濕陷性黃土特性對橋梁樁基礎的影響

王 勇

(山西省朔州高速公路有限責任公司，山西 朔州 036000)

濕陷性黃土特性對橋梁樁基礎的影響

王 勇

(山西省朔州高速公路有限責任公司，山西 朔州 036000)

針對濕陷性黃土的工程特性，分析了其對樁荷載傳遞規律的影響，并探討了黃土地區橋梁樁基浸水前后的受力特性，總結了黃土地層中樁基設計需注意的問題，提出了消除負摩阻力的技術措施，避免濕陷性黃土給工程造成破壞。

濕陷性黃土，橋梁，樁基，特性

黃土是以粉土顆粒為主的沉積堆積物，顆粒大小介于粘土與細砂之間。黃土中富含碳酸鹽，具有目視可見的柱狀節理和大孔隙，其天然含水量小，顏色呈黃色或褐黃色(見圖1)。黃土具有獨特的沉陷性，即受水浸濕后，失去本身的固結性能，黃土結構迅速破壞產生顯著的下沉。根據壓力的不同，可分為自重濕陷和非自重濕陷。黃土層浸水后，土的自重發生濕陷稱之為自重濕陷，而土的自重及附加壓力共同作用導致的濕陷稱為非自重濕陷。

我國是世界上濕陷性黃土分布較廣的地區之一。在我省(山西)，汾河流域和晉東南是濕陷性黃土的主要分布區域，如表1所示。據資料顯示，山西省已建高速公路里程的40%均為濕陷性黃土路基。根據我省高速公路建設規劃，很多高速公路都通過濕陷性黃土地區，如2012年8月通車的臨吉高速(臨汾至吉縣)、2012年12月通車的忻保高速(忻州至保德)，計劃2016年6月通車的長臨高速(長治至臨汾)等。因此，在橋梁的建設工程中，了解黃土特性，避免黃土的濕陷性給工程造成損失以及破壞是非常重要的。

表1 我省濕陷性黃土的工程性能指標

黃土的濕陷特性，往往是局部和突然發生，且不均勻，對建筑物破壞性大，危害嚴重，是引起構造物破壞的主要因素。因此，在濕陷性黃土地區進行橋梁建設，對地基進行處理，做好樁基礎施工的質量控制，是確保工程質量的關鍵。

1 濕陷性黃土的工程特性

在黃土地區進行橋梁樁基礎施工，從樁基設計的角度看，濕陷性黃土具有以下特點：

1)大孔隙。濕陷性黃土的孔隙比一般在1.0左右，甚至更大。2)土體的承載力受含水率變化的影響顯著。濕陷性黃土在天然含水量狀態下，承載力一般高于100 kPa，甚至高于200 kPa。而浸水后，承載力小于100 kPa，甚至小于50 kPa，可以看出，浸水后的黃土地基承載力大大降低。3)水對黃土結構的影響很大。不同濕度的黃土，如干黃土、濕黃土與飽和黃土，動力性質具有顯著差別。4)振陷與濕陷。當黃土受到振動和水的浸潤作用后，導致黃土結構迅速破壞而發生的附加沉陷。5)負摩阻力。濕陷性黃土地基浸水后，其沉降變形大于樁身的沉降變形時，樁體正摩擦力完全消失，產生負摩阻力會進一步加大樁基沉降(見圖2)。

2 黃土的工程特性及對樁荷載傳遞規律的影響

黃土地區的橋梁樁基，由于受到黃土濕陷性影響，其沉降變形大于樁身的沉降變形時，樁側將出現向下作用的負摩阻力。產生的負摩阻力會將樁側土體的部分重力傳遞給樁。在此情況下，負摩阻力不僅不能成為樁承載力的一部分，還會成為給樁施加壓力的外荷載。在黃土地區進行施工時，產生的負摩阻力會增大樁的外荷載，相對降低樁的承載力，樁基沉降加大。

在濕陷性黃土地區進行橋梁施工時，樁基礎浸水后出現沉陷，濕陷過大的沉降會造成負摩阻力的產生，由樁端土體承受負摩阻力。這會使得增大樁的設計長度，增大施工難度，顯著降低工程效益。

3 黃土地區橋梁樁基浸水前后的受力特性

1)樁浸水前后的承載力對比。工程實踐表明，樁浸水前的極限承載力要顯著大于浸水后的極限承載力。在荷載相同的情況下，樁浸水前的沉降量要比浸水后的沉降量小很多。實驗表明，由于浸水導致的黃土濕陷，會使得其抗剪強度大大降低，從而造成樁的承載力顯著降低。

2)樁身軸力及樁端阻力浸水前后發揮的對比。在濕陷性黃土地區施工時，樁周浸水前和浸水后的軸力分布差異較大。大量的工程實踐表明，由于樁周土體浸水發生濕陷，導致負摩阻力產生。在荷載作用下，黃土地基未浸水時，樁身軸力隨入土深度的增加而減小，大部分荷載由樁側土體承受，樁端承受的荷載很小。當黃土地基浸水后，由于負摩阻力的存在，正摩阻力消失，樁身軸力隨著入土深度的增加而增加，從而導致樁的沉降加大。

3)樁的側阻力浸水前后發揮的對比。大量的工程實踐表明，黃土地基未浸水時，樁的側阻力均為正摩阻力。隨著載荷的增加，樁側阻力逐漸增大至極限值。黃土地基浸水后，樁的側阻力部分出現負摩阻力，導致樁的沉降量增大。可以看出，由于負摩阻力的影響，樁浸水前樁側達到極限摩阻力的土層深度比浸水后的淺很多。

4)樁浸水沉降變形特性對比。樁在浸水后，樁的沉降變形量與樁周土體的浸水特性一致，但樁頂的沉降量比樁周土要小得多。

在工程建設中，黃土地及總濕陷量越大，對橋梁樁基等建筑物的危害越大，相應的設計、施工和處理措施要求也相應地越高。

4 黃土地層中樁基設計需注意的問題

在黃土地層進行橋梁樁基建設時，黃土特有的濕陷特性會造成樁基設計與應用受到很大的限制。在樁設計中，一般通過增加樁長，使樁端位于非濕陷性黃土層上來消除黃土濕陷性的影響。在我國現行公路橋梁規范技術規范中，對在黃土地區進行樁基施工時采用的設計參數存在著不合理的問題，造成樁埋深過大或過小。這些增加了樁的施工難度和工程造價，甚至導致工程隱患。

結合濕陷性黃土的工程特性，對黃土地層中樁基的設計需要注意的問題如下：

1)樁型選擇。在濕陷性黃土地區進行橋梁建設，對上部結構荷載大或地基浸水可能性大時，一般采用樁基礎。將一定長度的樁穿透濕陷性黃土層，將荷載通過樁端傳到非濕陷性土層。即使地基受水浸濕，也可以避免濕陷的危害。按施工方法分，在濕陷性黃土地區可采用的有沉樁、灌注樁、管樁基礎、鉆埋空心樁及爆擴樁等。

2)負摩阻力。設計中，必須考慮負摩阻力驗算樁基的承載力和沉降。在濕陷性黃土地區進行設計時，按照技術規范，對于自重濕陷性黃土場地的單樁承載力，除了不計濕陷性土層范圍內的樁周正摩阻力外，還應扣除樁側的負摩阻力，同時規定樁側負摩阻力的計算深度，應自樁的承臺底面算起，到其下非濕陷性黃土土層頂面為止。

3)針對黃土的濕陷特征，并結合具體工程情況，在設計中采取一些工程措施。如為改善結構物對不均勻沉降的適應性，對地基進行預處理，防水與排水以及采取結構措施等。

4)設計中應特別注意沉降控制。在工程設計中，通過分析計算，做到樁基的沉降和不均勻沉降實現可控。同時還需注意，由于黃土的振陷，承臺底面與土之間可能脫空，導致樁在承臺底面以下一段范圍內發生水平斷裂。

5)單樁承載力的確定。在確定單樁豎向承載力時，通常有三種方法，一是將負摩阻力作為負的承載力；二是將負摩阻力作為一種不利因素，以原有的安全儲備補償；三是將負摩阻力作為附加荷載。第三種方法在實際工程中應用較廣。

5 消除負摩阻力的技術

在黃土地區，負摩阻力是影響樁基承載力的重要因素。在工程設計中，通常采用以下措施來減少負摩阻力：

1)在樁基外設保護樁(隔離樁)。防止基礎外填土或堆載引起的負摩阻力，保護樁承擔全部負摩阻力與填土的側向推力。

2)涂層法。在樁表面涂瀝青、樹脂、再生橡膠等物，減少負摩阻力。

3)預鉆孔法。在插入樁前先鉆孔，直徑比樁徑稍大，深度達到中性點。中性點以下則不用預鉆孔，而是打入或者其他常規方法設樁以保持樁的正摩阻力。

4)塑料膜滑動隔離法。用雙層筒形塑料薄膜預先置于中性點以上的鉆孔內，然后在薄膜內澆筑混凝土。

5)套筒法。在樁外設置與樁身不相連的套筒，由套管來承擔負摩阻力。

6)地基浸水法。使地基先浸水,增加孔隙壓力,降低樁側負摩阻力。

7)地基加固法。在鉆孔灌注樁施工之前,先對一定范圍內的地基實施處治，達到削減負摩阻力的目的。

在工程實踐中，應根據實際情況選取合理的處治方法，盡量減少負摩阻力的影響。

[1] 馮忠居.黃土地區橋梁樁基設計與施工相關技術問題[Z].2009.

[2] 王 斌.樁基礎在濕陷性黃土的應用和發展[J].甘肅科技，2008(8):15-18.

[3] 魏 綱，齊靜靜.濕陷性黃土地區單樁負摩阻力計算研究[J].低溫建筑技術，2008(1)：55-57.

Impact of collapsible loose characteristics upon bridge pile foundation

WANG Yong

(ShanxiShuozhouHighwayCo.,Ltd,Shuozhou036000,China)

In light of collapsible loose engineering characteristics, the paper analyzes its impact upon pile load transmitting law, explores the mechanical properties of bridge pile foundation before and after soaking in loose region, summarizes pile foundation design matters in loose stratum, and puts forward technological measures of demolishing negative friction, so as to avoid engineering damage owning to collapsible loose.

collapsible loose, bridge, pile foundation, characteristics

1009-6825(2014)34-0172-02

2014-08-29

王 勇(1971- )，男，工程師

U443.1

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