浅薄层湿陷性黄土场地单桩承载特性试验_韩琳.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY pile foundation; negative friction; field immersion test 桩基是我国西北湿陷性黄土区应用最广泛的基 础形式之一， 由于湿陷性黄土遇水沉陷特性的影响， 湿陷性黄土中桩基的承载机理及负摩阻力时效特征 是桩基设计及基础安全性评价中需重点考虑的问题[1]。 因黄土场地特征、湿陷层厚度及湿陷等级等条件差 异，若负摩阻力考虑不当，或造成建构筑物不均匀沉 降或开裂破坏[2-4]，或设计保守而造成材料浪费[5]。为 了保证桩基设计的经济性和安全性双重条件，需要 ChaoXing 第 4 期韩琳等 浅薄层湿陷性黄土场地单桩承载特性试验109 对多种湿陷性黄土场地进行专门的研究。 李大展等[6]对陕西省渭北地区厚度为60 m的湿 陷性黄土场地扩底桩进行了现场浸水试验；冯忠居 等[7]针对芝川河大桥旋挖钻孔灌注桩进行了现场浸 水试验；黄雪峰等[1]在湿陷性黄土厚度大于 35 m 的 场地上进行了多种挖孔灌注桩的载荷–浸水试验； 魏 进等[8]在厚度为15.621.8 m的Ⅱ级湿陷性黄土地区 进行了钻孔灌注桩原位浸水载荷试验，以上试验结 果均表明了厚层自重湿陷性黄土地区桩基负摩阻力 和承载力与黄土浸水沉陷之间的定性关系。I. J. Johannessen 等[9]对软黏土中端承型钢桩进行测试； 李光煜等[10]在堆载情况下对深厚饱和软黏土层中钢 管桩进行了负摩阻力特性现场试验；律文田等[11]试 验了软土地基中填土过程对桥台钻孔灌注桩基内力 及负摩阻力的影响，得出了软土地区桩的负摩阻力 变化规律及其对桩体承载特征的影响。纵观当前的 研究成果和现状，国内外对于具有负摩阻力特点的 桩基的承载力研究多集中在大厚度湿陷性黄土层地 区及软土地区[12-13]，而对于黄土埋藏较浅且厚度较 薄的特殊黄土场地，学者关注较少。 笔者针对自重湿陷量不大、湿陷性等级不高、 黄土厚度较薄、埋深较浅的湿陷性黄土建筑场地， 开展桩基浸水–载荷试验， 以探讨薄层轻微湿陷性黄 土浸水湿陷特征以及桩侧摩阻力和承载力之间的关 系，从而对浅薄层黄土场地的桩基负摩阻力特征研 究进行一定的补充。 1试验场地条件及试验方案 1.1试验场地条件 由地质勘查资料获知，试验场地平坦，拟建建 筑场地的0.00 绝对高程为 430.76 m， 地貌单元属黄 土梁洼区。地层自上而下主要由杂填土、素填土、 第四系上更新统风积黄土、残积古土壤、中更新统 风积黄土、残积古土壤层组成。该场地地下水水位 介于0.000 以下 14.214.8 m。 场地高层建筑物基础 埋深自0.000 以下 8.10 m，自基坑底部起算，湿陷 土层平均厚度 7.19 m。地勘报告评价该场地属自重 湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ级中等。 1.2试验方案 1.2.1桩基特征及试坑布设 本次试桩均为干作业成孔灌注桩，选用两个桩 作为试验桩，分别为 55 号和 94 号。两个试验桩桩 长均为 39 m，桩径均为 700 mm，混凝土强度等级 为 C40，试桩周围布置 4 根锚桩，锚桩混凝土强度 等级为 C45，试桩钢筋笼主筋为 16Φ16，锚桩钢筋 笼主筋为 22Φ28，均为通长配筋。另外，该场地上 原桩基承载力设计值为 9 300 kN，其中考虑的单桩 负摩阻力设计值为 3 000 kN。 桩基浸水–载荷试验试坑均为方形。55 号试坑 尺寸为4.1 m3.5 m， 深0.4 m， 94号试坑尺寸为5.0 m 5.5 m， 深 0.4 m。 坑内铺设 0.100.15 m 厚的砂砾石。 为加快和保证场地内试桩桩周土的浸水饱和均匀性 和速率，在试桩附近布置了 3 圈渗水孔，渗水孔孔 深为 8 m、孔径 50 mm、孔间距 0.5 m，孔内分层夯 填砂砾石[14]。浸水试坑平面布置见图 1。 图 1浸水试坑平面布置图单位mm Fig.1Layout plan of immersed test pit 1.2.2桩身测点布置及加载方案 试验采用 HXG-1 型振弦式钢筋应力计对桩身 应变进行测试[15]。将钢筋应力计安装于桩身各地层 分界处，桩上部应力计布置较密，每层断面布设 4 个，下部每层断面布设 2 个，每个桩各布设 36 个钢 筋应力计图 2。测试时采用 PZX-2 型振弦频率仪 测读传感器的频率值。 加载采用锚桩反力梁方式对试桩分级加载。试 验在 2 种工况条件下进行，一种是“未浸水”阶段， 即试验桩分级加载至设计荷载 9 300 kN，监测各级 压力下桩体变形稳定后的桩身应力及桩顶沉降；一 种是“浸水后”阶段，即前一阶段卸载完成后，再对 2 根试验桩分别进行 48 h 昼夜浸水，至自然沉降变 形稳定后，再对 2 试桩分级加载至设计荷载，监测 各级压力下变形稳定后的桩身应力及桩顶沉降。 2试验结果与分析 2.1桩身轴力计算原理 2.1.1荷载传递基本微分方程 桩负摩阻力和桩正摩阻力一样作为桩侧摩阻力 的一种形式，其发挥程度与桩土之间的相对位移有 关。把桩沿桩长方向离散成若干单元，假定桩土无 相对滑移，桩身是线弹性体，桩体中任意一点的位 移只与该点的桩侧摩阻力和轴力有关，用独立的线 性或非线性弹簧来模拟土体与桩体单元之间的相互 作用[16]。 桩身位移 sz和桩身轴力 Qz随深度递减，桩 侧摩阻力 qsz自上而下逐步发挥[17]，如图 3 所示。 ChaoXing 110煤田地质与勘探第 46 卷 图 2地层柱状剖面图及钢筋计布设图单位m Fig.2Columnar section and layout of steel stress meter 图 3桩土体系的荷载传递 Fig.3Transmission of load of pile-soil system 取深度 z 处的微小桩段 dz 为分析对象，由静力 平衡条件图 3a可得 d d s qzUzQ zQ zQ z1 即 1 d d s Q z qz Uz  2 由桩身压缩变形 dsz与轴力 Qz之间关系得 d d p z s zQ z AE  3 由此可得 z 断面荷载 d d p s z Q zAE z  4 即 0 0 d z s Q zQUqzz  5 同理可得 z 断面沉降 0 0 p 1 d z s zsQ zz E A   6 由此即可获得图 3b、3c、3d 所示的桩端在 Q0 作用下的桩体位移、桩侧摩阻力及桩体轴力的变化 曲线。式中 A 为桩身横截面面积；sz为桩身 z 点处 的位移；Qz为桩身 z 点处的轴力；qsz为桩身 z 点 处的桩侧摩阻力；s0为桩顶 Q0荷载作用下的桩顶位 移；Q0为桩顶荷载，kN；Ep为桩身弹性模量；U 为 桩身周长。 将式5代入式6即可得桩土体系荷载传递分 析计算的基本微分方程[18-19]。 2 2 d d p s AE s z qz Uz 7 2.1.2桩身轴力计算方法 本试验按照单桩静载荷实验的慢速维持加荷法 进行，在静态逐级加载过程中，使用 PZX-2 型振弦 频率仪在桩顶位移测试时时刻记录钢筋应力计的读 数，并且以下一级施加前的测试数据作为本试验进 一步数据分析的基础。根据试验中不同加载条件下 测试得到的振弦式钢筋应力计的频率，可计算不同 深度截面上的桩身轴力。 由钢筋应力计信号可转换成钢筋应力 q，即 22 0 i qVV8 式中 V0、Vi分别为空载和加载时钢筋计的读数， Hz；q 为计算的钢筋应力，kN；α、β为钢筋计标定 常数。 由于桩身在弹性阶段任意位置的变形与钢筋的 变形协调一致，因此有 ss qQ z AEA E   9 式4和式5中桩身的轴力计算需要通过桩体 变形或桩侧摩阻力，而通过式9可得由试验值计算 获得的桩体轴力 ss q Q zEA AE   10 式中 As为单根钢筋横截面积，m2；Es为钢筋弹性 ChaoXing 第 4 期韩琳等 浅薄层湿陷性黄土场地单桩承载特性试验111 模量，kPa；A 为桩的横截面积，m2；E 为桩身截面 等效弹性模量，kPa。 2.2桩体沉降规律 图 4 为试桩桩顶的荷载–沉降Q–s曲线。表 1 为试桩荷载–沉降数据统计表。由图表中可以看出， 在加载至最大荷载后，浸水后桩顶的沉降量增大， 约为未浸水条件下的 2 倍，浸水显著加大了桩顶的 沉降量。另外，残余沉降量也相应增大，约为未浸 水条件下的 3 倍。 加载过程中以 775 kN 为 1 单位进 行加载，未浸水条件下加载全过程中 2 个试桩桩体 的沉降与荷载基本呈现线性关系，即缓变型。当加 载至设计最大荷载时，桩顶沉降均小于 12 mm，试 桩 55 号和 94 号的桩顶沉降量分别为 10.7 mm 和 11.03 mm。 当 55 号试桩荷载等级小于等于 7 750 kN， 94 号试桩荷载等级小于等于 6 975 kN 时，试桩浸 水与不浸水的 Q–s 曲线基本重合。 而 2 个试桩荷载 在浸水进入下一级荷载后， 均出现了加速沉降的现 象，Q–s 曲线出现突变点，即突变型。当加载至设 计最大荷载， 试桩 55 号和 94 号的桩顶沉降量分别 为 18.36 mm 和 21.05 mm，由于浸水引起的附加沉 降分别为 7.66 mm 和 10.02 mm。由此可说明，桩 周浸水引起桩侧黄土产生湿陷， 对桩承载力影响较 为明显。 图 4试桩桩顶实测 Q–s 曲线 Fig.4Q–s curve of test pile top 表 1设计最大荷载时试桩沉降量 Table 1Settlement of test piles under ultimate designed load 桩号工况 最大荷 载/kN 桩顶沉降量 /mm 浸水附加沉 降量/mm 残余 沉降量/mm 55号 未浸水 9 300 10.70 7.66 4.11 浸水18.3612.56 94号 未浸水 9 300 11.03 10.02 4.23 浸水21.0514.34 2.3桩身轴力变化规律 利用式8和式10结合钢筋应力计监测数据， 可以计算获得不同桩顶荷载下的桩身不同位置的轴 力，图 5、图 6 分别为未浸水和浸水后 2 种工况条 件下荷载–桩身轴力曲线。 图 5未浸水条件下轴力分布图 Fig.5Distribution of axial force along the pile in the soil with natural water content 从轴力分布图中可以看出 a. 未浸水条件下，桩身轴力均随桩深度的增加 而递减，且桩身中上部较浅范围内的轴力较大，轴 ChaoXing 112煤田地质与勘探第 46 卷 图 6浸水条件下轴力分布图 Fig.6Distribution of axial force along the pile in immersed soil 力最大位置为桩头，随着深度增大，轴力迅速降低， 中下部轴力很小，即桩体的端部承受荷载较小，反 映了摩擦桩的基本特征。另外，桩顶部荷载越大， 桩身上的轴力变化越大，桩身的轴力也相应增大， 而且端部轴力也越大。而且，未浸水工况中桩体的 轴力变化规律未显著体现出地层性质在纵深上的差 异特征。 b. 与未浸水条件比较，浸水条件下，试桩的轴 力出现显著差异，桩体最大轴力位置不再出现在桩 头位置，而是出现在桩头以下的较浅部位置，且该 位置的桩体轴力超过了桩顶载荷，该位置地层为湿 陷性黄土层。另外，浸水后也同样体现出桩体的轴 力随桩顶的荷载增大而增大。 c. 湿陷性黄土在浸水后的湿陷对桩体施加了 一定的附加荷载，即负摩阻力，且与桩顶荷载叠加， 导致湿陷性黄土层内一定范围的桩体轴力超出了桩 顶的荷载。因此，准确判断黄土湿陷性发生规律和 计算最大轴力的分布特征，对准确设计桩体的结构 参数和安全系数至关重要。另外，比较同一试桩浸 水前后发现， 浸水后的桩体轴力在中上部显著增大， 以 55 号试桩桩顶最大荷载 9 300 kN 为例，未浸水 工况中桩身轴力 6 000 kN 的位置为 10.3 m，而浸水 工况中桩身轴力 6 000 kN 的位置为 17.8 m，2 种工 况下相同轴力位置在浸水后下降 7.5 m。 2.4桩侧摩阻力分布规律 结合式2、式8和式10可计算获得各级荷载 下桩体的桩侧摩阻力分布规律，如图 7、图 8 所示。 图 7未浸水条件下桩侧摩阻力分布 Fig.7Distribution of skin friction along the pile in the soil with natural water content a. 未浸水条件下，试桩的桩侧摩阻力沿桩身的 分布呈现出“单峰状”，即在桩顶荷载作用下，桩侧 摩阻力在桩身中上部位置处出现峰值，在桩体中部 位置，桩侧摩阻力基本降低为最大值的 30左右， 且桩底的摩阻力极小，由此看见摩擦桩的受力不均 匀性及承载能力富余现象。随着桩顶荷载的逐级增 ChaoXing 第 4 期韩琳等 浅薄层湿陷性黄土场地单桩承载特性试验113 图 8浸水条件下桩侧摩阻力分布 Fig.8Distribution of skin friction along the pile in immersed soil 大，桩身相同点位的桩侧摩阻力也呈增大趋势。 b. 浸水条件下，桩侧摩阻力呈现双峰效应。桩 身中上部位置的桩侧摩阻力呈现负值， 即负摩阻力， 桩身负摩阻力逐渐增大并达到峰值负摩阻力峰 值，后负摩阻力逐渐减小，且在一定位置桩侧摩阻 力由负摩阻力过渡为正摩阻力，该位置的桩侧摩阻 力为零，则该位置为中性点。中性点也为桩侧负摩 阻力与正摩阻力的转折点，中性点以上，桩周土对 桩体产生负摩阻力，中性点以下，桩周土层对桩体 产生向上的正摩阻力。比较图 8 和图 6 可发现，中 性点位置与浸水后桩身轴力最大位置基本相同，该 位置处于湿陷性黄土层中。中性点以下桩身的正摩 阻力先呈现增大趋势，到达峰值正摩阻力峰值后 逐渐减小。 c. 比较同一试桩浸水前后发现， 其桩侧正摩阻力 峰值基本相当，但浸水后桩身上桩侧摩阻力较大的范 围比未浸水工况大，以 55 号试桩最大荷载 9 300 kN 为例，未浸水工况中桩侧正摩阻力大于 120 kPa 的 深度范围为 2.312.1 m，即范围为 9.8 m；浸水工况 中 桩 侧 正 摩 阻 力 大 于 120 kPa 的 深 度 范 围 为 8.127.2 m，即范围为 19.1 m，范围扩大 9.3 m。可 见浸水过程负摩阻力调动了桩体中上部更大范围内 桩体的承载能力。 d. 表 2 为 55 号和 94 号试桩轴力和桩侧摩阻力 统计结果，由表中可以看出，随着桩顶荷载的增大， 负摩阻力也逐渐增大， 在最大荷载 9 300 kN 作用下， 未浸水和浸水 2 种工况中桩身的最大轴力分别超出 桩顶荷载1 113 kN和 1 742 kN， 即最大荷载的 12.0 和 18.7，由此可见黄土湿陷荷载对桩体轴力重分 布和设计的重要影响程度。 表 2试桩轴力及摩阻力值统计表 Table 2Statistics of axial force and skin friction of pile 工况 桩顶荷 载/kN 桩号 负摩阻力平均 值/kPa 最大轴力值 /kN 下拉荷 载/kN 未 浸 水 1 550 55号 1 456 94号 1 448 9 300 55号 9 243 94号 9 166 浸 水 后 1 550 55号 -171 841291 94号 -181 788288 9 300 55号 -6710 4131 113 94号 –8211 0421 742 3结 论 a. 未浸水条件下，各试验桩的荷载–沉降曲线 均为“缓变型”，而浸水条件下，试验桩荷载–沉降曲 线均呈现出明显的突变点，突变点后出现加速下沉 现象，即浸水引起桩侧黄土产生湿陷，对桩承载力 产生明显影响。 b. 未浸水条件下，试桩的轴力最大值在桩顶位 置，浸水条件下，试桩轴力的最大值出现在桩顶以 下一定深度处的湿陷性黄土层中，由于黄土的湿陷 荷载作用使桩体轴力峰值大于桩顶荷载，且桩体中 上部轴力普遍增大。 c. 未浸水条件下，桩侧摩阻力在桩身中上部位 置处出现峰值，为单峰型，且随着桩顶荷载的增大， 桩侧摩阻力也逐渐增大，并保持为正摩阻力；浸水 条件下，桩侧摩阻力分布呈现双峰型，即在湿陷性 黄土层范围内出现负摩阻力峰值，在湿陷性黄土层 以下一定位置出现正摩阻力峰值。 d. 浸水条件下，正负摩阻力转换位置为中性 点，其对应于浸水后轴力最大位置，且对于相同桩 ChaoXing 114煤田地质与勘探第 46 卷 顶荷载，浸水后的桩侧正摩阻力最大值与未浸水工 况中相当。 e. 本场地中桩顶施加竖向荷载为设计极限荷 载 9 300 kN 时，55 号桩和 94 号桩负摩阻力分别为 1 113 kN 和 1 742 kN，建议考虑单桩极限负摩阻力 设计值在 1 0001 800 kN。说明在这种地层条件下 进行桩基设计，尚需考虑负摩阻力的不利影响，但 不可赋值过大，以免造成不必要的浪费。 参考文献 [1] 黄雪峰，陈正汉，哈双，等. 大厚度自重湿陷性黄土中灌注桩 承载性状与负摩阻力的试验研究[J]. 岩土工程学报，2007， 293338–346. 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