降雨過程對(duì)蘭州黃土中樁基負(fù)摩阻力的影響

艾小平 吳亞平 舒春生 余小龍 高海平 陳坤 徐正偉

摘 要：

為了模擬預(yù)壓工況下非連續(xù)降雨對(duì)蘭州濕陷性黃土對(duì)橋梁樁基摩阻力影響，以自然滲透方式進(jìn)行了現(xiàn)場試坑浸水試驗(yàn)。通過埋設(shè)鋼筋計(jì)測算樁側(cè)摩阻力，埋設(shè)水分探頭測浸水深度。結(jié)果表明，浸水最大深度在10 m左右，且在該深度處含水率增量很小，說明浸水主要影響區(qū)域已在10 m之上。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，樁側(cè)負(fù)摩阻力始終存在，且其峰值隨著荷載遞增而增大。加載階段，負(fù)摩阻力分布區(qū)間長與樁長比值約為0.24，是一個(gè)變化的過程；卸載過程中，也存在負(fù)摩阻力，區(qū)間長與樁長的比值在0.28～0.45范圍內(nèi)波動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，首次降雨對(duì)樁基受力影響較大，較長時(shí)間的間斷性二次降雨影響較小。負(fù)摩阻力區(qū)間比規(guī)范規(guī)定的小，在實(shí)際樁基設(shè)計(jì)時(shí)，既要充分考慮首次降雨的影響，又可以根據(jù)負(fù)摩阻力長度和適當(dāng)調(diào)整樁長。

關(guān)鍵詞：

降雨；樁基；濕陷性黃土；現(xiàn)場試驗(yàn)；負(fù)摩阻力

中圖分類號(hào)：TU444

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16744764（2018）05002707

收稿日期：20170510

基金項(xiàng)目：

甘肅省重大科技專項(xiàng)（1302GKDA009）

作者簡介：

艾小平（1991 ），男，主要從事橋梁樁基礎(chǔ)研究，Email：2276870117@qq.com。

Received：20170510

Foundation item：

Major Scientific and Technological Special Project of Gansu Province（No.1302GKDA009）

Author brief：

Ai Xiaoping（1991）， main research interest：bridge pile foundation， Email： 2276870117@qq.com.

Effect of rainfall on negative frictional resistance of pile

foundation in Lanzhou loess

Ai Xiaoping1， Wu Yaping1， Shu Chunsheng2， Yu Xiaolong2，

Gao Haiping2， Chen Kun1， Xu Zhengwei1

（1.College of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， P. R. China；

2.Gansu Transportation Planning Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Lanzhou 730030， P. R. China）

Abstract：

To simulate the influence of noncontinuous rainfall on the friction of pile foundation in Lanzhou collapsible loess， field test was carried out via natural infiltration method. The project measures the pile side friction by embedding the steel bar and the immersion depth by water probe. The results show that the maximum water immersion is about 10 meters， and the increase of water content below this depth is marginal. During the test， the negative friction resistance is taking effect， and its peak increases when the load increases. At the loading stage， the length of the negative friction resistance is about 0.24 times the pile length， subjected to certain fluctuation. During the unloading process， there is still negative friction resistance， and the interval length fluctuates within the range of 0.28 ～ 0.45 times the pile length. The results show that the initial rainfall has a significant influence on the pile foundation， and the effect of continuous intermittent rainfall is marginal. The actual negative friction resistance is much smaller than the threshold. Consequently for pile design， it is necessary to fully consider the impact of the initial rainfall.The pice length should also be adjusted based on the negative friction resistance.

Keywords：

rainfall； pile foundation； collapsible loess； field test； negative friction

黃土是一種成分復(fù)雜的具有獨(dú)特性狀的土，是第四紀(jì)地質(zhì)時(shí)期干燥條件下形成的多孔具有柱狀節(jié)理的沉積物，主要成分是粉土顆粒（粒徑0.05～0005 mm），約占60%～70%，可溶鹽含量高達(dá)10%～30%，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙多而大，具有高壓縮性[1]。實(shí)踐證明，黃土受到水的浸濕后，結(jié)構(gòu)迅速破壞而產(chǎn)生顯著的附加沉降，即濕陷[23]。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，如果將樁基修建在有明顯濕陷性的黃土地區(qū)，樁側(cè)土體遇水濕陷較大時(shí)，會(huì)對(duì)樁產(chǎn)生向下的拉力，即負(fù)摩阻力，這會(huì)極大地降低樁基的承載力。近些年，濕陷性黃土樁基負(fù)摩阻力導(dǎo)致的工程問題，引起了相關(guān)領(lǐng)域許多學(xué)者的關(guān)注[49]。

雖然許多學(xué)者對(duì)濕陷性黃土樁基負(fù)摩阻力有研究，包括中國西北地區(qū)的一些科研機(jī)構(gòu)和高校也做過此類試驗(yàn)，但仍存在一些問題[1014]。首先，在已有的大量研究中，如朱彥鵬等[13]關(guān)于負(fù)摩阻力隨樁長變化的研究，試坑浸水方式大部分是在樁周打泄水孔，這種方法雖然可以使樁周土達(dá)到飽和極限狀態(tài)，研究其充分濕陷的情況，但與實(shí)際不吻合。其次，雖然魏進(jìn)等[14]做過類似浸水自然滲透的試驗(yàn)，但其摩阻力分布與融土地區(qū)類似，有明顯分界?？紤]到地域的廣闊性、復(fù)雜性，尤其是在中國大力投資建設(shè)的西北部地區(qū)，針對(duì)其特有的環(huán)境（干燥的氣候，大厚度高壓縮性黃土），現(xiàn)有的研究還不充足。最后，中國現(xiàn)行規(guī)范對(duì)負(fù)摩阻力取值方式的規(guī)定過于簡單粗略、單一保守，并沒有考慮到實(shí)際樁基受力過程中中性點(diǎn)的變化。并且在實(shí)際工作生產(chǎn)中，不同地區(qū)土層狀況千差萬別。

隨著中國生產(chǎn)技術(shù)和需求的不斷發(fā)展，濕陷性黃土中樁基負(fù)摩阻力的研究還不足以滿足相關(guān)需求。鑒于此，筆者結(jié)合蘭州地區(qū)獨(dú)有的地質(zhì)與氣候條件，模擬蘭州非連續(xù)降雨，進(jìn)行較大型的現(xiàn)場樁基預(yù)載浸水試驗(yàn)，研究蘭州地區(qū)濕陷性黃土對(duì)橋梁樁基摩阻力的影響。第5期

艾小平，等：降雨過程對(duì)蘭州黃土中樁基負(fù)摩阻力的影響

1 試驗(yàn)場地地質(zhì)水文概況

試驗(yàn)依托蘭州南繞城高速公路部分橋跨段，工程所在地屬隴西黃土高原西部，是青藏高原向黃土高原的過渡帶。地形地貌總體為南北高（黃土溝梁區(qū)），中間低（河谷盆地區(qū)），需要較多橋梁溝通連接。蘭州屬中溫帶大陸性氣候，冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑，氣候溫和，區(qū)內(nèi)海拔平均高度1 520 m，年均氣溫11.2 ℃，年均降水量327 mm，月最大降雨量123.2 mm。全年日照時(shí)數(shù)平均2 446 h，無霜期180 d以上。擬建項(xiàng)目在全國公路氣候自然分區(qū)中屬甘東黃土山地區(qū)Ⅲ3。

依據(jù)設(shè)計(jì)院的勘察資料，將該試驗(yàn)場地黃土自重濕陷最大深度初步確定為20 m。該工程段自重濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)，場地靠近柴家臺(tái)村，交通便利，故將試驗(yàn)場地選擇在西固區(qū)柴家臺(tái)上。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)依據(jù)及布置

結(jié)合蘭州地區(qū)降雨少、氣候干燥、匯水少的特點(diǎn)，依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2004）中有關(guān)的濕陷性黃土試驗(yàn)以及附錄H“單樁豎向承載力靜載荷浸水試驗(yàn)要點(diǎn)”，由于場地周邊道路及其他構(gòu)筑物的限制，將樁基浸水荷載試驗(yàn)試坑采用長方形以及4個(gè)小長方形，尺寸為L×b=20 m×9 m+4×2.5 m×2 m=200 m2，試坑深度為0.6 m，整個(gè)試坑內(nèi)鋪設(shè)15 cm厚的細(xì)砂礫。布設(shè)S2試樁，樁長l0為20.5 m，樁徑800 mm，試樁鋼筋籠主筋為8ф16，為通長筋，每根試樁在對(duì)稱鋼筋上沿豎向左右對(duì)稱布置鋼筋應(yīng)變計(jì)，從1 m開始，前10 m每隔1 m布置一個(gè)，后10 m每隔2 m布置一個(gè)，共計(jì)30個(gè)。試樁之間的距離8 m，滿足《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，即樁間距大于4d。加載系統(tǒng)采用工字鋼堆載及千斤頂加載的形式，樁基設(shè)計(jì)承載力為380 t，采用500 t的工字鋼堆載。該試樁共布置24個(gè)觀測點(diǎn)，采用百分表記錄位移，其中淺層標(biāo)點(diǎn)12個(gè)，分別沿120°夾角的3條觀測線布置，用于測地面的濕陷變化情況；深層標(biāo)點(diǎn)6個(gè)，用以觀測不同深度土層的自重濕陷情況；樁周土標(biāo)點(diǎn)3個(gè)，用以觀測樁土相對(duì)位移；樁頂3個(gè)點(diǎn)，以觀測樁的位移情況。試坑設(shè)有水分探頭，以量測水浸入深度。

2.2 試驗(yàn)步驟

1）試驗(yàn)得到旱地樁極限載荷為430 t，試樁取旱地樁極限荷載的0.5倍（215 t）作為設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行分級(jí)預(yù)加載；

2）第1級(jí)取分級(jí)荷載的2倍（86 t）加載，以后按分級(jí)荷載43 t加載，共加載4級(jí)；

3）待加載到設(shè)計(jì)荷載穩(wěn)定后，從10月25日開始分別按照年均降雨量的2倍、3倍慢速浸水，研究預(yù)壓浸水摩阻力發(fā)展情況，停水后繼續(xù)研究土體失水固結(jié)摩阻力的發(fā)展情況；

4）11月18日開始按3倍年均降雨量浸水，浸水穩(wěn)定后開始加載，并維持一定水位至試樁破壞。考慮到水分下滲及水分蒸發(fā)等，最終浸水量4倍多；

5）卸載分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)卸載量為加載分級(jí)載荷的2倍，維持1 h測讀樁頂沉降量。卸載至0后，讀樁頂殘余沉降量，維持至少3 h。

試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)按前1 h每15 min讀一次數(shù)，以后0.5 h讀一次數(shù)，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)2 h的位移量不大于0.1 mm[15]。

3 結(jié)果分析

3.1 加載結(jié)束的判定

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理計(jì)算，得到位移隨時(shí)間變化以及荷載與位移的關(guān)系，如圖2所示。

S2樁從預(yù)壓到浸水加載破壞，結(jié)果如圖2所示。從圖2可看出，第5級(jí)荷載之前，各級(jí)荷載下Slg t關(guān)系圖線較平直，無明顯的波折點(diǎn)。隨著荷載的增大，位移隨時(shí)間對(duì)數(shù)的增長數(shù)值基本保持不變。在第6級(jí)荷載作用下，加載初期，Slg t關(guān)系曲線基本沒有變化，僅表現(xiàn)為微降，但當(dāng)lg t數(shù)值在3附近時(shí)，位移曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，表現(xiàn)為陡降，且超過24 h位移沒有達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，故判定此時(shí)試樁破壞，停止加載。

3.2 軸力及摩阻力沿樁身分布分析

3.2.1 預(yù)壓階段分析 試驗(yàn)通過鋼弦式應(yīng)變計(jì)測得應(yīng)變，利用廠家提供的參數(shù)及公式計(jì)算得到軸力和摩阻力，結(jié)合Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到S2試樁預(yù)壓階段如圖3所示。

由圖3可知，軸力沿樁深下降呈非線性衰減。隨著加載量增加，樁土相對(duì)位移增大，樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮效應(yīng)，從而使軸力衰減速率增大。在樁體中上部5～11 m范圍，軸力有類似于正弦形的波動(dòng)。分析其原因，可能是該深度的土層與其他土層承載特性相比存在明顯差異，以及試樁在澆筑時(shí)，樁側(cè)平整度對(duì)樁土接觸也有一定影響；計(jì)算所得摩阻力沿樁深變化趨勢是先增大后減小，靠近樁端再次增大，這與西北地區(qū)部分科研機(jī)構(gòu)在類似土體試驗(yàn)所得結(jié)果（摩阻力在樁下部逐漸減小，在樁端接近于零）有一定差別[14]，主要是土體的特性差異，樁體下部土層與樁的剪切彈性接觸良好，從而使摩阻力再次遞增。摩阻力數(shù)值基本為正，最大峰值位置基本都在9 m處，且最大值未超過150 kPa。樁側(cè)局部出現(xiàn)負(fù)值，但數(shù)值較小，負(fù)摩阻分布長度約3 m，基本可忽略不計(jì)，這與已有的樁基試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。摩阻力出現(xiàn)多個(gè)峰值且局部出現(xiàn)負(fù)值可能與土層性質(zhì)和密實(shí)度有關(guān)，不同土層樁土粘結(jié)性能不同。此階段土體持力層主要在5～10 m及15～20 m處。

3.2.2 恒壓浸水階段分析 恒壓浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，在試坑浸水后，樁頂以下軸力隨即增大。在恒壓作用下，隨著浸水量和浸水時(shí)間的增長，樁身每個(gè)截面的軸力都在逐漸增大，軸力較樁頂荷載大的區(qū)間也在向下發(fā)展，且主要集中在樁中上部，樁端力幾乎沒變化。這主要是因?yàn)?，隨著浸水時(shí)間和浸水量的增加，樁側(cè)土產(chǎn)生自重濕陷，且濕陷深度隨土浸水深度發(fā)展而增大。當(dāng)土層的沉降大于樁體時(shí)，對(duì)樁產(chǎn)生向下的拉力，其數(shù)值隨著樁土相對(duì)位移增大而增大，這就相當(dāng)于對(duì)樁二次加載，因而樁端力隨之增加。由圖4（b）可知，摩阻力沿樁身向下正負(fù)交替，土體浸水立刻產(chǎn)生負(fù)摩阻力，且負(fù)摩阻力主要分布在樁上部。通過計(jì)算后，負(fù)摩阻力分布長度和主要在4.66～5.04 m區(qū)間內(nèi)，負(fù)摩阻力數(shù)值隨著時(shí)間因子增大和浸水量增加而增大，但增量不大。其主要原因是，隨著浸水量增加和時(shí)間延長，水浸入深度增大，淺層下的土層也產(chǎn)生較大沉降。此階段土體持力層與預(yù)壓基本一致，也主要在5～10 m及15～20 m處。

3.2.3 停水階段分析 試坑停水階段的軸力及摩阻力分布如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)試坑地表無積水時(shí)，軸力沿樁身仍有增加，但隨著時(shí)間的延長，增量逐漸減小。此階段樁身上部軸力增大值較小，主要表現(xiàn)為樁體中下部軸力增大，可能是在停水初期，隨著時(shí)間增長，深層土體也逐漸受到水分下滲造成的影響。此階段的樁端反力有一定量的增長，樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律在此階段基本變化不大，仍呈現(xiàn)正負(fù)交替，個(gè)別截面摩阻力數(shù)值先增大后減小。負(fù)摩阻力分布長度和在5.04～5.1 m范圍內(nèi)波動(dòng)，初期先增大，隨著時(shí)間延長，逐漸有微量的衰減。說明土體在停水固結(jié)初期蓄水量大。由于試驗(yàn)時(shí)間在秋冬季節(jié)，氣溫低，地層水分散失少，淺層土基本處于飽和狀態(tài)，使得樁土相對(duì)位移的變化很小，負(fù)摩阻力區(qū)段繼續(xù)發(fā)展。但后期隨著時(shí)間增長，部分水分散失，上部土層含水率降低，土體沉降速率降低，樁土相對(duì)位移減小，從而使負(fù)摩阻力分布長度和減小。此階段持力層基本無變化。

3.2.4 再次浸水階段分析 試坑再次浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖6所示。

當(dāng)試坑再次浸水時(shí)，此階段整個(gè)樁深軸力都有微量增大。軸力增量隨著時(shí)間逐漸減小，總體數(shù)值遞增量較小，其原因可能是長時(shí)間停水后，試坑再次浸水使得土體再次濕陷。但沉降在首次浸水及停水階段已基本完成，故軸力變化較小，這一點(diǎn)可以通過樁土位移得到印證。此階段摩阻力沿樁長的分布規(guī)律及分布區(qū)間長度基本無變化，說明較長時(shí)間的非連續(xù)性二次降雨對(duì)樁基摩阻力影響不大。

3.2.5 加載持續(xù)浸水階段分析 試坑再次加載持續(xù)浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖7所示。

試樁再次加載至破壞階段，在極限荷載作用下，軸力基本保持不變。而在破壞荷載作用下[15]，樁體中下部軸力明顯遞增，此階段負(fù)摩阻力峰值出現(xiàn)較大數(shù)值，主要是由于樁體產(chǎn)生較大的位移，擾動(dòng)了樁側(cè)土體水分下滲，從而使下部土體濕陷。負(fù)摩阻力分布長度和先減小后增大，在極限荷載下，長度約5.14 m。破壞荷載下，樁端反力發(fā)揮到最大程度。土體的持力層主要在樁8 m以下的位置，這與埋設(shè)水分探頭所測水浸入土層深度結(jié)果基本一致，可見，水的影響深度主要在前8 m的位置，具體變現(xiàn)為土體浸水后，出現(xiàn)明顯的沉降，對(duì)樁施加負(fù)摩阻力，同時(shí)，水使得樁土接觸相互作用弱化。

3.2.6 卸載階段分析 試坑再次浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖8所示。

由圖8可知，卸載過程中軸力沿樁向下先增大后減小，在樁上部出現(xiàn)3個(gè)峰值，最大峰值位置與預(yù)載時(shí)峰值有一定差異，基本處在7 m位置，7 m以下逐次遞減。較為反常的是在卸第1級(jí)荷載時(shí)，樁頂以下軸力較卸載前變化較小，而且測得樁體回彈位移值較小，甚至仍有沉降趨勢。其原因可能是樁在破壞荷載作用下，卸載時(shí)樁周土對(duì)樁有較大的約束，限制了樁的回彈，從而使樁土相對(duì)較小[16]。此階段摩阻力分布規(guī)律與加載階段基本一致，負(fù)摩阻力沿樁深分布區(qū)段和隨著卸載量的增加數(shù)值增大，從574 m變化到9 m。相比加載階段，變化明顯，空載時(shí)，數(shù)值達(dá)到最大?？赡苁切遁d過程中，由于土處于浸水狀態(tài)，仍會(huì)產(chǎn)生沉降，但樁體隨著荷載降低產(chǎn)生回彈，即產(chǎn)生向上的位移，如此便會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，并且樁體回彈量隨著卸載等級(jí)增加而增大。此時(shí)，樁側(cè)土體持力層主要在10 m以下位置。

為了研究全階段變化情況，選取5 m及7 m處繪制軸力圖，結(jié)果如圖9所示。

結(jié)合前5個(gè)階段分析結(jié)果圖，由圖9可知：試樁5 m處，在浸水后軸力就開始增大，且隨著水量的增加及時(shí)間的延續(xù)，增大趨勢逐漸向樁下部發(fā)展。試坑無明水時(shí)，軸力仍有增長，相對(duì)于試坑浸水狀態(tài)，數(shù)值較小，可能是受到試坑水頭小的影響。再次浸水時(shí)，軸力繼續(xù)微量增大。再次施加荷載時(shí)，在每級(jí)荷載下，隨著時(shí)間的延長，軸力又再次的增大。說明在破壞荷載下，負(fù)摩阻力仍然存在，可能是由于該位置處的土層在之前受到水的影響并不明顯，在此時(shí)，由于樁基對(duì)土的擾動(dòng)，導(dǎo)致該土層C、φ等承載特征值減小，從而下沉速率大于樁基，產(chǎn)生加載效應(yīng)。

綜合以上分析可知，隨著浸水時(shí)間延長，正摩阻力發(fā)揮度在逐漸減小，而樁端力發(fā)揮度在增加，在破壞荷載下樁端力發(fā)揮度到達(dá)極限時(shí)，摩阻力發(fā)揮度達(dá)到最小。

4 結(jié)論及展望

1）試驗(yàn)?zāi)M降雨的浸水方式下，通過埋設(shè)水分探頭測得浸水最大深度在10 m左右，且在該深度處含水率增量很小，說明浸水主要影響區(qū)域已在10 m以上，并且樁基在浸水期間持力層也主要分布在10 m以下，這印證了試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

2）在浸水過程中，由于浸水方式不同，水影響深度較淺，使樁側(cè)正摩阻力呈現(xiàn)先增大、左右波動(dòng)達(dá)到峰值后、經(jīng)過減小后再次有增大的現(xiàn)象。

3）試樁在恒壓浸水至破壞過程中，樁側(cè)負(fù)摩阻力始終存在，且其峰值隨著荷載遞增而增大。樁身負(fù)摩阻力區(qū)段長度ln，與樁長比值ln/l0為0.23～026，是一個(gè)變化的過程；卸載過程中，存在較大面積負(fù)摩阻力，ln/l0為0.28～0.45。設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮中性點(diǎn)區(qū)間特點(diǎn)，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

4）在試驗(yàn)過程中，首次降雨對(duì)樁基軸力及摩阻力影響較大。間隔20 d左右，試坑水干，再次降雨對(duì)摩阻力影響較小。鑒于此特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)可以主要考慮首次降雨對(duì)樁基影響。

5）試樁在短期浸水后，主要由于負(fù)摩阻力的影響，試樁的極限承載力只有自然條件下的60%。而試樁在極限荷載下的沉降量約自然條件下的1.73倍。設(shè)計(jì)時(shí)，在以承載力為主要控制參數(shù)時(shí)，要同時(shí)考慮樁基沉降的影響，保證承載力又兼顧橋梁路線的平順。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 胡英奎）