陷較為充分，291 d 時15 m 處土中豎向應力為224.6 kPa，接近飽和壓力界限；15 m 以下土層濕陷不充分，土中豎向應力增長幅度較小。

3）試驗場地0～ 15 m 具有強烈濕陷性，15～ 21 m具有中等濕陷性，21～ 22 m 濕陷變形輕微，22 m 以下基本不發生濕陷變形，土體不具有濕陷性。

4）相對位移法根據土層的濕陷特性來確定樁基負摩阻力的分布，再通過有效應力法計算出負摩阻力的大小，從而得到樁基承載力值。相對位移法計算的樁基極限承載力更能發揮樁基承載能力，可有效解決經驗參數法設計的承載力偏低的問題。