膨胀土中基桩胀拔力原型试验研究

吴志伟，宋汉周，王宏宇，刘长吉，姜 勇

（1. 东北电力设计院，长春 130033；2. 河海大学 地球科学与工程学院，南京 210098）

1 引 言

对于膨胀土地区的建筑物，为了减小因膨胀土胀缩对建筑物产生的破坏，常采用桩基础。膨胀土吸水膨胀会产生胀切力，这种沿桩侧分布的胀切力会使桩身受到胀拔力，若胀拔力过大，会将桩拉裂，甚至将桩拉断，因此，在桩基础设计中将其视为不利荷载之一。

膨胀土的物理性质与其含水率关系密切[1]，在自然条件下，气象因素（主要是大气降水引起土壤含水率的变化）对膨胀土的胀缩特性起到控制作用[2]。对于膨胀土中的桩基，现行规范[3]要求验算桩端进入大气影响急剧层以下或非膨胀土层中的深度，计算时需确定大气急剧影响层内桩侧土的极限胀拔力，而基于土体本构模型的理论计算将涉及较多参数。实际工程中推荐采用现场试验来确定极限胀拔力，即通过桩的浸水胀拔力试验得到。

关于膨胀土中的桩土作用效应，国外开展过室内大型模拟实验，研究含水率变化对桩土相互作用的影响[4]。在理论方面，高忠等[5]把受潮膨胀过程比拟成坚固物体受热膨胀，利用热弹性理论来求解膨胀土胀切力问题，但吸水膨胀和受热膨胀的微观机制并不完全相同，还需要进一步研究。在室内模拟试验方面，在特定试验平台上采用人工填土，肖宏斌等[6]开展了混凝土桩的浸水膨胀性试验；王年香等[7]采用外径为50 mm的铝合金管模拟单桩，研究浸水过程中单桩的上升及胀切力变化规律。这些研究成果多数是以室内实验为基础开展的模拟研究，而基于实际工程条件下的研究并不多。

为研究实际工况条件下膨胀土中基桩的浸水胀拔特性，在某工程场地开展了浸水条件下基桩胀拔力原型试验，获得浸水过程中基桩胀拔力的变化特征，结合基桩膨胀机理分析及室内模拟实验研究，对试验成果进行分析，进一步说明浸水过程中基桩的工作性状。

2 试验场地概况

老挝某电厂位于膨胀土地区，桩基设计前开展了基桩浸水胀拔力试验，研究膨胀土对基桩的潜在危害。该试验场地的地层岩性主要为第四系黏土及下伏的第三系泥岩、砂岩组成。泥岩呈灰色、紫红色、棕红色，泥质结构，局部夹粉砂岩、煤层透镜体，呈硬塑、坚硬土状，全风化～强风化状态。泥岩属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。全风化泥岩平均自由膨胀率为 43%，50 kPa平均膨胀率为0.78%，平均膨胀力为68.8 kPa，评价为具有弱膨胀潜势。全风化泥岩膨胀性试验结果如表 1所列。

表1 全风化泥岩膨胀性试验结果Table1 Test results of expansive feature of mud stone

场区内，部分地区地势低洼，后期用素填土回填整平。在回填区采用桩基础，本次试验在该整平区进行，桩侧、桩端的土层均为素填土。素填土由附近开挖的全风化泥岩经分层碾压而成，其物质组成与全风化泥岩一致，具有弱膨胀潜势。同时，该素填土呈松散～中密状态，具有中等压缩性～高压缩性，性质较不均一。平均天然含水率ω=21.0%，平均重度γ=19.8 kN/m3，平均天然孔隙比e=0.628，平均压缩模量Es=12.3 MPa，平均标贯击数为14.6击。

根据当地的气候条件，膨胀土地基的大气影响深度为5.00 m，大气急剧影响深度为2.25 m。2011年7月在该电厂回填土场地开展了基桩浸水胀拔力试验。本次试验主要讨论大气影响深度内浸水条件下的“桩-土”相互作用。

3 浸水胀拔力原型试验

3.1 试验桩桩型

桩型为直径为400 mm的钻孔灌注桩，2根试验桩长为2.25 m，1根试验桩长为5.00 m，成孔采用长螺旋钻机干孔作业成孔。为避免桩端土层与桩体的嵌固作用，在灌注混凝土前，在桩底埋设尼龙编织袋，使桩端脱空100 mm。混凝土标号为C35，配筋为8φ16 mm钢筋，低应变检测反映试桩桩身质量等级为I级，待混凝土养护完成后开始试验。

3.2 试验方案

利用反力装置约束桩顶位移，在桩顶与反力装置之间放置测力计，试验开始后，通过浸水孔向地层中浸水，地层发生膨胀变形，使桩顶挤压反力装置，观测桩顶的胀拔力变化，直至稳定。试验相关的技术要点如下。

（1）试验桩布置

试验布置如图1所示，共3根试验桩（T1～T3），其中T2桩长取大气影响深度（5.00 m），T1、T3桩长取大气急剧影响深度（2.25 m）。

（2）浸水方法

如图1所示，在试验区两侧对称布置2排浸水孔，共34孔，孔间距为0.35 m，孔径约为127 mm，浸水孔中心轴线与桩中心距为1.0 m，孔深5.0 m，孔内充填中粗砂，浸水孔顶部开挖水槽。试验开始后，通过水槽及浸水孔向地层中浸水，试验过程中保持水槽水头基本不变。

（3）胀拔力观测

通过支承梁和配重，限制浸水过程中桩顶向上位移，在桩顶与支承梁之间放置测力计，直接测得测力计受到的静压力，即桩顶的胀拔力。素填土较不密实，渗水较快，观测间隔定为约4 h观测一次。

试验时，布置深测标，分层测定土体竖向隆起量。深测标沿桩轴线均匀布置，深度分别为 0.1、0.6、1.2、1.8 m。

图1 基桩浸水胀拔力原型试验装置图Fig.1 Schematic diagram of expansive force prototype test

3.3 观测资料的应用

绘制相关时程曲线，包括胀拔力时程曲线、土体隆起量时程曲线等。由胀拔力时程曲线读取最大胀拔和稳定的胀拔力。

根据现场实测的单桩极限胀拔力，按下式计算不同大气影响深度范围内的极限胀切力平均值：

4 试验成果及分析

4.1 土体位移

深测标竖向位移时程曲线如图2所示。膨胀土浸水后，最初几小时内竖向位移迅速增大，之后缓慢增大，并最终趋于稳定。水槽注水后，水沿着土体颗粒间的细微空隙下渗，大部分土体迅速饱和，蒙脱石等吸水矿物吸水膨胀，产生较明显的竖向位移。之后土颗粒吸水过程减缓，当所有土体颗粒逐渐吸水饱和，竖向膨胀量也逐渐达到稳定。

本次试验中的土层最大位移量小于 8 mm，远小于室内试验条件下测得的土体位移（如文献[7]），究其原因，除膨胀土的物质组成存在差异外，主要是由于本次土层回填碾压所达到的密实程度较低。

由图 2还可以看出，（1）沿深度方向，表层土体的最终位移量比深层土体大，是由于表层土体的位移量是该水平位置以下所有膨胀土的膨胀量之和，而深部土体受到上覆土体自重压力，密实度较大，水渗入较困难，其含水率明显低于浅部的饱和土体，因此位移量较小。（2）下部土体膨胀变形达到稳定所需的时间较短，是深测标所测得的土体位移是膨胀力与自重压力相互作用的结果。

由此可知，增大膨胀土的上覆压力可以有效消除其因吸水膨胀而带来的危害。

4.2 基桩胀拔力

为测量试验桩在试验过程中发生的竖向位移，在 T1桩的桩顶设置位移传感器，实测结果如图 3所示。实测结果表明，T1桩的最大桩顶位移仅0.65 mm，可忽略不计，则可认为测力计所测得的静力值可以近似作为桩顶所受的胀拔力。

图3 T1试验桩的桩顶位移时程曲线Fig.3 Displacement of pile top vs. time of T1

3根试验桩的浸水胀拔力实测值如图4所示。由图可见，（1）浸水过程中，胀拔力逐渐增大，达到最大值之后略有下降，之后胀拔力测试值基本不变，认为达到了膨胀稳定状态。该最大值称为最大胀拔力vemax，稳定值称为稳定胀拔力vesta。（2）浸水初期（1～2 d），胀拔力增长迅速。由于土体膨胀与含水率关系密切，而试验场地素填土的密实度较小，土体渗透系数k较大（据室内实验结果，约为k = 1×10-3cm/s），因此水入渗速度较快。（3）T2的桩长（5.00 m）大于T1和T3（2.25 m），桩顶所受的胀拔力也是最大的。因为本次试验浸水孔深度为5.0 m，T2的桩侧土充分浸水，膨胀力有效发挥，故土层胀切力较大，产生的胀拔力也较大。

图4 基桩浸水胀拔力时程曲线Fig.4 Expansive forces vs. times

对T1～T3的浸水胀拔力试验成果进行统计，如表2所列。T2极值出现时间较晚，说明其浸水饱和过程用时较长，数值上T2所受的胀拔力是T1、T3的数倍至数10倍以上。表2给出的通过式（1）计算得到的桩侧土极限胀切力平均值，极限胀切力平均值能够用于工程设计，即根据桩长计算桩顶的胀拔力。实际工程中，试验得到的桩顶胀拔力是土体膨胀剪切力克服桩体自重、土体自重及桩土间摩擦力，使桩体具有向上位移趋势所形成的一种力。由此可见，测试土体吸水膨胀过程中作用在桩侧竖向界面的切应力是比较困难的。

表2 基桩浸水胀拔力测试结果Table2 Expansive force test results

4.3 基桩胀拔机理分析

水通过水槽及浸水孔渗入土体的空隙，进而与土体颗粒中的亲水性矿物（以蒙脱石为主）结合，使土体发生膨胀变形。在试验过程中，桩顶竖向位移为零，试验装置在桩顶施加竖直向下的压力。该压力能够通过测力计测得，在数值上等于桩顶处由于膨胀土膨胀引起的基桩胀拔力ve。

浸水膨胀条件下基桩的受力简图如图5所示。桩体限制其周围土体的竖向膨胀变形，土体竖向位移se在桩土界面为0，在影响范围之外等于土体自然膨胀量。桩体之所以能阻碍土体位移，是因为桩土界面存在向下的摩擦力。根据桩体的受力特征，有如下关系：

式中：F为桩顶压力；G为桩体自重；f为桩土界面静摩擦力；qe为胀切力，且在深度z方向上非线性变化；c为桩周长；L为桩长。

桩顶压力与桩顶胀拔力是一对作用力与反作用力，桩顶胀拔力反映了桩侧胀切力与基桩自重和桩土界面摩擦力的差值。在浸水过程中，基桩受力过程为3个阶段，①桩顶胀拔力为0阶段：当胀切力小于桩体自重和桩土极限静摩擦力之和时，桩体不产生向上位移的趋势，实测胀拔力为 0；②桩顶胀拔力缓慢增大阶段：当胀切力大于桩体自重和桩土极限静摩擦力之和时，产生胀拔力，而且胀拔力随着胀切力的增大而增大；③桩顶胀拔力稳定阶段：土体膨胀稳定之后，胀切力不再增长，胀切力与桩体自重、桩土摩擦力及桩顶荷载达到平衡，实测的胀拔力就达到稳定。

在深度范围内，存在胀切力qe等于桩土界面静摩擦力的位置，此位置即为中性点，中性点以下的桩体起到锚固作用。

综上分析可知，本次试验测得的桩顶胀拔力是浸水条件下，基桩在胀切力、自重压力和桩土界面摩擦力共同作用下的结果，是一个综合性的参数。在实际工程应用过程中，应该合理设置桩长，确保中性点以下的桩体锚固力大于桩顶极限胀拔力，以使建筑物的桩基础不因胀拔力而破坏。

5 结 论

（1）土体位移缓慢增长，浸水饱和时，达到稳定。由于土体自重压力的影响，表层土体位移大于深部土体位移。

（2）基桩桩顶胀拔力在起始段迅速增大，之后缓慢增大，最终稳定。较长的试验桩（T2）所受的胀拔力最大。

（3）通过基桩浸水胀拔过程的力学分析认为，基桩桩顶胀拔力是浸水过程中土的胀切力，桩体自重和桩土界面静摩擦力共同作用的结果，在设计中，应校核桩长深度范围内的锚固力是否大于基桩胀拔力。

在实际膨胀土工程场地，设计了基桩浸水胀拔力原型试验平台，有效地开展了基桩浸水胀拔力原型试验。由实验结果表明，土的胀切力及桩土界面的静摩擦力是一个动态变化的过程，后续的研究中可以考虑采用高精度仪器进行测试分析。

[1]徐彬,殷宗泽,刘述丽. 膨胀土强度影响因素与规律的试验研究[J]. 岩土力学,2011,32(1): 44－50.XU Bin,YIN Zong-ze,LIU Shu-li. Experimental study of factors influencing expansive soil strength[J]. Rock and Soil Mechanics,2011,32(1): 44－50.

[2]李雄威,孔令伟,郭爱国. 气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征是研究[J]. 岩土力学,2009,30(7):2069－2074.LI Xiong-wei,KONG Ling-wei,GUO Ai-guo. Field response characteristic test of expansive soil engineeringbehavior under effect of atmosphere[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(7): 2069－2074.

[3]中国建筑研究院. GB J112－87膨胀土地区建筑技术规范[S]. 北京: 中国计划出版社,2003.

[4]RAJEEV P,KODIKARA J. Numerrical analysis of an experimental pile buried in swelling soil[J]. Computers and Geotechnics,2011,38(7): 897－904.

[5]高忠,熊仲明. 膨胀土中桩的胀切力计算研究[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版),2003,35(4): 412－415.GAO Zhong,XIONG Zhong-ming. Study on the swelling shear of the calculation of piles in swelling soil[J].Journal of Xi’an University of Architecture &Technology (Natural Science Edition),2003,35(4): 412－415.

[6]肖宏斌,苗鹏. 膨胀土地基中大比例模型桩浸水试验研究[J]. 自然灾害学报,2007,16(12): 122－127.XIAO Hong-bin,MIAO Peng. Soaking test of a large-scale modeling pile embedded in expansion soil ground[J]. Journal of Natural Disasters,2007,16(12):122－127.

[7]王年香,顾荣伟,章为民,等. 膨胀土中单桩性状的模型试验研究[J]. 岩土工程学报,2008,30(1): 56－60.WANG Nian-xiang,GU Rong-wei,ZHANG Wei-min,et al. Model tests on behavior of single pile in expansive soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(1): 56－60.