張 磊, 羅少鋒, 魯 潔

(1. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，修建于濕陷性黃土場地的高層建筑、大荷載構(gòu)筑物、高速公路、高速鐵路等越來越多；這些工程荷載較大或?qū)Τ两狄筝^高，樁基礎(chǔ)為其主要基礎(chǔ)形式[1].由于地下管道破壞長期漏水、建筑物地面經(jīng)常受水浸濕或大面積積水、農(nóng)田灌溉及各種水利設(shè)施的興建等原因，濕陷性黃土場地有受水浸濕的可能性[2].很多學(xué)者[3-4]通過現(xiàn)場浸水試驗(yàn)對黃土的濕陷特性展開研究，并得到一些有益的結(jié)論.濕陷性黃土在天然含水量下工程性質(zhì)良好，浸水后發(fā)生濕陷變形使樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力；負(fù)摩阻力對樁產(chǎn)生下拉作用，不但不會對施加于樁頂?shù)呢Q向荷載起抵抗作用，反而導(dǎo)致樁基承載力下降，樁身沉降增大[5].劉爭宏等[6]和劉明振[7]分別提出了黃土浸水濕陷使樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力時單樁和群樁的沉降計(jì)算方法；李晉等[8]建立了有限元模型，并分析了黃土濕陷特性對樁基豎向承載性狀的影響規(guī)律；王長丹等[9]利用重塑黃土代替原狀黃土，通過離心模型試驗(yàn)分析了基樁負(fù)摩阻力分布規(guī)律和中性點(diǎn)位置的變化規(guī)律.由于目前研究浸水條件下濕陷性黃土場地樁基豎向承載的計(jì)算方法和室內(nèi)試驗(yàn)尚不成熟，現(xiàn)場試驗(yàn)仍是最有效的研究手段.黃雪峰等[10]結(jié)合寧夏扶貧揚(yáng)黃工程，研究了自然狀態(tài)下及浸水條件下大厚度自重濕陷性黃土中灌注樁豎向承載性狀.曹衛(wèi)平等[11]研究了濕陷性黃土地基中人工挖孔擴(kuò)底灌注樁在先加載后浸水和預(yù)浸水條件下樁身摩阻力、樁端反力及樁身中性點(diǎn)深度的發(fā)展變化規(guī)律，并將試驗(yàn)結(jié)果與我國現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行對比.宗雪梅等[12]取消了浸水場地常用的浸水孔，分析了自然條件下和浸水條件下樁頂沉降、樁側(cè)摩阻力及樁端反力的發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)浸水濕陷時全厚黃土層內(nèi)樁側(cè)摩阻力并非全為負(fù)值；而朱彥鵬等[13]采用直徑為2 m的小直徑試坑浸水，并在樁身上鉆注水孔，在注水孔不同深度處設(shè)置若干個滲水孔以向樁周黃土浸水，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁身正、負(fù)摩阻力交替出現(xiàn).劉飛等[14]在自重濕陷性黃土場地(經(jīng)由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果判定)上研究了天然、預(yù)濕、后濕三種工況下PHC管樁的豎向承載性狀，但在試驗(yàn)中并未檢測出樁側(cè)負(fù)摩阻力，指出根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果判定場地濕陷類型并不可靠；而李大展等在非自重濕陷性黃土場地(經(jīng)由現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果判定)的浸水試驗(yàn)結(jié)果[15]表明，擴(kuò)底灌注樁的樁側(cè)負(fù)摩阻力及由浸水引起的樁頂附加沉降仍較為顯著，且施加垂直荷載的樁頂附加沉降量比無垂直荷載作用的樁大得多.由現(xiàn)有的研究成果可以看出，雖然目前濕陷性黃土場地樁基豎向承載現(xiàn)場浸水試驗(yàn)研究已有很多，但浸水方法和黃土濕陷性評價方法尚不成熟，浸水條件下樁基豎向承載規(guī)律尚未被研究人員和設(shè)計(jì)人員掌握.因此，有必要繼續(xù)對不同的黃土場地及不同的樁型采用不同的浸水方法開展現(xiàn)場試驗(yàn)研究.

本文通過對自重濕陷性黃土場地中3根鉆孔灌注樁在天然、先加載后浸水和預(yù)浸水3種工況下的靜載荷試驗(yàn)，分析了加載及浸水過程中樁頂沉降、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端反力等的發(fā)展變化規(guī)律，所得成果可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)場地地質(zhì)條件

試驗(yàn)場地位于陜西省銅川市董家河循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范園區(qū)內(nèi)，地貌屬渭北黃土塬，塬面地形平坦、開闊.場地地下水為孔隙型潛水和基巖裂隙水，埋藏較深，本次試驗(yàn)不受其影響.地層結(jié)構(gòu)在地面以下45 m以內(nèi)均為黃土與古土壤的互層，其中上部6.8 m為馬蘭黃土，下部為離石黃土.自上而下，各土層物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.F5層及以下地層可不考慮濕陷性.試樁附近自重濕陷量計(jì)算值為635 mm，總濕陷量計(jì)算值為1 814 mm；由此判定場地濕陷類型為自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級為IV級，濕陷程度很嚴(yán)重.

表1 地基土物理性質(zhì)指標(biāo)匯總表

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用錨樁橫梁式.共安排試樁3根，排列成“一”字形，編號依次為A1、A2和A3，直徑均為800 mm，樁長為41.5 m，樁端持力層為F6古土壤，混凝土強(qiáng)度等級為C35.安排錨樁8根，樁徑為800 mm，樁長為41 m，混凝土強(qiáng)度等級為C35.錨樁分為兩排，每排4根，與試樁平行排列，且試樁位于相鄰4根錨樁的中心處.相鄰試樁及相鄰錨樁之間的間距均為5 m，錨樁排距為5 m，相鄰試樁與錨樁之間的距離為3 536 mm.試樁和錨樁均為干作業(yè)旋挖鉆孔灌注樁.低應(yīng)變測試結(jié)果表明試樁和錨樁均為基本完整樁，即樁身缺陷輕微，不會影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮.

試驗(yàn)選取A2和A3兩根試樁進(jìn)行樁周土浸水.由于工期緊迫，只在樁周小范圍內(nèi)浸水.浸水坑形狀為以樁體中心為圓心的圓形，直徑為2 m，坑深1 m.試坑內(nèi)均勻布置直徑為78 mm、深度為20 m的滲水孔4個，孔內(nèi)填充粒徑為5～20 mm、含泥量小于1%的砂礫石.浸水坑坑底鋪設(shè)30 cm厚的卵礫石層，粒徑5～20 mm，含泥量小于1%.

試驗(yàn)加載方式為慢速維持荷載法.A1試樁在樁周土為天然狀態(tài)下分級施加至11 000 kN，然后分級卸荷到零.A2試樁先加載至4 000 kN，樁沉降穩(wěn)定后在樁周連續(xù)浸水7 d，繼續(xù)加載至11 000 kN然后分級卸荷到零，試驗(yàn)過程中繼續(xù)浸水.A3試樁先在樁周連續(xù)浸水14 d，在繼續(xù)浸水的情況下加載至12 000 kN，然后分級卸荷到零.在A2和A3試樁主筋不同部位的斷面上對稱安裝2只鋼筋應(yīng)力計(jì)，鋼筋計(jì)的設(shè)置間距根據(jù)地層分布確定，埋設(shè)位置如圖1所示，每根樁共設(shè)置鋼筋應(yīng)力計(jì)28個.靜載試驗(yàn)開始前測量一次鋼筋計(jì)讀數(shù)，作為初讀數(shù)，以后每級荷載下樁沉降穩(wěn)定后進(jìn)行測量；浸水期間每隔一定時間測量一次.根據(jù)測量結(jié)果，可以計(jì)算得到樁側(cè)摩阻力、樁身軸力及樁端反力.

圖1 鋼筋應(yīng)力計(jì)埋設(shè)截面(單位：m)Fig. 1 Layout of stress meters for steel bars (unit: m)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 樁頂沉降特征

A1、A2和A3試樁的樁頂沉降s與荷載Q關(guān)系曲線如圖2所示.考慮設(shè)計(jì)要求荷載及設(shè)備疲勞原因，A1和A2試樁加載至11 000 kN，A3試樁加載至12 000 kN，均未加載至樁體破壞.由圖2可見，當(dāng)荷載較小時，三根試樁的樁頂沉降s隨荷載Q的增加均成線性增長；隨著荷載的繼續(xù)增加，沉降增速逐漸增大，Q～s曲線呈非線性.當(dāng)加載至11 000 kN時，A1試樁的沉降為17.58 mm，A2試樁由于樁周土體浸水沉降達(dá)到27.29 mm，約為A1試樁的1.55倍.同樣由于樁周土體浸水的原因，A3試樁在加載至12 000 kN時沉降為27.2 mm.卸載到0時A1、A2和A3試樁的回彈變形分別為11.04 mm、14.51 mm和14.84 mm，回彈變形均較大.A2試樁在荷載為4 000 kN的浸水期間，沉降由6.21 mm增至8.13 mm，由樁身軸力檢測結(jié)果表明，這主要是由于浸水期間樁身上部樁側(cè)正摩阻力減小，樁身壓縮量增大所致.由于A3試樁在荷載為0的浸水期間基本未檢測到樁側(cè)負(fù)摩阻力，該期間樁頂沉降為0.

圖2 荷載 - 沉降曲線Fig. 2 Load-settlement curves

2.2 浸水期間樁側(cè)摩阻力和樁身軸力演化特征

A3試樁在樁頂未施加豎向荷載的情況下浸水，鋼筋應(yīng)力計(jì)測試結(jié)果表明樁側(cè)基本未出現(xiàn)負(fù)摩阻力，通過觀察樁周土也未發(fā)現(xiàn)裂縫等浸水濕陷土層具有的外部特征，因此在本試驗(yàn)小試坑浸水及場地地層條件下，樁周土層未受到附加應(yīng)力時浸水未產(chǎn)生濕陷變形，從而在樁側(cè)也未產(chǎn)生負(fù)摩阻力.A2試樁在樁頂維持4 000 kN荷載不變的情況下浸水，浸水期間樁身軸力及樁側(cè)摩阻力隨浸水時間的發(fā)展演化規(guī)律如圖3所示.由圖3可見，隨著浸水時間的增加，樁周土層在附加應(yīng)力的作用下逐漸浸水濕陷，樁身上部樁土相對位移逐漸減小，樁側(cè)正摩阻力逐漸減小，且其變化的速率逐漸減小，由此導(dǎo)致樁身上部軸力逐漸增大，且其變化的速率也逐漸減小.由于樁身上部軸力增大，樁身中部沉降增大并超過土體濕陷變形，致使樁側(cè)摩阻力隨浸水時間的增加而增大，但其變化速率逐漸減小；樁身中部軸力也稍有增大.由于樁身中部軸力增加，且F5層及以下地層可不考慮濕陷性，隨浸水時間的增加樁身下部樁土相對位移增大，樁側(cè)摩阻力和樁身軸力也均稍有增加.由此可以看出，在本試驗(yàn)小試坑浸水及場地地層條件下，樁周土層在附加應(yīng)力的作用下雖有濕陷變形發(fā)生，但濕陷變形量并不大，并未使樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，樁身軸力的最大值仍位于樁頂.

圖3 浸水期間A2試樁承載性狀 - 時間關(guān)系曲線Fig.3 Bearing behaviors of No.2 pile-time curves during immersing

2.3 加載過程中樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端反力演化特征

圖4 加載過程中A2試樁樁身軸力和樁側(cè)摩阻力沿深度分布Fig.4 Distributions of axial force and skin friction of No.2 pile along depth during loading

加載過程中A2試樁和A3試樁的樁身軸力和樁側(cè)摩阻力沿深度的分布分別如圖4和圖5所示，樁端反力與樁頂荷載的關(guān)系如圖6所示.由圖4和圖5可見，當(dāng)荷載逐步施加于樁頂，樁身壓縮并相對于樁周土產(chǎn)生向下的位移，樁周土為抵抗樁土相對位移而對樁側(cè)表面施加向上的摩阻力，也即正摩阻力，致使樁身軸力沿深度逐漸遞減.當(dāng)樁頂荷載較小時，樁身上部軸力沿深度衰減的很快，樁頂荷載主要由樁身上部的側(cè)摩阻力承擔(dān).隨著樁頂荷載的增加，樁身上部的側(cè)摩阻力逐漸增大并穩(wěn)定下來，某些深度處樁側(cè)摩阻力在達(dá)到峰值后甚至隨樁土相對位移的增加而減小，此時樁身軸力逐漸向下傳遞，樁身中下部的側(cè)摩阻力也開始發(fā)揮，并最終傳至樁底，這點(diǎn)從圖6可以看出，至此樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力和樁端反力共同承擔(dān).由于A2試樁在樁頂維持4 000 kN荷載不變的情況下浸水，樁周土體軟化，在后續(xù)的加載過程中，樁身上部的側(cè)摩阻力明顯減小.由于A3試樁在樁頂施加豎向荷載之前浸水，相同荷載下樁身上部的側(cè)摩阻力比未浸水條件下同一深度處A2試樁的側(cè)摩阻力小.由圖6可見，A2試樁在樁周浸水并且樁頂荷載超過4 000 kN的情況下樁端才開始承擔(dān)荷載，且樁端反力隨樁頂荷載的增加而增大，其變化速率隨樁頂荷載的增加而增大，在樁頂荷載施加的后期樁端反力隨樁頂荷載的增加而急劇增大.A3試樁的樁端在樁頂荷載為3 000 kN時就承擔(dān)荷載，隨后A3試樁的樁端反力隨樁頂荷載的增加而增大，其變化速率也隨樁頂荷載的增加而增大.樁頂荷載小于5 000 kN時，A3試樁的樁端反力比A2試樁的樁端反力大；樁頂荷載超過5 000 kN時，A2試樁的樁端反力比A3試樁的樁端反力大.

圖5 加載過程中A3試樁樁身軸力和樁側(cè)摩阻力沿深度分布Fig.5 Distributions of axial force and skin friction of No.3 pile along depth during loading

圖6 樁端反力 - 樁頂荷載關(guān)系曲線Fig.6 End reaction-load curves

3 結(jié)論

在天然、先加載后浸水和預(yù)浸水3種工況下，對自重濕陷性黃土場地中的3根旋挖鉆孔灌注樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，通過分析加載及浸水過程中樁頂沉降、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端反力等的發(fā)展變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

(1)隨著樁頂荷載的增加，樁頂沉降逐漸增大，其變化速率在初始段為常值，后半段逐漸增大.樁身軸力逐漸向深部傳遞，樁身上部的側(cè)摩阻力隨樁土相對位移的增加而增大并穩(wěn)定下來，某些深度處樁側(cè)摩阻力在達(dá)到峰值后甚至減小.樁身軸力最終傳至樁底，且浸水條件下比未浸水條件下樁身軸力先傳至樁底.樁端反力隨樁頂荷載的增加而增大，其變化速率隨樁頂荷載的增加而增大.

(2)浸水使樁周土體軟化，導(dǎo)致樁周土所能提供的最大側(cè)摩阻力減小，相同荷載作用下浸水時樁頂沉降比未浸水時樁頂沉降大得多.

(3)在本試驗(yàn)小試坑浸水及場地地層條件下，樁周土層未受到附加應(yīng)力時浸水未產(chǎn)生濕陷變形，從而在樁側(cè)未產(chǎn)生負(fù)摩阻力，浸水期間樁頂沉降為0；樁頂維持4 000 kN荷載不變的情況下浸水，隨著浸水時間的增加，樁身上部正摩阻力減小而軸力增大，樁頂沉降增大，但也未在樁側(cè)檢測到負(fù)摩阻力，樁身軸力的最大值仍位于樁頂.