特殊浸水下桩基负摩阻力试验研究

2018-08-21朱彦鹏杨奎斌王海明杨校辉

建筑科学与工程学报 2018年4期

朱彦鹏，杨奎斌，王海明，杨校辉

(1. 兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050； 2. 兰州理工大学甘肃土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃兰州 730050； 3. 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃兰州 730050)

0引言

黄土湿陷所引起的桩基负摩阻力问题在西北地区广泛存在[1-2]，因其给桩基工程带来危害而备受关注。作为一种区域性特殊土，湿陷性黄土遇水后强度降低显著，在土体自重或上覆荷载的作用下会造成土骨架结构失稳而引发湿陷变形[3-4]。桩基工程中桩周土体湿陷则会引起桩土相对位移产生负摩阻力，对桩基承载力造成削弱，进而影响到建筑物的正常安全使用[5-6]。因此，为避免及减小由于黄土湿陷而产生的桩侧负摩阻力，开展有关负摩阻力问题的研究显得尤为重要。

目前，桩基负摩阻力问题的理论研究还不够成熟，相关解析解尚不能直接应用于实际工程[7-9]。在湿陷性黄土地区，现场浸水试验能够直接得出桩基负摩阻力，结果精确可靠，被普遍认为是在湿陷性黄土地区研究负摩阻力问题最为直接有效的方法[10]，并且很多学者在这方面做出了很大努力。通过现场浸水试验研究，魏进等[11]得出桩侧负摩阻力仅出现在地表以下一定深度范围内，并呈现单峰形态；夏力农等[12-13]指出随着桩顶荷载变化，负摩阻力及中性点位置也随之变化；黄雪峰等[14-15]测得实际桩侧负摩阻力远高于规范建议值，并且还揭示了黄土湿陷下限深度与桩基中性点位置确定的相互关系。董晓明等[16]分析了区域性黄土非均匀湿陷条件下的桩基承载特性，探索了桩基在浸水过程中桩侧摩阻力的传递规律；朱彦鹏等[17]在黄土塬地区分析了大直径长桩的承载性状，发现地基土夹层交互分布、湿陷性不连续等原因会导致桩身出现多个中性点。现有研究成果较为丰富，正在不断加深人们对于负摩阻力的认识，但传统桩基现场浸水试验却很难实现桩身全段浸水，这样便使得浸水程度会随深度增加而逐渐递减；杨校辉等[18]关于湿陷性黄土地基所建议的22.5～25.0 m作为大厚度自重湿陷性黄土地基处理和湿陷性评价的临界深度也印证了这一点。因此，为弥补传统桩基浸水试验所存在的不足，寻求一条妥善解决桩侧负摩阻力问题的出路，笔者认为在桩基施工过程中预先消除部分黄土湿陷应成为桩基工程领域探索的一个方向，通过减小桩基部分负摩阻力，势必能够使得桩基承载能力得到大幅提升。

朱彦鹏等[19]曾于2011年7月在甘肃省定西市采用注水孔与试坑相结合的方式进行了浸水试验，但仅对负摩阻力沿桩长分布规律进行了分析，并未意识到桩周注水孔浸水这一特殊浸水方式其实是消除桩周土体湿陷的一个有效途径。现进一步对试验现象进行分析，并以消除桩周土体湿陷性为出发点，再次探索新方法，对微型钢管砂浆复合桩采用循环注浆的方式进行浸水试验。通过试验对比，探究桩侧负摩阻力在特殊浸水条件下的分布特点、发展规律。以期对负摩阻力问题进行更加深入的分析，从本质上为消除湿陷性黄土地区桩基负摩阻力问题提供解决方案。

1灌注桩注水孔与试坑结合浸水试验

1.1试验思路和目的

图1注水孔与试坑结合的浸水方式Fig.1Immersion Mode Combined with Water Injection Hole and Test Pit

图2传感器布置Fig.2Layout of Sensor

为探究桩周土体在充分浸水情况下桩侧负摩阻力的发挥大小，掌握湿陷性黄土地区桩基建筑物在使用过程中地基土遇水湿陷后桩基负摩阻力的最不利情况。采用以注水孔为主、试坑为辅，相互结合的浸水方式对桩周土体进行充分浸水(图1)。与此同时，在桩身埋设混凝土应变计和钢筋计(图2)，用于测量埋设点混凝土的应变和钢筋应力，进而获得在桩顶受荷以及桩周浸水情况下桩身轴力及桩侧摩阻力随时间的变化规律。钢筋计沿竖向在对称钢筋上左右间隔布置，从0 m开始每隔1 m布置1个，共计22个；混凝土应变计沿试验桩中心线埋设，由钢筋定位，沿竖向全长间隔2 m均匀布置，共计15个。

1.2试验概况

依托中国移动甘肃定西分公司新城区移动通信综介楼项目，本试验场地选择在定西市新城区，地貌属西河右岸Ⅰ级阶地与洪积扇复合地貌单元，场地地形较为平坦，地层分布比较简单，主要以黄土状粉土层、阶地砂砾层和新第三系泥岩为主。该场地土层特性指标如表1所示。

表1土层特性指标1Tab.1Characteristic Indices of Soil Layer 1

根据实际工程需要，试验桩桩径为800 mm，桩长26 m，浸水方式为注水孔与试坑相互结合，其中注水孔均匀布置于桩周，孔深14 m，为便于水的渗透，在孔内设置PVC管，管壁钻取多个注水孔，注水管内填充石料；受场地所限，试坑的直径较小，约为2 m，试坑深度也约为2 m。

1.3单桩荷载-沉降特性

鉴于试验桩预估单桩竖向承载力较大，加载装置选择能够提供较大反力的锚桩反力装置，如图3所示，并严格按照《建筑基桩检测技术规范》[20]采用慢速维持荷载法对试验桩进行了分级加载，实测荷载-沉降(Q-s)曲线如图4所示。

图3浸水试验现场Fig.3Immersion Test Site

图4单桩竖向静载试验的Q-s曲线1Fig.4Q-s Curve of Single Pile in Vertical Static Loading Test 1

从图4可以看出，试验桩加载至5 400 kN时，沉降量明显增大，达到26.136 mm，由此判断试验桩单桩竖向极限承载力为5 400 kN。

1.4桩身轴力和摩阻力分布规律

待试验桩测试完单桩竖向极限承载力后将桩顶竖向荷载卸载至3 600 kN，并立即向注水孔及试坑内注水，对桩身轴力及桩侧摩阻力进行为期20 d的测试。

试验中通过均匀埋设在试验桩内的混凝土应变计和钢筋计直接测得埋设点混凝土微应变和钢筋应力，利用胡克定律求得桩身某一截面处的混凝土应力，将混凝土应力和钢筋应力分别乘以各自的截面面积再求和即可得到桩身在该截面处的轴力；桩侧摩阻力则是将混凝土应变计和钢筋计埋设位置作为每层土的中点分段进行计算，并假定桩身局部范围内侧摩阻力相同，摩阻力大小为平均摩阻力，经计算的桩身轴力沿桩深分布曲线和桩侧摩阻力沿桩深分布曲线如图5，6所示。

图5轴力1Fig.5Axial Force 1

图6桩侧摩阻力1Fig.6Skin Friction of Pile Side 1

从图5可以看出，从桩顶至桩底轴力逐渐减小至负值，表现出摩擦桩的特性，但浸水段整体桩身轴力却呈现出增长的趋势，其中-2～0 m，-6～-4 m和-16～-12 m范围内桩身轴力随桩深增加而增加。桩侧上部浸水段以负摩阻力为主，存在多个负摩阻力峰值，正负摩阻力呈现交错分布的形态；桩身下部未浸水段由于土体湿陷量较小或并未湿陷，在桩土相对位移的作用下产生的是正摩阻力。

分析认为，局部桩身轴力随桩深增加而增加是由于桩周土体浸水湿陷，桩土相对位移产生负摩阻力而导致的；正负摩阻力交错分布则是由于PVC管的注水孔间隔分布，部分注水孔堵塞致使桩周土体沿桩深浸水程度不均匀，仅部分注水孔附近土体浸水较为充分，而部分堵塞的注水孔附近并未充分湿陷，进而致使土体分段湿陷。

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同时，注水孔与试坑浸水能够使得桩周土体充分浸水，进而产生较大负摩阻力，桩顶处土体浸水充分，负摩阻力在浸水15 d后达到最大值，为314.35 kPa；注水孔孔底处，负摩阻力在浸水20 d时达到最大值，为319.62 kPa。由此也表明在湿陷性黄土地区，桩基建筑物在使用过程中若桩周土体遇水湿陷则会产生较大负摩阻力，对桩基承载力以及桩基建筑物较为不利。

2微型钢管砂浆复合桩泥浆循环浸水试验

2.1试验思路和目的

为在桩基施工过程中消除部分黄土湿陷性，自行设计一种新型的高压循环注浆成桩施工工艺，如图7所示，该工艺在成桩过程中通过泥浆循环同步实现桩周土体的微量浸水。该成桩工艺能够在提升微型钢管砂浆复合桩承载能力的同时，利用泥浆循环实现在成桩过程中同步完成桩周土体的微量浸水，而本文仅对泥浆循环浸水方式所产生的桩侧负摩阻力问题展开研究，对于水泥砂浆和钢管结合所形成的复合桩承载特性不做论述。

图7高压循环注浆成桩施工工艺Fig.7High Pressure Circulation Grouting Construction Technology

另外，在桩身埋设混凝土应变计，将混凝土应变计沿试验桩中心线埋设，由钢筋定位，沿桩身全长间隔4 m均匀布置，共计9个；待成桩完成并且养护一段时间后，进行静载试验，进而研究微浸水后桩侧负摩阻力的发挥情况。

2.2试验概况

本试验依托甘肃省兰州市九州开发区合作小区2栋12层桩基建筑物纠偏加固工程，场地选择在倾斜建筑物所处的大厚度填方地基上，位于黄河北岸高阶地罗锅沟台地部位。场地原为罗锅沟支沟，南侧为山坡，北侧为深沟谷，后经人工挖填整平作为建筑场地，填土深度高达30 m，主要由粉土及泥质砂岩组成，局部含有卵砾及极少量的生活和建筑垃圾，素填土的湿陷系数在0.015～0.062之间，自重湿陷系数在0.015～0.083之间，从湿陷量计算结果判定，该场地为Ⅳ级自重湿陷性场地，可以作为本次试验的场地。该场地土层特性指标如表2所示。

表2土层特性指标2Tab.2Characteristic Indices of Soil Layer 2

根据实际工程需要，试验桩桩径为198 mm，桩长33 m，钢管内填充水泥砂浆，钢管外被水泥砂浆包裹，如图8所示。

图8微型钢管砂浆复合桩截面Fig.8Section of Micro Steel Pipe Mortar Composite Pile

2.3单桩荷载-沉降特性

鉴于试验桩预估单桩竖向承载力并不是很大，本次试验加载装置采用压重平台反力装置，如图9所示，并严格按照《建筑基桩检测技术规范》[20]采用慢速维持荷载法对4根试验桩进行了单桩竖向抗压承载力试验，实测Q-s曲线如图10所示。

图9静载试验现场Fig.9Static Loading Test Site

图10单桩竖向静载试验的Q-s曲线2Fig.10Q-s Curve of Single Pile in Vertical Static Loading Test 2

从图10可以看出，试验桩的Q-s曲线表现为缓变型，无明显陡降段，试验桩在加载3 000 kN时的桩身沉降量为50.76 mm，依据《建筑基桩检测技术规范》取沉降量40 mm对应的荷载值为单桩竖向抗压极限承载力，即试验桩单桩竖向抗压极限承载力2 800 kN。

2.4桩身轴力和桩侧摩阻力分布规律

采用与第1.4节相同的方法对桩身轴力及桩侧摩阻力进行计算，得出桩身轴力沿桩深分布曲线和桩侧摩阻力沿桩深分布曲线，如图11，12所示，其中P为荷载。

图11轴力2Fig.11Axial Force 2

图12桩侧摩阻力2Fig.12Skin Friction of Pile Side 2

从图11可以看出，试验桩桩端轴力接近0 kN，呈现出摩擦桩的特性，桩身轴力分布并不严格按随桩深增加而逐渐递减的规律发生，在桩深-9～-5 m和-21～-17 m范围内出现随深度增加而增加的现象。同样，桩侧负摩阻力也表现出不连续分布的特征，呈现正负摩阻力交错分布的形态。

分析认为，成桩过程中泥浆循环在对桩周土体进行微量浸水的同时，也使漏浆层局部桩深范围内桩周土达到强浸水效果，形成了微浸水与强浸水相间分布的状态；微浸水使整个桩周土体预先发生部分湿陷，而强浸水段桩周土体会在桩顶受荷、桩体下移所产生的下拽力作用下再次发生湿陷，引起负摩阻力的产生，也就使得局部桩身轴力随桩深增加而增加。另外，漏浆层的不连续分布使得桩周土体再湿陷过程分段进行，进而导致负摩阻力分段不连续现象的发生，但桩侧以正摩阻力为主，负摩阻力仅在漏浆层浸水较强的局部出现。

局部浸水程度较强是由于循环注浆浸水过程中泥浆流入到了桩周土体中，浆液中水分对土体浸泡所致，其中-3.5～0 m桩深处存在卵石，循环注浆浸水过程中泥浆可通过卵石空隙流入土体中，这一桩深以下一定范围内浸水较为充分，同时-17 m桩深土层中存在大块石，泥浆也可通过块石间隙流入土体中，对这一桩深以下一定范围内土体产生影响。

虽然产生了2个负摩阻力段，但负摩阻力数值均不大，上段负摩阻力为32 kPa，下段负摩阻力为16 kPa。由此表明成桩过程中进行桩周土体的微量浸水可消除桩周黄土的部分湿陷性，其对于后期桩顶受荷是有利的，能够有效改善湿陷性黄土地区桩侧负摩阻力对于桩基承载力的不良影响。

3特殊浸水试验对比分析

以上2个试验由于均依托于实际工程，故而试验场地与桩型等存在较大差别，但本文所关注的核心问题是如何消除桩周黄土湿陷性进而解决桩侧负摩阻力难题。针对这一问题而言，最为直接、最为主要的影响因素是桩周水环境的改变，所以2个试验都只侧重于通过特殊浸水消除桩周土体湿陷性，而对桩基形式、地质情况、试验方式等次要因素未加考虑。

与此同时，两试验还有以下几点相同之处：①均采用自行设计的特殊浸水方式从桩周由近及远水平横向渗水实现桩周土体的浸水，与传统桩基浸水试验中桩顶周围开挖试坑蓄水，由桩顶土层逐渐向下渗水有着本质不同；②均可对桩周土体湿陷段进行全范围浸水，达到较好的浸水效果，这是传统浸水方式所不能及的；③均是消除桩周土体湿陷的途径。

因此，在进行负摩阻力问题的研究中，可通过对两试验的比较分析得出能够服务于实际工程的规律，为后期在湿陷性黄土地区进行有关负摩阻力研究提供指导。两试验情况对比如表3所示。

通过对2个试验的对比分析可以看出，特殊浸水条件下桩基负摩阻力大小及分布受浸水方式(浸水量)、加载方式及浸水固结时间综合影响。

浸水方式通过控制浸水量的大小直接影响负摩阻力，其中注水孔与试坑相结合浸水量较大，能使桩周土体浸水充分，泥浆循环只对桩周土体预先浸水，浸水量较小。

浸水固结时间则反映了桩侧负摩阻力产生后的一个逐渐消散过程，是影响负摩阻力发挥的重要因素，浸水初期桩周土湿陷，产生负摩阻力，随着土体的逐步固结，负摩阻力将逐渐减小。

对于加载方式，桩顶在恒载情况下进行桩周土体浸水，浸水段桩周土遇水湿陷出现竖向位移，在桩土相对位移的作用下桩侧主要以负摩阻力为主，仅局部注水孔堵塞段出现正摩阻力。预先浸水，经养护后再进行逐级加载，随着桩顶荷载的增大，桩身逐渐下沉，桩的竖向位移会大于桩周土体的位移，在桩土相对位移作用下桩侧产生的主要是正摩阻力，仅局部特殊区段出现负摩阻力。