湿陷性黄土区铁路桩基试验研究

2010-07-30黄世斌

铁道建筑 2010年7期

黄世斌

(广西工学院土木建筑工程系，广西柳州545006)

湿陷性黄土中的桩基受力机理与负摩阻力是黄土地区桩基设计的重要问题［1－3］。郑州—西安铁路修建通过大量湿陷性黄土地区，其桥梁基础主要采用钻孔灌注桩，设计桩长均为50～60 m，国内外对湿陷性黄土区桩基开展了大量的现场试验研究，但绝大多数桩长较短，湿陷性黄土层较薄［4－6］，如何合理评价黄土湿陷性对铁路桩基承载力及变形的影响，目前国内还处于研究阶段。据文献[7] 在自重湿陷性黄土场地进行桩基设计时，不仅不能计入自重湿陷地层的正侧摩阻力，还要扣除负摩阻力，这使桩长大大增加，投资亦大量增加。故现场选定典型地段进行桩基浸水载荷试验，对湿陷性黄土产生的桩基影响进行全面分析，为湿陷性黄土地基处理及桩基方案的优化提供相关参数和设计依据。

1 工程地质条件

试验工点位于三门峡市大桥镇，地貌单元为黄河二级阶地，现为农田，地势较平缓，境内地表主要以黄土出露为主，未见基岩。其中本场地桩长范围内地层划分主要为:松散砂质黄土(深度0～16 m)、中密砂质黄土(深度16～33 m)、粉砂(深度 33～36 m)、粉土(深度 36～38 m)、粉砂(深度 38～41 m)、粉土(深度41～45 m)、粉砂(深度 45～52 m)、粉土(深度 52～56 m)、细砂夹少量圆砾(深度56～60 m)。其中具有自重湿陷性的土层主要在5～29 m，根据探井的室内试验资料计算得出的湿陷量 Δs分别为575.3 mm和585.2 mm，自重湿陷量Δzs分别为349.2 mm和336.4 mm，该场地湿陷性黄土地基的湿陷等级为 II级(中等)[7]。

2 试验方法与内容

2.1 试验方法

本次桩基浸水载荷试验共布置5根试桩(S1－S5)，12根锚桩，试桩及锚桩均布置在试验坑内。试桩中，S2、S4试桩桩长为 50 m，其余桩长为 60 m，试、锚桩直径均为800 mm。S1、S2、S5试桩混凝土强度等级为C45，S3、S4试桩混凝土强度等级为 C35，锚桩混凝土强度等级为C25。试桩钢筋笼主筋为16φ22 mm，锚桩钢筋笼为19φ28 mm。试验中采用瑞士Solexperts公司生产的滑动测微计进行桩体微应变的测量。

2.2 试验内容

2.2.1 天然状态下单桩竖向抗压静载试验

分别对S1、S2试桩进行竖向抗压静载试验，测试各级载荷下桩身轴向应变，分析计算天然状态下单桩侧摩阻力、端阻力等设计参数。

2.2.2 饱和状态下单桩竖向抗压静载试验

分别对 S3、S4试桩在天然状态下，浸水(不饱和)、设计工作载荷下，饱和状态、极限载荷下进行单桩竖向抗压静载试验，测定各级压力下桩顶沉降及桩身应力、分析负摩阻力变化规律及饱和状态下有关设计参数。对S5试桩在浸水(不饱和)、无载荷，饱和、分级加载至极限载荷下进行单桩竖向抗压静载试验，测定各级压力下桩顶沉降及桩身应力、分析负摩阻力变化规律及饱和状态下有关设计参数。

3 试验成果及分析

3.1 天然状态下单桩竖向抗压静载试验

图1为S1试桩桩身轴力沿桩长分布曲线。从图1可见，在桩顶载荷作用下，试桩桩身轴力均随桩长的增加而递减，反映出摩擦桩的特征。试桩终止载荷下桩端受力很小，都不足桩顶载荷的10%。图2为 S1试桩侧摩阻力沿桩长分布曲线。从图2可见，试桩的侧摩阻力沿桩长分布呈“单峰状”，侧摩阻力峰值随桩顶载荷的增大而增大，试桩中峰值侧摩阻力位置随载荷增加而不断下移，且桩越长，移动幅度越大。

图1 S1试桩桩身轴力沿桩长分布曲线

图2 S1试桩侧摩阻力沿桩长分布曲线

图3为不同桩顶载荷作用下试桩端阻力曲线。从图3可见，当端阻力产生作用后，端阻力占桩顶载荷比例随桩顶载荷增加而有所增加，但总体幅度有限。端阻力受载荷及桩长共同影响，两试桩当载荷超过9 600 kN时，端阻力增加变快。

3.2 饱和状态下单桩竖向抗压静载试验

3.2.1 负摩阻力变化规律

图3 不同桩顶载荷作用下试桩端阻力曲线

图4为S3试桩在浸水过程中侧摩阻力沿桩长分布变化曲线，由图4可见桩负摩阻力在浸水过程中产生明显，随浸水时间的延长逐渐增大，在“浸水后”加压过程中，负摩阻力未立即消失，其变化是一个渐变过程，随加压级别的增加，中性点逐渐向上移动，负摩阻力逐渐减小。S3试桩加压至9 000 kN时、S4试桩加压至7 000 kN时、S5试桩加压至8 400 kN时，其桩侧上部负摩阻力均变为正摩阻力。从总体形态上看，当负摩阻力消除后，各桩侧摩阻力沿桩长的分布均呈“单峰状”。试桩S3峰值位置保持在36 m左右;试桩S4峰值位置保持在32 m左右;试桩S5峰值位置保持在42 m左右。侧摩阻力峰值随桩顶荷载的增大而增大。

图4 S3试桩浸水过程中侧摩阻力沿桩长分布变化曲线

试验中“预湿”(S5试桩)和“后湿”(S3、S4试桩)两种工况下“浸水期”的负摩阻力均随浸水时间的延长逐渐增大，但两种工况下的负摩阻力值有较大差异。将统计出的负摩阻力发挥值汇于表1。从表1可见，由于S3、S4试桩在“浸水期”是在有荷状态下，其桩顶的附加沉降量均大于S5试桩，当桩周土发生沉降时，S3、S4试桩的桩土之间的相对位移趋势较S5试桩小，相应的负摩阻力的效应也较弱，故S3、S4试桩的最大负摩阻力值、负摩阻力平均值和总负摩阻力等指标均小于S5试桩。

3.2.2 极限载荷下桩侧摩阻力和桩端阻力

根据试桩浸水加压过程中侧摩阻力沿桩长分布变化曲线，可计算出场地各土层在极限荷载下的侧摩阻力和端阻力试验建议值。另据文献[8] 结合本场地土层物理力学性质，可得出场地各土层极限侧摩阻力和端阻力的规范值。综合对比见表2。由表2可见，桩身中上部土层极限侧摩阻力试验建议值比规范值大，下部土层试验建议值小于规范值。桩基深度范围内场地极限总侧摩阻力试验建议值大于规范值近18.5%，桩端土层极限端阻力试验建议值大于规范值67%～85%。可见各土层的承载能力不仅与土的物理力学性质有关，还与埋深及外部载荷形式有关。