降雨過程對蘭州黃土中樁基負摩阻力的影響

艾小平，吳亞平，舒春生，余小龍，高海平，陳坤，徐正偉

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070；2.甘肅交通規劃勘測設計院有限公司，蘭州 730030)

黃土是一種成分復雜的具有獨特性狀的土，是第四紀地質時期干燥條件下形成的多孔具有柱狀節理的沉積物，主要成分是粉土顆粒(粒徑0.05～0.005 mm)，約占60%～70%，可溶鹽含量高達10%～30%，結構疏松，孔隙多而大，具有高壓縮性[1]。實踐證明，黃土受到水的浸濕后，結構迅速破壞而產生顯著的附加沉降，即濕陷[2-3]。在實際生產生活中，如果將樁基修建在有明顯濕陷性的黃土地區，樁側土體遇水濕陷較大時，會對樁產生向下的拉力，即負摩阻力，這會極大地降低樁基的承載力。近些年，濕陷性黃土樁基負摩阻力導致的工程問題，引起了相關領域許多學者的關注[4-9]。

雖然許多學者對濕陷性黃土樁基負摩阻力有研究，包括中國西北地區的一些科研機構和高校也做過此類試驗，但仍存在一些問題[10-14]。首先，在已有的大量研究中，如朱彥鵬等[13]關于負摩阻力隨樁長變化的研究，試坑浸水方式大部分是在樁周打泄水孔,這種方法雖然可以使樁周土達到飽和極限狀態，研究其充分濕陷的情況，但與實際不吻合。其次，雖然魏進等[14]做過類似浸水自然滲透的試驗，但其摩阻力分布與融土地區類似，有明顯分界。考慮到地域的廣闊性、復雜性，尤其是在中國大力投資建設的西北部地區，針對其特有的環境(干燥的氣候，大厚度高壓縮性黃土)，現有的研究還不充足。最后，中國現行規范對負摩阻力取值方式的規定過于簡單粗略、單一保守，并沒有考慮到實際樁基受力過程中中性點的變化。并且在實際工作生產中，不同地區土層狀況千差萬別。

隨著中國生產技術和需求的不斷發展，濕陷性黃土中樁基負摩阻力的研究還不足以滿足相關需求。鑒于此，筆者結合蘭州地區獨有的地質與氣候條件，模擬蘭州非連續降雨，進行較大型的現場樁基預載浸水試驗，研究蘭州地區濕陷性黃土對橋梁樁基摩阻力的影響。

1 試驗場地地質水文概況

試驗依托蘭州南繞城高速公路部分橋跨段，工程所在地屬隴西黃土高原西部，是青藏高原向黃土高原的過渡帶。地形地貌總體為南北高(黃土溝梁區)，中間低(河谷盆地區),需要較多橋梁溝通連接。蘭州屬中溫帶大陸性氣候，冬無嚴寒、夏無酷暑，氣候溫和，區內海拔平均高度1 520 m，年均氣溫11.2 ℃，年均降水量327 mm，月最大降雨量123.2 mm。全年日照時數平均2 446 h，無霜期180 d以上。擬建項目在全國公路氣候自然分區中屬甘東黃土山地區Ⅲ3。

依據設計院的勘察資料，將該試驗場地黃土自重濕陷最大深度初步確定為20 m。該工程段自重濕陷等級為Ⅳ級，場地靠近柴家臺村，交通便利，故將試驗場地選擇在西固區柴家臺上。

2 試驗方案

2.1 試驗依據及布置

結合蘭州地區降雨少、氣候干燥、匯水少的特點，依據《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB 50025—2004)中有關的濕陷性黃土試驗以及附錄H“單樁豎向承載力靜載荷浸水試驗要點”，由于場地周邊道路及其他構筑物的限制，將樁基浸水荷載試驗試坑采用長方形以及4個小長方形，尺寸為L×b=20 m×9 m+4×2.5 m×2 m=200 m2，試坑深度為0.6 m，整個試坑內鋪設15 cm厚的細砂礫。布設S2試樁，樁長l0為20.5 m，樁徑800 mm，試樁鋼筋籠主筋為8ф16，為通長筋，每根試樁在對稱鋼筋上沿豎向左右對稱布置鋼筋應變計，從1 m開始，前10 m每隔1 m布置一個，后10 m每隔2 m布置一個，共計30個。試樁之間的距離8 m，滿足《建筑樁基技術規范》有關規定，即樁間距大于4d。加載系統采用工字鋼堆載及千斤頂加載的形式，樁基設計承載力為380 t，采用500 t的工字鋼堆載。該試樁共布置24個觀測點，采用百分表記錄位移，其中淺層標點12個，分別沿120°夾角的3條觀測線布置，用于測地面的濕陷變化情況；深層標點6個，用以觀測不同深度土層的自重濕陷情況；樁周土標點3個，用以觀測樁土相對位移；樁頂3個點，以觀測樁的位移情況。試坑設有水分探頭，以量測水浸入深度。

2.2 試驗步驟

1)試驗得到旱地樁極限載荷為430 t，試樁取旱地樁極限荷載的0.5倍(215 t)作為設計荷載進行分級預加載；

2)第1級取分級荷載的2倍(86 t)加載，以后按分級荷載43 t加載,共加載4級；

3)待加載到設計荷載穩定后,從10月25日開始分別按照年均降雨量的2倍、3倍慢速浸水，研究預壓浸水摩阻力發展情況，停水后繼續研究土體失水固結摩阻力的發展情況；

4)11月18日開始按3倍年均降雨量浸水，浸水穩定后開始加載，并維持一定水位至試樁破壞。考慮到水分下滲及水分蒸發等，最終浸水量4倍多；

5)卸載分級進行，每級卸載量為加載分級載荷的2倍，維持1 h測讀樁頂沉降量。卸載至0后，讀樁頂殘余沉降量，維持至少3 h。

試驗采集數據按前1 h每15 min讀一次數，以后0.5 h讀一次數，穩定標準為連續2 h的位移量不大于0.1 mm[15]。

試驗現場如圖1所示。

圖1 現場布置圖

3 結果分析

3.1 加載結束的判定

通過試驗數據整理計算，得到位移隨時間變化以及荷載與位移的關系，如圖2所示。

圖2 S2樁加載時間對數位移關系Fig.2 S2 pile time logarithm-displment diagram when

S2樁從預壓到浸水加載破壞，結果如圖2所示。從圖2可看出,第5級荷載之前，各級荷載下S-lgt關系圖線較平直，無明顯的波折點。隨著荷載的增大，位移隨時間對數的增長數值基本保持不變。在第6級荷載作用下，加載初期，S-lgt關系曲線基本沒有變化，僅表現為微降，但當lgt數值在3附近時，位移曲線出現明顯拐點，表現為陡降，且超過24 h位移沒有達到穩定的標準，故判定此時試樁破壞，停止加載。

3.2 軸力及摩阻力沿樁身分布分析

3.2.1 預壓階段分析 試驗通過鋼弦式應變計測得應變，利用廠家提供的參數及公式計算得到軸力和摩阻力，結合Origin軟件對數據進行處理，得到S2試樁預壓階段如圖3所示。

圖3 預壓階段圖

由圖3可知，軸力沿樁深下降呈非線性衰減。隨著加載量增加，樁土相對位移增大，樁側摩阻力充分發揮效應，從而使軸力衰減速率增大。在樁體中上部5～11 m范圍，軸力有類似于正弦形的波動。分析其原因，可能是該深度的土層與其他土層承載特性相比存在明顯差異，以及試樁在澆筑時，樁側平整度對樁土接觸也有一定影響；計算所得摩阻力沿樁深變化趨勢是先增大后減小，靠近樁端再次增大，這與西北地區部分科研機構在類似土體試驗所得結果(摩阻力在樁下部逐漸減小，在樁端接近于零)有一定差別[14]，主要是土體的特性差異，樁體下部土層與樁的剪切彈性接觸良好，從而使摩阻力再次遞增。摩阻力數值基本為正，最大峰值位置基本都在9 m處，且最大值未超過150 kPa。樁側局部出現負值，但數值較小，負摩阻分布長度約3 m，基本可忽略不計，這與已有的樁基試驗結果基本吻合。摩阻力出現多個峰值且局部出現負值可能與土層性質和密實度有關，不同土層樁土粘結性能不同。此階段土體持力層主要在5～10 m及15～20 m處。

3.2.2 恒壓浸水階段分析 恒壓浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖4所示。

圖4 S2樁恒壓浸水階段圖Fig.4 S2 pile constant pressure immersion stage

從圖4(a)可以看出，在試坑浸水后，樁頂以下軸力隨即增大。在恒壓作用下，隨著浸水量和浸水時間的增長，樁身每個截面的軸力都在逐漸增大，軸力較樁頂荷載大的區間也在向下發展，且主要集中在樁中上部，樁端力幾乎沒變化。這主要是因為，隨著浸水時間和浸水量的增加，樁側土產生自重濕陷，且濕陷深度隨土浸水深度發展而增大。當土層的沉降大于樁體時，對樁產生向下的拉力，其數值隨著樁土相對位移增大而增大，這就相當于對樁二次加載，因而樁端力隨之增加。由圖4(b)可知，摩阻力沿樁身向下正負交替，土體浸水立刻產生負摩阻力，且負摩阻力主要分布在樁上部。通過計算后，負摩阻力分布長度和主要在4.66～5.04 m區間內，負摩阻力數值隨著時間因子增大和浸水量增加而增大，但增量不大。其主要原因是，隨著浸水量增加和時間延長，水浸入深度增大，淺層下的土層也產生較大沉降。此階段土體持力層與預壓基本一致，也主要在5～10 m及15～20 m處。

3.2.3 停水階段分析 試坑停水階段的軸力及摩阻力分布如圖5所示。

圖5 停水階段圖

由圖5可知，當試坑地表無積水時，軸力沿樁身仍有增加，但隨著時間的延長，增量逐漸減小。此階段樁身上部軸力增大值較小，主要表現為樁體中下部軸力增大，可能是在停水初期，隨著時間增長，深層土體也逐漸受到水分下滲造成的影響。此階段的樁端反力有一定量的增長，樁側摩阻力分布規律在此階段基本變化不大，仍呈現正負交替，個別截面摩阻力數值先增大后減小。負摩阻力分布長度和在5.04～5.1 m范圍內波動，初期先增大，隨著時間延長，逐漸有微量的衰減。說明土體在停水固結初期蓄水量大。由于試驗時間在秋冬季節，氣溫低，地層水分散失少，淺層土基本處于飽和狀態，使得樁土相對位移的變化很小，負摩阻力區段繼續發展。但后期隨著時間增長，部分水分散失，上部土層含水率降低，土體沉降速率降低，樁土相對位移減小，從而使負摩阻力分布長度和減小。此階段持力層基本無變化。

3.2.4 再次浸水階段分析 試坑再次浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖6所示。

圖6 再次浸水階段圖Fig.6 Diagram when flooded

當試坑再次浸水時，此階段整個樁深軸力都有微量增大。軸力增量隨著時間逐漸減小，總體數值遞增量較小，其原因可能是長時間停水后，試坑再次浸水使得土體再次濕陷。但沉降在首次浸水及停水階段已基本完成，故軸力變化較小，這一點可以通過樁土位移得到印證。此階段摩阻力沿樁長的分布規律及分布區間長度基本無變化，說明較長時間的非連續性二次降雨對樁基摩阻力影響不大。

3.2.5 加載持續浸水階段分析 試坑再次加載持續浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖7所示。

圖7 再次加載持續浸水階段圖Fig.7 Diagram of re-loaded under continuous flooding

試樁再次加載至破壞階段，在極限荷載作用下，軸力基本保持不變。而在破壞荷載作用下[15]，樁體中下部軸力明顯遞增，此階段負摩阻力峰值出現較大數值，主要是由于樁體產生較大的位移，擾動了樁側土體水分下滲，從而使下部土體濕陷。負摩阻力分布長度和先減小后增大，在極限荷載下，長度約5.14 m。破壞荷載下，樁端反力發揮到最大程度。土體的持力層主要在樁8 m以下的位置，這與埋設水分探頭所測水浸入土層深度結果基本一致，可見，水的影響深度主要在前8 m的位置，具體變現為土體浸水后，出現明顯的沉降，對樁施加負摩阻力，同時，水使得樁土接觸相互作用弱化。

3.2.6 卸載階段分析 試坑再次浸水階段的軸力及摩阻力分布如圖8所示。

圖8 實測卸載圖Fig.8 Actually measured unloaded

由圖8可知，卸載過程中軸力沿樁向下先增大后減小，在樁上部出現3個峰值，最大峰值位置與預載時峰值有一定差異，基本處在7 m位置，7 m以下逐次遞減。較為反常的是在卸第1級荷載時，樁頂以下軸力較卸載前變化較小，而且測得樁體回彈位移值較小，甚至仍有沉降趨勢。其原因可能是樁在破壞荷載作用下，卸載時樁周土對樁有較大的約束，限制了樁的回彈，從而使樁土相對較小[16]。此階段摩阻力分布規律與加載階段基本一致，負摩阻力沿樁深分布區段和隨著卸載量的增加數值增大，從5.74 m變化到9 m。相比加載階段，變化明顯，空載時，數值達到最大。可能是卸載過程中，由于土處于浸水狀態，仍會產生沉降，但樁體隨著荷載降低產生回彈，即產生向上的位移，如此便會產生負摩阻力，并且樁體回彈量隨著卸載等級增加而增大。此時，樁側土體持力層主要在10 m以下位置。

為了研究全階段變化情況，選取5 m及7 m處繪制軸力圖，結果如圖9所示。

圖9 試樁5 m及7 m處全階段軸力圖Fig.9 Axial force diagram at 5 meters and 7

結合前5個階段分析結果圖，由圖9可知：試樁5 m處，在浸水后軸力就開始增大，且隨著水量的增加及時間的延續，增大趨勢逐漸向樁下部發展。試坑無明水時，軸力仍有增長，相對于試坑浸水狀態，數值較小，可能是受到試坑水頭小的影響。再次浸水時，軸力繼續微量增大。再次施加荷載時，在每級荷載下，隨著時間的延長，軸力又再次的增大。說明在破壞荷載下，負摩阻力仍然存在，可能是由于該位置處的土層在之前受到水的影響并不明顯，在此時，由于樁基對土的擾動，導致該土層C、φ等承載特征值減小，從而下沉速率大于樁基，產生加載效應。

綜合以上分析可知，隨著浸水時間延長，正摩阻力發揮度在逐漸減小，而樁端力發揮度在增加，在破壞荷載下樁端力發揮度到達極限時，摩阻力發揮度達到最小。

4 結論及展望

1)試驗模擬降雨的浸水方式下，通過埋設水分探頭測得浸水最大深度在10 m左右，且在該深度處含水率增量很小，說明浸水主要影響區域已在10 m以上，并且樁基在浸水期間持力層也主要分布在10 m以下，這印證了試驗結果的正確性。

2)在浸水過程中，由于浸水方式不同，水影響深度較淺，使樁側正摩阻力呈現先增大、左右波動達到峰值后、經過減小后再次有增大的現象。

3)試樁在恒壓浸水至破壞過程中，樁側負摩阻力始終存在，且其峰值隨著荷載遞增而增大。樁身負摩阻力區段長度ln，與樁長比值ln/l0為0.23～0.26，是一個變化的過程；卸載過程中，存在較大面積負摩阻力，ln/l0為0.28～0.45。設計時，可以考慮中性點區間特點，達到安全、經濟、合理。

4)在試驗過程中，首次降雨對樁基軸力及摩阻力影響較大。間隔20 d左右，試坑水干，再次降雨對摩阻力影響較小。鑒于此特點，設計時可以主要考慮首次降雨對樁基影響。

5)試樁在短期浸水后，主要由于負摩阻力的影響，試樁的極限承載力只有自然條件下的60%。而試樁在極限荷載下的沉降量約自然條件下的1.73倍。設計時，在以承載力為主要控制參數時，要同時考慮樁基沉降的影響，保證承載力又兼顧橋梁路線的平順。