大厚度湿陷性黄土地区风电扩底灌注桩单桩承载力试验分析

刘增荣，武世刚，姜培军，贾福兴，张珊珊

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055;2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064;3.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

灌注桩是指利用钻孔机械在桩孔中钻进，在钻头的作用下，通过泥浆正循环或反循环破碎土体，并把土渣带出孔外，然后在孔内吊入钢筋骨架，灌注混凝土而成的桩［1］。扩底灌注桩就是在成孔后，利用扩底器进行扩孔形成扩大头再放置钢筋笼［2，3］。为了能够顺利钻孔、成桩，需采用一定的措施，包括制备适宜的泥浆、提高孔内泥浆水位以及灌注水下混凝土等。钻孔灌注桩的特点是施工设备简单，操作方便，适用于各种砂性土、粘性土，也适用于碎石类土层和岩层［4］。王端端等［5］通过对旋挖钻孔灌注桩的荷载传递规律和桩侧摩阻力发挥特性进行分析，认为旋挖钻成孔时无需护壁泥浆，不但可以避免桩侧泥皮的形成，而且形成的孔壁粗糙，加强了桩土的咬合作用，提高了桩侧阻力的发挥。茅燕兵等［6］通过单桩静荷载试验的Q-S曲线推算各级荷载下土体的等效弹性模量，建立单桩桩顶位移与等效弹性模量的函数关系，并利用Mindlin位移解计算群桩相互作用。陈新泽等［7］结合湿陷性黄土地区桩基浸水载荷试验实例，对桩基的负摩阻力形成机理进行数值模拟研究，得到黄土湿陷后桩身中性点上移，负摩阻力增大的结论。目前，国内外很多学者对扩底钻孔灌注桩的承载力性状及荷载传递机制以及桩侧负摩阻力估算方法进行了研究，尤其是进行桩底扩孔后的荷载传递规律等均取得了一定的成果［8，9］。由于黄土地区风电灌注桩基础的单桩承载特性研究不足，本文结合陕北地区实际工程的试桩过程，通过试验对大厚度湿陷性黄土地区的单桩承载特性进行分析，为扩底钻孔灌注桩设计及施工提供依据。

1 工程背景及试验设计

拟选风电场场址位于黄土高原丘陵沟壑区，丘陵、沟壑、梁、峁交错纵横。黄土梁地貌在风电场范围内广泛分布，走向清晰可辨，延伸较远，顶部宽度变化不大，其两侧坡度较大，梁顶和半坡多为耕地，梁坡中下部冲蚀较严重，坡脚处冲沟发育，有崩塌、滑塌等不良地质作用，地形条件一般。典型的黄土峁在风电场分布少，其上部存在大厚度的全新世湿陷性黄土。风场区内冲沟较多，冲沟内边坡陡立，土质均匀，冲沟局部岸坡陡峭，存在崩塌可能，地势较低处常发育有黄土落水洞，且厚层黄土湿陷强烈，并且承载力较低，风场内的所有建(构)筑物均需进行地基处理。考虑风场内建(构)筑物自身不使用水或使用水量极少，且本地区降水量相对较少，有条件做好地面防排水的措施，在此完善的地面防排水条件下地基处理方案可选择钻孔桩［10，11］。

1.1 试桩的桩位及锚桩的布置

试桩施工自2016年7月11日至2016年7月16日，试桩测试自2016年8月12日至2016年9月7日。试桩布置如图1所示。施工钻具采用机械洛阳铲，干作业Φ800 mm成孔，钻至设计桩深，采用扩孔器扩底至设计值Φ1 400 mm，成孔后采用高1.6 m、直径0.6 m、重量为0.8 t的夯锤提升3 m的高度自由落体式夯击5～7次。钢筋笼采用吊车安装，混凝土灌注采用商业混凝土，运输采用混凝土罐车，无混凝土断运情况。干作业灌注桩混凝土充盈系数平均值为1.08。试桩拟采用Ф800 mm扩底钻孔灌注桩，桩端持力层为黄土层，桩长约27 m，混凝土强度等级C30，坍落度为160～180 mm，预估单桩竖向承载力特征值为2 000 kN。

图1 试桩布置示意(单位:mm)

1.2 单桩竖向抗压静载试验

单桩竖向承载力试验采用锚桩横梁反力装置进行加载，该装置由反力系统、加载系统、位移测量系统3部分组成，试验加载装置见图2。荷载从小至大由千斤顶(型号为QF-630T，编号为630-1)逐级施加，其量值由标准压力表读取油压，根据千斤顶的率定曲线换算荷载。桩顶在加载过程中的沉降量采用4个百分表(量程为0～30 mm，编号分别为A248227、A243089、A211463、A200090)测量，百分表通过磁性表座支撑在基准梁上。

图2 单桩静载试验装置示意

加载采用慢速维持荷载法，即每级荷载施加后，按第5、15、30、45、60 min测读桩顶沉降量，以后每隔30 min测读一次桩顶沉降量，直至试桩沉降达到相对稳定标准为止(试桩沉降相对稳定标准为1 h内连续出现2次桩顶沉降量不超过0.1 mm)，当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，可施加下一级荷载。卸载时，每级荷载应维持1 h，分别按第15、30、60 min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载;卸载至0后，应测读桩顶残余沉降量，维持时间不得少于3 h，测读时间分别为第15、30 min，以后每隔30 min测读一次桩顶残余沉降量。

当出现下列情况之一时，可终止加载:①某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍，且桩顶总沉降量超过40 mm;②某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24 h尚未达到试桩沉降相对稳定标准;③已达到实际要求的最大加载值，且桩顶沉降达到相对稳定标准;④工程桩做锚桩时，锚桩上拔量已达到允许值;⑤荷载-沉降曲线呈缓变形时，可加载至桩顶累计沉降量60～80 mm，当桩端阻力尚未充分发挥时，可加载至桩顶累计沉降量超过80 mm。

1.3 桩身内力测试

本次试验采用钢筋计法进行内力测试，钢筋内力测试与沉降观测同步进行。钢筋计型号为TYGJJ-100。每级加载沉降达到相对稳定后，在加下一级荷载之前对钢筋计进行测读，该读数为本级荷载下钢筋内力测试值。测试值与标定值进行内插计算，并对初值进行修正，即得到每级荷载下各测试点的钢筋内力值。钢筋内力值取每一断面2个内力的平均值，即式中，σi为i断面钢筋内力值;f1i、f2i分别为i断面2个钢筋内力初值;F1、F2分别为i断面2个钢筋内力修正值。

按钢筋与混凝土变形协调原则及平衡条件可以得到桩身轴力，即

式中，Ni为i断面桩身轴力值;Agi为i断面单根钢筋截面面积;n为钢筋根数;Ahi为i断面混凝土截面面积;Eh、Eg分别为混凝土、钢筋的弹性模量。

由相邻两断面桩身轴力差和该土层桩侧表面积求得桩侧阻力，即

式中，qfi为 i断面桩侧摩阻力值;Ni、Ni－1分别为 i、i－1断面桩身轴力值;Si为i断面桩身周长;Li为i与i－1断面间的桩长。

由桩底轴力和桩底面积求得桩端阻力，即

式中，qd为桩端阻力值;Nb为桩底轴力值;Ab为桩底面积。

1.4 浸水试验

观测地基浸水5～8 d的沉降量以揭示天然地基浸水试验的水浸深度。试验方法为以A3桩为中心，开挖深500～600 mm、尺寸为3 m×5 m的浸水基坑，标杆底座采用厚1.2 mm、尺寸为1 000 mm×1 000 mm的钢板，观测采用DSC232水准仪。浸水8 d后开挖浸水基坑，采用探铲观测水浸深度。

2 试验结果

试桩的竖向抗压静载试验结果见表1，根据试验数据绘制P-S和S-lg(t)关系曲线，如图3所示。由计算结果可知，A1、A2、A3桩的单桩竖向极限承载力分别为4 400、4 800、3 600 kN，满足设计要求。

表1 试桩的竖向抗压静载试验结果

图3 试桩的竖向抗压静载试验曲线(以A1桩为例)

当荷载超过该荷载后，桩底下土体达到破坏阶段发生大量塑性变形，引起桩发生较大或较长时间的沉降，在P-S曲线上表现为出现明显的下弯转折点，将此点所对应的荷载作为承载极限荷载。如图3a所示，A1桩的单桩竖向极限承载力为4 400 kN。

大量试桩资料分析表明，桩在破坏前的每级沉降量与时间的对数呈线性关系，直线的斜率记为m(如图3b所示)，即S=mlg(t)。m不是常数，m在某种程度上反映了桩的沉降速率，随着桩顶荷载的增大m也增大，m越大则表明桩的沉降速率越大。当桩顶荷载继续增大时，若发现S-lg(t)曲线不是直线而变成折线时，则表明地基土塑性变形骤增，桩呈现破坏，S-lg(t)曲线由直线变为折线的那级荷载前一级荷载即为桩的极限荷载。

3 结果分析

3.1 灌注桩内力计算

图4 A1、A3试桩内力测试结果

桩身内力测试根据灌注桩应力测试试验数据进行计算，绘制成桩身轴力分布图和侧摩阻力分布图。A1、A2桩规律相似，本文只给出A1桩(非浸水桩)和A3桩(浸水桩)规律，如图4所示。由图4可知:①桩身轴力发挥性状及荷载传递规律为随着荷载等级的不断增加，同一水平断面处桩身轴力逐渐增加，在同一荷载等级的情况下，随着桩入土深度的增加，桩身轴力由上到下逐步减小。②桩侧阻力发挥性状及荷载传递规律为施加荷载的过程中，在荷载3 200 kN以下时，桩侧阻力随着桩入土深度的增加而略微减小，在荷载＞3 200 kN时，桩侧阻力随着桩入土深度的增加而增大。随着荷载等级的增加，同一水平断面处，桩侧阻力逐级增加，增加到一定程度后，趋于稳定。

3.2 模拟工况浸水试验

工况浸水8 d，累计水位沉降2 000 cm，地面累计沉降量为1.8 cm，最终水浸深度揭示为735 cm。

A3桩是浸水桩，一般情况下，桩受轴向荷载时，桩相对于桩侧土体产生向下的位移，土对桩产生向上作用的摩阻力，称正摩阻力，但当桩周土体因某种原因(黄土的湿陷性)发生下沉，其沉降变形超过桩身的沉降变形时，在桩侧表面将出现向下作用的摩阻力，即负摩阻力。由图4d可知，A3桩在水的作用下于桩深0～6 m段产生了负摩阻力，随着深度的增加，桩侧负摩阻力值也随着增大;在桩深6～8 m段，随着深度的增加，桩侧负摩阻力逐渐减小;在桩深8 m时，桩侧负摩阻力为0，此时达到正负摩阻力都为0的中性点;在桩深8～27 m段，桩侧阻力由上至下逐步发挥，随着荷载的增加，桩侧阻力的发挥程度逐步增大。

由A1、A3桩对比可知，A3桩的承载力明显比A1桩的承载力要低，原因为①在水的作用下，黄土的湿陷性使桩产生负摩阻力，负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，减小桩的极限承载力;②水的作用会改变土体参数，降低土的侧摩阻力，从而降低了桩的极限承载力。

4 结论

针对大厚度湿陷性黄土地区地质特征，本文结合陕北定边县某拟建风电场项目工程，在工程试验区进行扩底钻孔灌注桩静载试验，并对试验数据进行分析，得出如下结论:

(1)桩身轴力发挥性状及荷载传递规律。随着荷载等级的不断增加，同一水平断面处桩身轴力逐渐增加，在同一荷载等级的情况下，随着桩入土深度的增加，桩身轴力由上到下逐步减小。

(2)桩侧阻力发挥性状及荷载传递规律。施加荷载的过程中，在荷载＜3 200 kN时，桩侧阻力随着桩入土深度的增加而略微减小，在荷载＞3 200 kN时，桩侧阻力随着桩入土深度的增加而增大。随着荷载等级的增加，同一水平断面处，桩侧阻力逐级增加，增加到一定程度后变为稳定值。

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