西安黃土地區(qū)橋梁樁基側(cè)摩阻力的合理取值

林高原

(云南省公路工程監(jiān)理咨詢公司，昆明 云南 650021)

0 引 言

黃土廣泛分布于中國大部分地區(qū)，從黃河中游地區(qū)，西起賀蘭山，東到太行山，北起長城，南到秦嶺幾乎全部覆蓋著黃土[1-2]。分布在陜西地區(qū)的部分黃土呈現(xiàn)出自重濕陷性的特征[3]，對工程施工存在一定的危害。因此，在該地區(qū)修建橋梁時，需考慮黃土濕陷性對樁基承載力的影響[4]。與建筑地基與基礎(chǔ)方面的研究相比，公路行業(yè)對黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)承載力方面的規(guī)范相對較少。尤其對于摩擦樁，其上部荷載主要由樁側(cè)土體所提供的側(cè)摩阻力承載，而現(xiàn)行《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)將黃土歸于粉質(zhì)黏土來進行側(cè)摩阻力的取值，沒有考慮黃土的特殊性[5]。若側(cè)摩阻力值偏大，會直接影響樁基的承載力，造成較大的安全隱患；若取值偏小，則在樁基礎(chǔ)設(shè)計時會造成不必要的浪費[6]。另外，隨著施工機械的不斷發(fā)展，黃土地區(qū)灌注樁的施工方式不再局限于人工挖、沖擊鉆等，反而逐漸被旋挖鉆孔所代替[7]。與其他成孔方式相比，旋挖鉆成孔對土體擾動較小，主要靠鉆挖鉆機對土體的不斷切削進行工作[8]，而不同的切削方式對土體力學(xué)性質(zhì)的影響較大[9]，因此不同成孔方式的樁側(cè)土體摩阻力取值也有所不同。不管是在理論分析還是試驗分析方面，國內(nèi)對黃土地區(qū)樁基側(cè)摩阻力的研究成果很多。黃雪峰等[10]對大厚度濕陷性黃土中灌注樁承載性狀與負摩阻力做了試驗研究，得到的實測負摩阻力的值遠大于規(guī)范值。馬天抒等[11]對西安市二環(huán)線某立交中2根樁基實施自平衡試驗并進行樁端后壓漿，研究了壓漿前后2根試驗樁的承載特性和荷載傳遞規(guī)律，并著重分析了后壓漿對樁基承載力的影響。徐亞利等[12]進行了黃土地區(qū)大直徑超長群樁的室內(nèi)模型試驗研究，得到了群樁的荷載-沉降曲線及承臺與各樁的應(yīng)力分布特點。邱英玉[13]通過蘭州地區(qū)某項目旋挖鉆孔灌注樁的現(xiàn)場靜載試驗，分析該成孔方式下樁的荷載傳遞機理，并得到了其承載力高于一般鉆孔灌注樁的結(jié)論。

目前的研究成果大多僅針對某一地區(qū)有限數(shù)量的試樁進行定量分析，缺乏對樁側(cè)阻力取值的系統(tǒng)總結(jié)。針對以上問題，本文通過西安及其周邊地區(qū)不同試驗場的樁基靜載荷試驗，對該地區(qū)樁基的承載特性尤其是樁側(cè)土體摩阻力的發(fā)揮性狀進行分析總結(jié)，擬為該地區(qū)土體側(cè)摩阻力的取值提供一定的參考。

1 試驗概況

本文統(tǒng)計試樁共分布在3個不同試驗區(qū)，分別為西安某鐵路高架橋試驗區(qū)、二環(huán)某立交試驗區(qū)和周邊某高速公路試驗區(qū)，共8根試樁。各試驗區(qū)基本情況如下。

(1)某鐵路高架橋試驗區(qū)。該試驗區(qū)主要地層為硬塑粉質(zhì)黏土、硬塑黏土、可塑粉質(zhì)黏土、中密中砂，其中典型地層為硬塑粉質(zhì)黏土、可塑粉質(zhì)黏土。試驗區(qū)共設(shè)3根試樁(命名為S11～S13)。試樁樁長為26.5 m，樁徑為1.0 m。

(2)二環(huán)某立交試驗區(qū)。除上部分布少量雜填土外，該試驗區(qū)廣泛分布黃土，屬自重濕陷性場地，地基濕陷等級為Ⅱ級。試驗區(qū)共設(shè)2根試樁(命名為S21、S22)，樁徑均為0.8 m，實際樁長為17.5 m(樁底進入持力層3 m)?？紤]到試驗場地土體的濕陷性，參照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)相關(guān)規(guī)定進行靜載荷試驗，同時對試樁進行了豎向承載力靜載荷浸水試驗。試驗時，樁周土體處于天然濕度下，分別將S22樁分級加載至破壞、S21試樁加載至設(shè)計荷載。待樁頂沉降穩(wěn)定后，保持上部荷載不變并開始浸水，達到最大浸水量后，使樁周土的自重濕陷充分發(fā)生，樁體下沉穩(wěn)定后，再分級加載至極限承載力。

(3)周邊某高速公路試驗區(qū)。根據(jù)工程勘察報告，該高速公路全線區(qū)段地層主要分布黃土層、古土壤層。試驗區(qū)共設(shè)3根試樁(命名為S31～S33)，樁徑選擇1.5 m，樁長分別為35、30、25 m。

3個試驗區(qū)地層統(tǒng)計見表1～3。

表1 某鐵路高架橋試驗區(qū)地層統(tǒng)計

表2 二環(huán)某立交試驗區(qū)地層統(tǒng)計

表3 西安周邊某高速公路試驗區(qū)地層統(tǒng)計

2 試驗結(jié)果分析

2.1 某鐵路高架橋試驗區(qū)

圖1 S11、S12、S13試樁的荷載-沉降曲線

圖1為3根試樁的荷載-沉降曲線，3條荷載-沉降曲線均無明顯的陡降點。S11試樁在7 000 kN時的累計沉降量為29.349 mm，當(dāng)加載至8 000 kN時，試樁沉降持續(xù)變大，壓力無法穩(wěn)定，此時樁頂沉降約63 mm，判斷S11試樁發(fā)生破壞。S12、S13試樁試驗過程及結(jié)果與試樁S1基本相同。觀察3根試樁的荷載-沉降曲線，發(fā)現(xiàn)在加載至8 000 kN時，曲線均出現(xiàn)了明顯的下彎，由此判斷S11、S12、S13的極限承載力是7 000 kN。

圖2～4分別為不同荷載下3根試樁樁側(cè)阻力分布曲線。3根試樁樁側(cè)阻力均呈單峰狀，即在樁頂處樁側(cè)阻力近乎為0，隨著樁入土深度的增加而增加，在一定深度時達到峰值，繼而樁側(cè)阻力減小。然而，3根試樁樁側(cè)阻力峰值所對應(yīng)的深度接近樁頂，因此樁側(cè)阻力分布曲線也可近似簡化為倒三角形分布。3根試樁樁側(cè)阻力最大值均出現(xiàn)在距樁頂2 m左右，但在極限荷載下，樁側(cè)阻力峰值明顯下降，隨后趨于穩(wěn)定，樁側(cè)土體達到極限狀態(tài)。

圖2 試樁S11樁側(cè)阻力分布曲線

圖3 試樁S12樁側(cè)阻力分布曲線

圖4 試樁S13樁側(cè)阻力分布曲線

圖5 S21、S22試樁荷載-沉降曲線

2.2 二環(huán)某立交試驗區(qū)

圖5為2根試樁的荷載-沉降曲線。由于該試驗區(qū)2根試樁尺寸較小，其荷載-沉降曲線呈現(xiàn)典型的“陡降型”規(guī)律。在天然狀態(tài)下，2根試樁的沉降近乎一致。達到設(shè)計荷載1 200 kN后，試樁S21開始浸水，而試樁S22繼續(xù)加載，此時，在相同上部荷載下，2根試樁顯示出明顯的差別。浸水過程維持荷載1 200 kN不變，試樁S21的樁頂沉降急劇增加后趨于穩(wěn)定，可見樁周黃土發(fā)生了濕陷。在上部荷載達到3 300 kN時，試樁S21樁頂沉降量達到23.25 mm，繼續(xù)增加荷載至3 600 kN，累計沉降量陡增至91.50 mm，試樁S21達到極限荷載而破壞。處于天然狀態(tài)下的試樁S22樁頂沉降量平緩增加，在上部荷載為3 500 kN時，樁頂沉降量僅為2.998 mm，而在下一級荷載時，樁頂沉降量陡然增加，累計達到65.310 mm，試樁破壞。因此，2根試樁極限承載力分別為3 300 kN和3 500 kN。

圖6、7分別為試樁S21、試樁S22樁側(cè)阻力分布曲線。試樁S21樁側(cè)阻力沿樁身向下呈波動狀遞增，在樁深15.7 m左右達到峰值后銳減。在上部荷載達到1 200 kN后浸水的過程中，樁周土體出現(xiàn)了負摩阻力的現(xiàn)象，但負摩阻力較小，最大值僅為-10.2 kN，且隨著樁深增大逐漸消失。與試樁S21相比，試樁S22樁側(cè)阻力分布曲線相對“凌亂”，整體在樁深5.2～9.7 m處較大，在17.2 m處達到峰值。圖8為典型荷載下2個試樁的樁側(cè)阻力曲線。當(dāng)上部荷載相同或相近時，2根試樁側(cè)摩阻力分布曲線差別較大，印證了黃土濕陷性對樁側(cè)阻力的影響。

圖6 試樁S21樁側(cè)阻力分布曲線

圖7 試樁S22樁側(cè)阻力分布曲線

圖8 兩試樁樁側(cè)阻力對比

2.3 西安周邊某高速公路試驗區(qū)

圖9是S31、S32、S33三根試樁的荷載-沉降曲線。由圖可以清晰辨別出3根試樁極限承載力分別為12 600、10 800、10 500 kN，對應(yīng)樁頂沉降分別為5.125、12.824、12.99 mm。浸水導(dǎo)致試樁極限承載力下降并伴隨樁頂沉降量增加，其原因可能是樁周黃土結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致土體抗剪強度降低，或黃土飽和后壓縮模量降低，致使發(fā)揮相同側(cè)摩阻力時需要更大的樁土相對位移[14]。

圖9 S31、S32、S33試樁荷載-沉降曲線

圖10 試樁S31樁側(cè)阻力分布曲線

圖11 試樁S32樁側(cè)阻力分布曲線

圖12 試樁S33樁側(cè)阻力分布曲線

圖10～12為3根試樁在2種狀態(tài)下的樁側(cè)阻力分布曲線，各試樁的樁側(cè)阻力分布曲線均呈拋物線型。隨著上部荷載的增加，3根試樁側(cè)摩阻力峰值出現(xiàn)位置均有所提高。在最大加載量時，3根試樁所對應(yīng)的峰值位置分別從樁深19.2、19.1、14.8 m處提高至樁深14.3、14.2、10.6 m處?？梢?，樁側(cè)土體更早地達到了極限狀態(tài)。

3 黃土地區(qū)鉆孔灌注樁樁側(cè)阻力的合理取值

3.1 極限荷載下各試樁樁側(cè)阻力的發(fā)揮

二環(huán)某立交試驗區(qū)中試樁S21所測數(shù)據(jù)為浸水狀態(tài)下極限側(cè)摩阻力，因此其值小于試樁S2。通過表4～6(表中孔隙比僅羅列黃土及黃土性質(zhì)的土)和圖13的對比分析可明顯看出，3個試驗區(qū)共8根試樁樁周土體側(cè)摩阻力的發(fā)揮均遠高于規(guī)范值。

表4 某鐵路高架橋試驗區(qū)各試樁極限側(cè)摩阻力值

表5 二環(huán)某立交試驗區(qū)各試樁極限側(cè)摩阻力值

表6 西安周邊某高速公路試驗區(qū)各試樁極限側(cè)摩阻力值

圖13 極限荷載下各試樁樁側(cè)阻力分布

(1)某鐵路高架橋試驗區(qū)。該試驗區(qū)土質(zhì)較為均勻，大部分為粉質(zhì)黏土，所夾中砂層厚度較小，因此極限荷載下樁側(cè)阻力趨于定值，認為樁周土體側(cè)阻力的發(fā)揮達到極限值[15]。極限荷載下，各土層樁側(cè)阻力實測值均達到80 kPa以上，相較于規(guī)范值給出的45 kPa和55 kPa，提高了一倍左右。從試驗結(jié)果看出，中密和密實黃土天然狀態(tài)下樁側(cè)極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值達到80 kPa。

(2)二環(huán)某立交試驗區(qū)。該試驗區(qū)樁周土體上部為雜填土和素填土，極限摩阻力值較低，下部為黃土、古土壤等，極限摩阻力相對較高，因此試樁側(cè)摩阻力分布曲線呈拋物線型，且峰值接近樁端。極限荷載作用下，試樁S21由于浸水作用，其側(cè)摩阻力實測值較試樁S22偏小。沿樁身向下，水對樁周土體力學(xué)性質(zhì)的影響逐漸減弱，因此最下層古土壤層2根試樁樁側(cè)阻力實測值接近。試驗區(qū)土體自上而下分別為稍密和中密，極限荷載下，各土層側(cè)摩阻力實測值均與規(guī)范值相差過大，分別較規(guī)范值提高了79.29%、75.64%、24.49%。試樁S22下部黃土側(cè)摩阻力值相對較小，可能是由于上部荷載在傳遞到下部的過程中已大部分轉(zhuǎn)移到樁周土體中而導(dǎo)致下部樁土相對位移較小[16]。從試驗結(jié)果可以看出，稍密和中密黃土天然狀態(tài)下樁側(cè)極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別達到80 kPa和95 kPa。

(3)周邊某高速公路試驗區(qū)。該試驗區(qū)土層為黃土和古土壤互層，由于試驗區(qū)3根試樁樁長不同，分別為35、30、25 m，因此各試樁同土層極限側(cè)摩阻力略有差異。極限荷載下，試樁S31、S32樁周土體側(cè)摩阻力均由上至下先增大后減小，而試樁S33各層土側(cè)摩阻力值相差較小。試驗區(qū)土層自上而下分為中密和密實2種，試樁S31下部密實土層側(cè)摩阻力值相對較小，第4層老黃土實測值僅為50.12 kPa，第5層古土壤僅為31.2 kPa。其原因可能是：由于樁身較長，樁端部分樁土相對位移量較小，從而導(dǎo)致土體側(cè)摩阻力未發(fā)揮完全[17]。因此，認為未能取得該土層極限摩阻力值。除此之外，3根試樁其余樁周土體側(cè)摩阻力實測值均高于規(guī)范值。從試驗結(jié)果可以看出，中密黃土的樁側(cè)極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值達到90 kPa。

3.2 黃土地區(qū)橋梁鉆孔灌注樁樁側(cè)阻力合理取值

現(xiàn)行《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)將塑限Ip介于10～17之間的土歸為粉質(zhì)黏土，3個試驗區(qū)土體塑性指數(shù)均在此范圍內(nèi)，屬于典型的粉質(zhì)黏土。對粉質(zhì)黏土側(cè)摩阻力的取值，主要取決于其密實度。規(guī)范規(guī)定，當(dāng)孔隙比e<0.75時，粉質(zhì)黏土密實度為密實；當(dāng)0.75≤e≤0.9時，粉質(zhì)黏土密實度為中密；當(dāng)孔隙比e>0.9時，粉質(zhì)黏土密實度為稍密。中密粉質(zhì)黏土極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為30～50 kPa，密實粉質(zhì)黏土極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為55～80 kPa。

單樁的破壞形式有多種，機理復(fù)雜。在極限荷載作用下，并非樁周各層土體均能達到極限狀態(tài)。尤其對于現(xiàn)在公路橋梁中應(yīng)用較多的大直徑樁、長樁或超長樁，樁周土體側(cè)摩阻力的發(fā)揮受較多因素影響，樁身下部土體側(cè)摩阻力可能由于樁土相對位移的減小而無法完全發(fā)揮[18]。

綜合對比表4～6，極限荷載作用下3個試驗區(qū)黃土(天然狀態(tài)下)極限側(cè)摩阻力均達到85 kPa左右，最小值為西安周邊某高速公路試驗區(qū)試樁S33的80.42 kPa，最大值為二環(huán)某立交試驗區(qū)試樁S32的96.60 kPa，可粗略地認定陜西黃土地層鉆孔灌注樁側(cè)摩阻力不低于80 kPa。

通過某鐵路高架橋、二環(huán)某立交和西安周邊某高速公路3個試驗區(qū)共8根試樁的靜載荷試驗，對其極限荷載下樁側(cè)阻力進行總結(jié)，并與現(xiàn)行規(guī)范值進行對比，結(jié)果見表7。

表7 粉質(zhì)黏土劃分及極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值

試驗所得密實粉質(zhì)黏土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值較小。密實粉質(zhì)黏土層位于西安周邊某高速公路某試驗區(qū)，距樁頂深度30 m以下，液性指數(shù)較小，土體呈可塑狀態(tài)，接近堅硬。其極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值較小可能是由于上部荷載傳遞到樁身下部時，上部土層側(cè)摩阻力幾乎完全發(fā)揮，承擔(dān)了大部分的荷載，加之樁周土體為老黃土和古土壤層，液性指數(shù)僅為0.03和0.08，屬于較為堅硬的土體，導(dǎo)致樁身壓縮量和樁土相對位移均較小，因此該部分土層的側(cè)摩阻力無法完全發(fā)揮[19]。極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值取值可以參考中密和稍密粉質(zhì)黏土。

4 結(jié) 語

(1)某鐵路高架橋試驗區(qū)3根試樁S11、S12和S13試驗所得極限承載力均為7 000 kN，極限荷載下樁頂沉降分別為25.786、30.982、28.510 mm。3根試樁樁側(cè)阻力分布規(guī)律相似，均呈近似倒三角分布，在極限荷載下，樁側(cè)阻力趨于一個定值，即85 kPa左右。

(2)二環(huán)某立交試驗區(qū)2根試樁極限承載力分別為3 300 kN和3 500 kN，對應(yīng)樁頂沉降分別為23.250 mm和2.998 mm。2根試樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律大致相似，試樁S21由于浸水，其側(cè)摩阻力值明顯小于試樁S22。極限荷載作用下，試樁S21樁側(cè)阻力最大值為317.27 kN，試樁S22樁側(cè)阻力最大值為575.49 kN。該地區(qū)黃土地層濕陷性對樁側(cè)阻力和單樁極限承載力的影響較小，可忽略不計。

(3)西安周邊某高速公路試驗區(qū)3根試樁S31、S32和S33的極限承載力分別為12 600、10 800、9 000 kN，對應(yīng)的樁頂沉降量分別為9.078、5.206、12.99 mm。3根試樁樁側(cè)摩阻力呈拋物線型分布。

(4)通過試樁的現(xiàn)場靜載試驗，給出基于試驗的黃土地層樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的建議取值范圍，即當(dāng)黃土密實度為稍密(e>0.9)時，樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的建議取值范圍為60～80 kPa；當(dāng)黃土密實度為中密(0.75≤e≤0.9)時，樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的建議取值范圍為70～95 kPa；當(dāng)黃土密實度為密實(e<0.75)時，樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的建議取值范圍為85～110 kPa。