濕陷性黃土地區(qū)鉆孔樁承載力試驗研究

易 聃

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原 030006)

0 引言

鄭西客運專線是徐州至蘭州快速客運通道的中段，東起鄭州市，西至西安市，正線全長約458．886 km。豫西及關(guān)中地區(qū)橋梁大都位于濕陷性黃土分布區(qū)，濕陷性土層厚度在10 m～25 m，部分地段濕陷性黃土厚度大于25 m。黃土具有濕陷土層厚度大、濕陷等級高、濕陷性敏感、伴生不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育等特征。

由于濕陷性黃土是具有強烈結(jié)構(gòu)性的欠壓密土，相應(yīng)的地基變形包括壓縮變形和濕陷變形兩種，其中壓縮變形由上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載所引起，當(dāng)基底壓力不超過地基土的容許承載力時，地基的壓縮變形很小，一般能滿足其對沉降變形的要求;濕陷變形則是地基被水浸泡后所引起的一種附加變形，往往具有局部性和突發(fā)性。地基的濕陷變形一般很不均勻，常對橋涵等構(gòu)(建)筑物造成危害，對鐵路工程建設(shè)的潛在威脅很大。

根據(jù)濕陷性黃土的特性，在黃土濕陷時將會對樁產(chǎn)生負(fù)摩擦力。樁基負(fù)摩擦力可能發(fā)生在施工過程、使用前或橋梁運營階段的使用過程，發(fā)生在使用過程最為不利。對于摩擦樁，負(fù)摩阻力將會引起附加沉降。如果各個橋墩下各樁基都有負(fù)摩擦力，將會引起橋梁整體沉降，影響橋梁與路基的平滑過渡;如果部分橋墩下樁基發(fā)生負(fù)摩擦力，將會引起橋墩之間的不均勻沉降。不管哪種沉降，超過一定限度后，都會影響到客運專線行車高速性、安全性以及平穩(wěn)舒適性的使用要求。

豫西及關(guān)中地區(qū)原設(shè)計橋梁鉆孔樁最大樁長為80 m，考慮基坑開挖深度，鉆孔深度最大可達(dá)到86 m以上，而目前國內(nèi)旋挖鉆機的最大鉆孔深度只有65 m左右，無法一次鉆進(jìn)到設(shè)計孔深。在前期組織試樁時，采用套鉆的方法才達(dá)到設(shè)計孔深，即先采用旋挖鉆機鉆進(jìn)到65 m深度后，改用普通回旋鉆機繼續(xù)鉆進(jìn)到設(shè)計孔深，一個鉆孔需要8 d～10 d才能完成，功效非常低。

因此，濕陷性黃土地區(qū)鉆孔樁受力一般以摩擦樁為主，其中負(fù)摩擦力的確定對確定樁的總長度起決定作用，需要在現(xiàn)場通過試驗來確定黃土的濕陷性對樁的影響。在設(shè)計與施工工藝選擇中，要充分考慮到負(fù)摩擦力的影響以及掌握樁的承載力和沉降大小。通過測試鉆孔樁的承載力，然后減短樁長，從而方便現(xiàn)場施工是非常必要的。

1 試驗研究內(nèi)容和方法

通過濕陷性黃土地區(qū)鉆孔樁承載力試驗研究，確定鉆孔樁的施工工藝和設(shè)計參數(shù):

1)進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗確定單樁豎向抗壓極限承載力值，進(jìn)行單樁水平靜載試驗確定單樁水平極限承載力值。

2)預(yù)先在鉆孔樁內(nèi)埋設(shè)鋼筋計，在進(jìn)行單樁豎向靜壓試驗時通過鋼筋計測樁周摩擦力，對樁的安全性進(jìn)行評價。

3)會同設(shè)計單位對集團(tuán)公司鄭西項目鉆孔樁的樁長設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，提高施工效率和項目效益。

2 試驗方案設(shè)計

在中鐵三局管段內(nèi)共進(jìn)行9座橋梁18根試樁試驗研究，以棗香河特大橋(中心里程DK307+208．7)為例進(jìn)行敘述，棗香河特大橋進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗2組，試樁編號為26-1號、26-2號;水平靜載試驗1組，編號為26-1號，在26號橋墩右側(cè)距右線中心線10 m處進(jìn)行，摩阻力測試樁為1根試樁，編號為26-2號。

2．1 試樁設(shè)計

樁頂標(biāo)高為326．936m，樁長為43．37 m，樁徑為1 250 mm，設(shè)計單樁豎向抗壓極限承載力值為10 000 kN。錨樁樁頂標(biāo)高和樁徑與試樁相同，樁長為30．00 m。

2．2 試樁樁帽加固

由于試樁長度大，故樁頂混凝土浮漿厚度較大，根據(jù)以往經(jīng)驗，試樁樁帽加固需在鑿除試樁浮漿后進(jìn)行，樁徑1 250 mm，1 000 mm的試樁加固高度1．00m(同預(yù)留筋長度)，采用φ1 250 mm，1 000 mm，厚度10 mm，長度1．00m的鋼護(hù)筒，搭接處需焊接牢固。在1．00 m內(nèi)設(shè)6道加勁筋(φ16@200)，5層網(wǎng)片(φ16@200)。樁帽部分混凝土強度等級為C45。

樁徑800 mm的試樁加固高度1．00 m(同預(yù)留筋長度)，采用φ1 000 mm，厚度10mm，長度1．00m的鋼護(hù)筒。其他與φ1 250mm，1 000 mm樁帽相同(見圖1)。

圖1 試樁錨樁平面位置圖（單位：mm）

2．3 錨樁設(shè)計

1)錨樁抗拉鋼筋。

經(jīng)過計算，錨樁配筋如下:試驗荷載為10 000 kN時，采用20φ25鋼筋，加勁筋φ16@2 000，螺旋筋φ10@200。試驗荷載為13 000 kN時，采用主筋26φ25，加勁筋φ16@2 000，螺旋筋φ10@200。

2)錨樁長度。

錨樁直徑同試樁。經(jīng)計算確定各類型錨樁長度如下:a．φ800 mm、試驗最大加載為10 000 kN時，長度不小于50．00 m。b．φ1 000 mm、試驗最大加載為10 000 kN時，長度不小于45．00 m;最大加載為13 000 kN時，長度不小于50．00m。c．φ1 250 mm、試驗最大加載為10 000 kN時，長度不小于30．00 m。d．在滿足試驗要求的前提下，為節(jié)約鋼筋，錨樁樁身下部1/3長度的主筋數(shù)量比上部2/3減半;預(yù)留筋長度不小于1．50 m。

3 試驗研究數(shù)據(jù)分析

3．1 單樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果

根據(jù)表1和圖2～圖5可知，2根試樁荷載(Q)—沉降(S)曲線均未出現(xiàn)明顯陡降段;沉降(S)—時間(lg t)曲線尾部均未出現(xiàn)明顯向下彎曲段，表明樁的承載力未達(dá)到極限狀態(tài)。根據(jù)試驗結(jié)果判定，在天然狀態(tài)下，單樁豎向極限承載力值Qu≥10 000 kN。荷載10 000 kN對應(yīng)沉降量26-1號樁為3．155 mm，26-2號樁為3．870 mm。根據(jù)以上分析，單樁豎向極限承載力取值見表2。建議本橋位單樁豎向極限承載力值Qu取10 000 kN。

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗沉降量匯總表

表2 單樁豎向極限承載力取值表

圖4 26-1號沉降（S）—時間（lg t）曲線

圖5 26-2號沉降（S）—時間（lg t）曲線

3．2 單樁水平靜載試驗結(jié)果

根據(jù)表3和圖6，圖7可知，26-1號樁:水平力(H)—時間(t)—作用點位移(Y0)曲線有明顯陡降段;水平力(H)—位移梯度(ΔY0/ΔH)曲線存在第二拐點，根據(jù)試驗結(jié)果判定，在天然狀態(tài)下，單樁水平極限承載力值Hu=900 kN，對應(yīng)水平位移為9．040 mm。根據(jù)以上分析，單樁水平極限承載力取值見表4。根據(jù)試驗結(jié)果，建議本橋位單樁水平極限承載力值Hu取900 kN。

3．3 摩阻力試驗結(jié)果

從圖8，圖9可見，試樁在5 000 kN作用下，摩阻力主要分布在地面以下25 m范圍內(nèi)，其后隨著樁身長度的增加，摩阻力逐漸減小。在樁深度25 m以下，側(cè)摩阻力僅為7 kPa以下。沿樁身的平均摩阻力為30 kPa，其中地面以下25m范圍內(nèi)的平均摩阻力為50 kPa。

試樁在10 000 kN作用下，摩阻力主要分布在地面以下30 m范圍內(nèi)，其最大摩阻力為125 kPa，此范圍以下側(cè)摩阻力很小，為15 kPa以下。沿樁身的平均摩阻力為40 kPa，其中30 m范圍內(nèi)的平均摩阻力為55 kPa。

圖6 水平力（H）—時間（t）—作用點位移（Y0）曲線

圖7 水平力（H）—位移梯度（ΔY0/ΔH）曲線

表3 水平靜載試驗結(jié)果匯總表

表4 單樁水平極限承載力取值表

在5 000 kN樁頂力作用下，摩阻力約占99%，為純摩擦樁;在10 000 kN樁頂力作用下，摩阻力約占71%，樁端反力約占29%。

4 結(jié)語

1)對于長大樁，試驗表明樁端土不發(fā)生整體剪切破壞，而由土的壓縮機理起主導(dǎo)作用。即隨著荷載的增加，樁底以下土體產(chǎn)生豎向和側(cè)向壓縮，由此排出的土體積足可以容納樁端的下沉體積，而不會導(dǎo)致土體形成通向樁端平面以上的連續(xù)滑動面。這種以壓縮機理起主導(dǎo)作用的漸進(jìn)破壞，Q—s曲線表現(xiàn)為緩變型，無明顯特征點，因此，極限承載力或者容許承載力的確定一般應(yīng)以位移控制。

圖8 26-2號試樁樁身軸力分布圖

圖9 26-2號試樁樁身摩阻力分布圖

2)綜合9座特大橋的試樁情況，樁的承載性狀屬于摩擦樁類型。樁身的摩阻力主要集中在樁長的2l/3范圍內(nèi);樁身摩阻力超過2 l/3后，摩阻力很小，可以忽略不計。一般樁頭5 m范圍內(nèi)摩阻力可以忽略;在5 m～40 m范圍內(nèi)，摩阻力極限值可以按70 kPa來考慮;對于深度超過40 m的范圍，摩阻力不能夠得到發(fā)揮，可以忽略不計以策安全。對于軟塑～流塑狀的淤泥質(zhì)土，建議不計樁側(cè)摩阻力。絕大部分樁端阻力占30%左右。3)試驗表明摩擦型樁基承載力容易得到滿足，除抗震特殊要求外，在少量擴(kuò)大樁徑樁長可較大幅度減少，提高施工效率和項目效益。從客專正常運營角度來說，難點是控制樁的沉降。為了安全起見，建議進(jìn)行樁基沉降計算與實際觀測。

［1］鄭西客運專線第Ⅳ標(biāo)段特大橋鉆孔灌注樁單樁靜載試驗報告［R］．太原:中鐵三局集團(tuán)有限公司，2006．

［2］鄭西客運專線ZXZQ04/09標(biāo)段橋梁鉆孔灌注樁摩阻力測試分析報告［R］．太原:中鐵三局集團(tuán)有限公司，2006．

［3］黃雪峰，馬良榮，張建華．濕陷性黃土嵌巖灌注樁對側(cè)阻力強化效應(yīng)試驗研究［J］．陜西建筑，2010(12):55-59．

［4］黃雪峰，陳正漢，哈 雙，等．大厚度自重濕陷性黃土中灌注樁承載性狀與負(fù)摩阻力的試驗研究［J］．巖土工程學(xué)報，2007，29(3):338-346．