大厚度湿陷性黄土地基桩基方案及基桩检测探讨

刘 金，门青波，拓佳胜，邓军涛

1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043

2.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710054

关中渭北地区处于黄土高原与渭河盆地的接触地带，地貌单元由北向南依次为山地、山前洪积扇（群）、黄土台塬和渭河阶地，其中黄土台塬区分布面积广阔，上覆厚度数十米至百余米的第四系中～上更新统风积黄土，上部黄土具有湿陷性，厚度大于20m，为大厚度湿陷性黄土。建造在大厚度湿陷性黄土区的构筑物必须选用合适的地基处理方案，全部或者部分消除黄土的湿陷性，当采用桩基础时，桩的设计参数取值和基桩竖向承载力检测对工程质量和安全至关重要，需要在实践中探讨总结积累经验。

1 工程概况

某工程场地位于西安市北部某区的一黄土台塬上，建设工程为2座高耸构筑物，高度为30～40m，建筑类别为乙类，工程重要性等级为一般[1]。

2 场地地形与地层情况

场地地势由北向南微倾，地形开阔平坦，地面高程在470m左右。场地勘探深度范围内（50m）的地层为第四系中～上更新统风积黄土和古土壤层，从上往下共分为11层，黄土层层号为①、③、⑤、⑦、⑨和，古土壤层层号为②、④、⑥、⑧和⑩。黄土呈黄褐色，针状孔隙发育，含白色钙质条纹或钙质结核，偶见蜗牛壳；古土壤呈棕褐色、褐红色或浅棕红色，局部钙质结核富集，其中第④和⑩层的俗称分别为“红二条”和“红三条”。各层分布连续，层位稳定，其层底深度和厚度如表1所示。

表1 各层土层底深度和厚度统计表 单位：m

3 黄土的物理力学性质

3.1 黄土的物理性质

（1）含水率、重度和饱和度：第①层黄土的指标最小，黄土和古土壤层的指标分别自上而下逐渐增大，古土壤层的指标大于上部相邻黄土层的指标。第④层及以上各层的指标较小但变化率大，第④层以下各层的指标较大但变化率小。

（2）孔隙比：黄土和古土壤层的指标分别自上而下逐渐减小，黄土层的指标大于下部相邻古土壤层的指标。第④层古土壤（红二条）层顶往下孔隙比降至1.0以下，第⑦层黄土层底往下孔隙比降至0.8以下，第⑩层古土壤（红三条）层顶往下孔隙比降至0.75以下。

（3）液限、塑限和液性指数：整个场地各层土指标变化不大，土的状态为坚硬～硬塑。各层土物理性质统计结果如表2所示。

表2 黄土物理性质指标统计表

3.2 黄土的力学性质

主要探讨各层土的压缩性，其统计结果如表3所示。

表3 黄土压缩性指标统计表

除第①层黄土外，其余各层的指标变化不大，各层土均为中压缩性。

4 黄土的湿陷性及单桩承载力

4.1 湿陷程度

（1）该场地第⑦层黄土及以上各层的湿陷系数和自重湿陷系数均大于0.015，为湿陷性黄土，第⑦层以下各层为非湿陷性黄土。

（2）第①层黄土湿陷系数介于0.035～0.148，平均值为0.093，湿陷性强烈；第③层黄土湿陷系数介于0.017～0.077，平均值为0.046，湿陷性中等；第④层至第⑦层湿陷系数介于0.016～0.028，湿陷性轻微。

4.2 湿陷性黄土厚度

湿陷性黄土总厚度最大为34.7m，其中湿陷性强烈的土层层底深度为8.80～10.10m，平均厚度约10m，湿陷性中等的土层层底深度为19.40～20.90m，平均厚度约10m，湿陷性轻微的土层层底深度为32.80～34.70m，平均厚度约13m。

4.3 湿陷类型及等级

该场地自重湿陷量的计算值介于423～987mm，大于350mm，为自重湿陷性黄土场地；总湿陷量的计算值介于1145～1742mm，远大于700mm，湿陷等级为Ⅳ级（很严重）。

4.4 单桩承载力

由于第①～⑦层具有湿陷性，不能作为桩端持力层，另外，在消除湿陷性时桩周土对桩身存在负摩阻力，结合该项目实际，对各土层提出了单桩承载力标准值。该场地黄土湿陷性和单桩承载力指标结果如表4所示。

表4 黄土湿陷性和单桩承载力指标统计表

5 桩基方案论证

该场地为大厚度湿陷性黄土场地，建筑类别为乙类，采用消除地基部分湿陷量的措施时，基础底面下具有自重湿陷性的黄土层应全部处理[2]，该项目采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层，即桩端持力层选择第⑦层黄土层以下地层。

该项目设计采用钻孔灌注桩，桩径800mm，桩长37m，设计单桩竖向极限承载力为2600N。在进行单桩竖向承载力验算时，结合该场地实际情况，对桩侧摩阻力和桩端阻力取值进行了探讨。一方面，场地地下水位埋深大（大于50m），所在黄土台塬为旱塬，地表水入渗深度有限，同时拟建构筑物为无水构筑物，场地内的湿陷性黄土尤其是深部的湿陷性黄土不具备湿陷条件；另一方面，湿陷性土层最大下限深度为34.7m，桩身穿越自重湿陷性黄土层，中性点深度比按0.6考虑且在此基础上中性点深度增大10%[3]，中性点深度为22.8m。基于这两方面的考虑，经过反复论证，形成如下意见：

（1）对湿陷性中等～强烈的区段（0～20m），桩侧极限摩阻力取负值（可取-30kPa）；对湿陷性轻微的区段（20～33m），桩侧极限摩阻力取正值（可取50kPa）；对非湿陷性桩侧极限摩阻力可按90kPa取值，桩端极限端阻力可按3000kPa取值。

（2）单桩承载力值以试桩的载荷试验结果为依据，必要时进行设计调整。

6 基桩检测

6.1 检测方案选择

一般而言，在湿陷性黄土场地测试单桩竖向承载力采用单桩竖向静载荷浸水试验，但对于该场地的构筑物，采用天然状态下单桩竖向抗压静载试验。这主要基于以下方面进行考虑：

（1）场地内古墓葬分布密集，需确保文物安全，不适宜做试坑浸水试验。

（2）场地处于旱塬上，年降水量较小，即使在暴雨或连阴雨下，入渗深度也很有限，另外该构筑物属无水构筑物，建成后地基浸水可能性小。

（3）建筑规模较小，总桩数不足100根，但试坑浸水试验用水量大，场地位于塬上，缺乏水源，供水代价大，耗费财力和时间进行试验不够经济。

（4）试坑浸水试验周期长，要使超过30m厚的湿陷性黄土浸水达到饱和状态且保证桩顶沉降达到稳定，在实践中很难做到，成功率低，达不到试验目的。

（5）场地为天然场地，试坑浸水试验后变为饱和场地，导致场地的原始设计条件发生变化。

（6）天然状态下单桩竖向抗压静载试验，方法简单、可行且符合实际条件，对试验结果进行折减亦可达到确定单桩承载力的目的。

6.2 单桩竖向承载力确定

采用天然状态下单桩竖向抗压静载试验结果扣除湿陷土层的侧摩阻力和负摩阻力，确定单桩竖向承载力。单桩静载试验应加至极限或接近极限荷载，试验结果中湿陷性中等～强烈的区段（0～20m）扣除负摩阻力和正侧阻力，其下湿陷性土层扣除正侧阻力，其侧阻力可参考单桩承载力指标的建议值。

7 结论

（1）该场地地基土为黄土和古土壤，其物理力学性质指标以标志层（第①层黄土和第④层古土壤）为分界，存在很强的规律性。

（2）该场地为大厚度自重湿陷性黄土场地，湿陷性黄土最大厚度为34.7m，湿陷等级为Ⅳ级（很严重）。

（3）湿陷性黄土的湿陷程度，第①～③层为中等～强烈，厚度约20m，第④～⑦层为轻微，厚度约13m。基于此，根据场地涉水条件，经论证，对湿陷性中等～强烈的区段，桩侧极限摩阻力取负值（可取-30kPa），对湿陷性轻微的区段，桩侧极限摩阻力取正值（可取50kPa），解决了单桩竖向承载力验算时桩侧摩阻力的取值问题。

（4）基桩检测时，考虑到在该场地进行试坑浸水试验的必要性、经济性和实施难度，用天然状态下单桩竖向抗压静载试验折减的方案代替单桩竖向静载荷浸水试验确定单桩竖向承载力。

（5）基桩的端阻力具有很重要的作用，施工时应对沉渣厚度进行重点控制。场地应采取严格防水措施，做到雨水的有序排放，应适当加宽构筑物周边硬化地面。