浸水對濕陷性黃土中樁基承載特性影響的模型試驗

張召陽,吳亞平,黃華南

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070； 2.河南工業和信息化職業學院,河南焦作 454000)

中國是黃土分布最多的國家，尤其是在大西北地區，黃土的分布面積達到中國黃土面積的72.4%，其中濕陷性黃土對工程建設的影響最大。隨著濕陷性黃土地區的工程開發越來越多，針對黃土濕陷性研究大都通過現場浸水試驗[1-10]來進行，但現場浸水試驗費時、費力、費資金[11]，而室內模型試驗彌補了這一大缺點，而且室內模型試驗可以避免現場試驗中出現的諸如大面積浸水、堆重等[12-14]問題。

在濕陷性黃土中，負摩阻力對于樁基的承載特性有很大的影響，因此國內外學者對于樁基負摩阻力的機理與作用特性做了很多試驗研究。Jonhannes-sen[15]、Bjerrum[16]等和Bozuzuk[17]對軟土中端承鋼樁的負摩阻力進行了量測，得出樁身容許荷載值比負摩阻力產生的下拽荷載值小很多。黃雪峰，陳正漢等[18]在大厚度濕陷性黃土中對不同類型的樁基進行了現場載荷-浸水試驗，結果表明：樁基負摩阻力的數值與場地的濕陷類型以及濕陷量的大小沒有明確的對應關系。夏力農，雷鳴等[19]通過對相同3根樁施加不同荷載進行現場試驗，得到了樁頂荷載對樁側負摩阻力以及中性點變化的影響規律。Koerner R M[20]研究了重塑粉土中群樁的負摩阻力分布情況，土體上面用板覆蓋，采用液壓千斤頂對其施加荷載，樁體采用懸掛式，試驗中分析了樁側負摩阻力的大小分布情況以及引起負摩阻力發生改變的因素。張曉健等通過室內模型試驗研究了砂土中PCC單樁的樁身力學特性和中性點變化情況[21]。

在以往的工程建設和科學研究中，對于濕陷性黃土中樁基的處理措施，大都是在現場對樁基先浸水然后等到黃土的濕陷性徹底發揮以后再加載，使樁土體系沉降后趨于穩定。在樁基的實際使用過程中，由于雨雪天氣等原因，樁基也會遇到在自重和車輛等外荷載作用下浸水的工況。為了探究兩種浸水工況對樁基的承載特性的影響，本文進行了對濕陷性黃土體系先加載后浸水和先浸水后加載的室內模型試驗，研究兩種浸水次序對樁基承載力、樁側摩阻力以及中性點位置的變化，同時研究濕陷性黃土中樁土體系在不浸水與先浸水后加載情況下樁基的力學特性變化。

1 試驗設計

1.1 試驗模型制作

試驗采用的是現澆鋼筋混凝土單樁模型，其長度L=650 mm，直徑D=80 mm，混凝土類型為C30，選用3根直徑均為5 mm、長度為600 mm的Q235鋼筋編制鋼筋骨架，根據試驗要求需要測試樁身應變，由于鋼筋與應變片的粘結性好，本次試驗把應變片粘貼到鋼筋骨架上，再將鋼筋骨架埋置在混凝土模型樁內，鋼筋骨架和樁身混凝土可近似視為共同受力和變形。根據模型樁身長度，應變片從距鋼筋頂部60 mm處開始粘貼，間距為80 mm，并對其進行編號，混凝土模型樁應變片布置見圖1。

圖1 混凝土模型樁應變片布置示意(單位：mm)

試驗中所用模型桶尺寸為：高700 mm，直徑440 mm，材質為鋁合金。為了更好地模擬現場的樁土狀態，試驗用土取自依托課題現場的黃土，現場黃土的液塑限分別為20.6%，15.4%，為粉質黃土，試驗模型土體的主要控制指標見表1。

表1 試驗模型土的主要控制指標

在取樣運輸過程中，由于現場土體的物理性質發生變化，需要對現場土重新篩分加水拌和，然后裝到塑料袋里進行隔夜養護24 h。將拌和好的黃土分批次分層裝入到模型桶內，并根據確定好的壓實度壓實，其中樁端需要鋪設100 mm厚黃土，直至將黃土層鋪筑到距模型桶頂端50 mm處。由于試驗需要測試樁體與樁周土體的沉降，需要在每個分層處埋設沉降標，沉降標從距模型桶底部100 mm處開始埋設，間距從下到上分別為5×100 mm與3×50 mm。制作完成的樁土模型如圖2所示。

圖2 樁土模型

1.2 試驗方案

在進行單樁豎向靜載試驗過程中，依據《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB 50025—2004)相關要求進行加載、卸載。試驗分為3種工況，分別在樁基不浸水、先浸水后加載、先加載后浸水的情況下研究其承載特性。試驗采用手持式噴灑壺從樁土模型上方均勻噴灑加水，每次加水3 kg，共加水3次至樁周土體飽和，當樁土體系在1 h內的沉降量小于0.01 mm，樁土體系視為穩定。試驗采取慢速維持荷載加載方式，加荷等級為11級，每級加荷重力為預估計極限承載力的1/10。在每級荷載作用下，樁的沉降量在每小時內不超過0.1 mm并且連續出現兩次即可認為沉降穩定。

1.3 試驗數據采集

試驗主要采集樁身應變和樁頂位移的數值，采用1/4電橋進行搭設，所用數顯百分表系統由百分表、數據線和采集軟件組成，為了消除溫度變化對測量的不良影響，試驗中采用補償片法，用同樣材料和方法制作補償塊，將應變片粘貼到鋼筋上，按模型樁直徑用C30混凝土澆筑，將其與受力構件同放置相同溫度場內。樁體沉降量在加載完每一級后，讀數按第5，10，15 min時各記錄1次，之后每次記錄時間間隔為15 min，累計1 h后單次記錄時間間隔為30 min。

2 試驗結果分析

2.1 極限承載力的差異

本次試驗確定極限承載力時采用的是Q-S曲線轉折點法。由圖3可以看出，土體在未浸水條件下，模型樁在2 kN荷載作用前基本呈線性趨勢沉降，在2 kN荷載處，沉降位移突然增大。在浸水條件下，樁體沉降規律和未浸水條件下一致，但樁體沉降位移增大，陡降點發生在2 kN處。根據確定極限承載力的方法可知，在樁周土體未浸水條件下極限承載力為2 kN，在浸水條件下極限承載力為2 kN。由此可知，樁周土在未浸水和先浸水后加載條件下的極限承載力相同，但由于先浸水破壞了土體的原狀結構，土體黏聚力隨著含水率增大而減小，樁體沉降速度增大，使得樁體的沉降位移隨之也增大。

圖3 Q-S關系曲線

2.2 樁身軸力的差異

在單樁豎向靜載荷試驗實施過程中，樁身軸力根據Fi=εi·E·A計算得到。εi為模型樁樁身應變；E為模型樁的彈性模量；A為模型樁的橫截面積。通過對所測應變值的校正，得到不同加載等級和浸水條件下的軸力值，并根據結果繪制出了樁身軸力與加載等級和浸水的關系曲線，如圖4所示。

圖4 樁身軸力分布曲線

從圖4(a)可以看出，土體在未浸水工況下，同一埋深處的樁身軸力隨著樁頂荷載的增大而增大，在同一荷載等級作用下，樁身軸力沿樁體埋深不斷減小，并且距樁端越近相鄰荷載等級之間的軸力差值越來越小，其分布曲線基本上處于平行狀態，說明在荷載作用下，樁側摩阻力是從上到下逐漸發揮的。

當樁土體系先加載后浸水時，樁身軸力沿樁體埋深先增大后減小，基本呈“D”形，而且在同一埋深處的軸力均比浸水前大，說明樁體上半部分樁側出現了負摩阻力，并且沿樁體埋深先增大后減小，直至出現正摩阻力，此時就會有樁土相對位移為0的點，即是軸力最大的點，其位置與樁體長度的比例為0.54。由圖4(b)可知，樁土體系浸水后，在樁體自重作用下，在樁身上段部位，樁身軸力先增大后減小，軸力極大值點出現在170 mm位置處，在樁身下段部位，樁身軸力先增大后減小，軸力極大值點出現在350 mm位置處，說明隨著浸水量的增加，在樁身上段部位，出現負摩阻力，而且負摩阻力沿樁身先增大后減小直至出現正摩阻力，在樁身下段部位，隨著浸水次數的增加，土體含水量增大，土體的失陷范圍也增大，導致樁周出現負摩阻力，隨著樁身埋深的增大，滲流到樁端部位的水量減小，土體失陷量減小，樁側負摩阻力消失，正摩阻力出現，這種分析結果與圖7中的摩阻力沿樁身的變化趨勢一致。

2.3 中性點位置的差異

本試驗中通過在不同土體深度埋設沉降標來測土體在浸水和未浸水工況下的沉降位移，并根據測試結果繪制出樁體與樁周土體沉降的關系曲線，如圖5所示。

圖5 樁土相對位移曲線

由圖5可以得知，在先加載后浸水條件下，隨著浸水量的增大，樁土相對位移沿著樁身逐漸減小，直至匯集，中性點的位置也就是樁土相對位移為零的地方，出現在樁體埋深約為350 mm處，中性點位置與樁體長度比例為0.54。在先浸水后加載條件下，中性點的位置隨著浸水量的增大發生變化，隨著浸水量的增大，中性點的位置沿樁身向下移動，中性點的位置與樁體長度的比例在0.40～0.54移動，相比于先加載后浸水的工況，先浸水后加載時樁身中性點位置略有提高。

2.4 樁周摩阻力的差異

圖6 混凝土模型樁受力示意

圖7 樁周摩阻力分布曲線

由圖7(a)可知，在樁土體系未浸水的工況下，樁側摩阻力分布呈非線性趨勢，大都為多峰曲線，在樁頂、樁中間和樁端附近出現了局部峰值，在同一埋深處，樁側摩阻力隨著加載等級增大而增大，但在樁頂和樁端側摩阻力增加更明顯。這是由于在樁頂施加外荷載后，樁周土體發生剪切變形，荷載隨之傳遞給樁周土體，此時樁體上部首先產生樁土相對位移，當傳遞給樁周土體的荷載達到了剪切變形的極限值，土體就會發生剪切破壞，樁身上面的側阻力逐漸減小，樁側阻力開始往下傳遞。

當樁土體系先加載后浸水時，浸水前，樁身摩阻力分布與未浸水時分布曲線大致相同，此時樁體沉降大于樁周土沉降，樁身摩阻力為正摩阻力。浸水后，維持樁頂工作荷載不變，土體開始發生濕陷性變形，樁側正摩阻力也開始逐漸減小，隨著浸水量的增大土體濕陷范圍增大，土體的沉降量隨之增大，當樁體沉降量小于樁周土體時，樁側開始出現負摩阻力。沿樁體埋深，樁側負摩阻力先增大后減小直至正摩阻力出現，負摩阻力的分布呈拋物線形，負摩阻力的分布長度占整個樁長的0.52。這是由于下面的土體含水率變化小，濕陷變形小，土體沉降減小，負摩阻力逐漸消失。在此過程中，出現了一個摩阻力為零的點，即中性點，大約在340 mm處，與上述2.3中確定的中性點位置基本一致。

當樁土體系先浸水后加載時，從圖7(c)可以看出，浸水過程中，樁體在自重作用下，樁側摩阻力沿樁體埋深出現了正負交錯現象。這是由于剛開始浸水時，土體吸水性很大，隨著浸水量的增大濕陷范圍迅速增大，土體表面發生濕陷變形，樁體在自重作用下沉降量小于樁周土體沉降量，此時樁側負摩阻力充分發揮作用。在分次浸水情況下，沿樁體埋深土體內的水分滲流速度減慢，土體濕陷變形會減小，樁側負摩阻力也逐漸減小直至出現正摩阻力，隨著浸水量的增大，水分滲透深度會增加，土體重力也增加，土體濕陷變形會進一步增大，導致土體濕陷量大于樁體沉降，樁側負摩阻力再次出現，樁側負摩阻力發生在樁體埋深為0～200 mm與260～350 mm范圍內，其間出現了3個摩阻力為0的點，即中性點的位置范圍為200～350 mm，與圖7(b)有輕微的差異，由于本次樁土模型試驗所用的黃土為重塑土，在將拌和后的黃土放入模型桶內壓實的過程中會出現土體壓實度不均勻的情況，導致模型樁樁土體系在浸水過程的沉降情況與原狀土中的樁土沉降略有出入。浸水結束在加載過程中，在樁體埋深200 mm以上部分，樁側為負摩阻力，隨著樁體埋深的增加，負摩阻力逐漸減小直至出現正摩阻力。與樁土體系后浸水相比，先浸水時樁基負摩阻力極大值增大46%，樁側負摩阻力極值點位置沿樁身下降170 mm，樁基正摩阻力極大值提高46%，正摩阻力極大值點沿樁身上升70 mm。

3 結論

(1)樁周土在未浸水和先浸水后加載條件下的極限承載力一樣大，但由于先浸水破壞了土體的本構關系，土體黏聚力隨著含水率增大而減小，樁體的沉降位移隨之也增大，使得樁體沉降速度增大。

(2)在樁土體系未浸水的工況下，在樁頂荷載加載到一定級數過程中，樁側摩阻力為正，樁身軸力分布規律基本一致，并且樁端軸力的衰減幅度比樁頂大，說明樁側摩阻力沿樁身從上到下逐漸發揮；在浸水條件下，樁頂維持工作荷載不變時，樁身軸力分布呈現“D”形，當樁體在自重作用下時，樁身軸力分布自上而下呈先增大后減小的非線性趨勢，并出現多個峰值，最大軸力出現的位置即是中性點所在之處。

(3)樁土體系在先加載后浸水的工況下，負摩阻力分布呈現“拋物線”形。在先浸水后加載過程中，樁側摩阻力出現正負交錯的現象。與樁土體系先加載后浸水相比，先浸水后加載時樁基中性點的位置略有提高，中性點的位置隨著浸水量的增加沿著樁身向下移動，中性點的位置與樁體長度的比例在0.40～0.54。

(4)與樁土體系先加載后浸水相比，先浸水后加載時樁側負摩阻力極大值增大46%，負摩阻力極值點沿樁身下降170 mm，樁基正摩阻力極大值提高46%，樁側正摩阻力極大值點沿樁身上升70 mm。