黃土地區樁基承載力特性試驗研究

王進璽，楊永東，張斌偉，楊 陽，翟 楠

(1.隴東學院 土木工程學院,甘肅 慶陽 745000；2.甘肅省高校黃土工程性質及工程應用省級重點實驗室，甘肅 慶陽 745000)

黃土是第四紀時期形成的陸相土狀堆積物，顏色為灰黃、棕黃或棕紅，孔隙度大，具有垂直節理和管狀孔道。黃土結構強度在天然含水量下較高，能維持很高的垂直邊坡，但黃土富含碳酸鹽，抗蝕性弱，新生黃土具有濕陷性，易受流水侵蝕，土體遇水崩塌滑陷[1]。黃土在世界上分布十分廣泛，覆蓋著全球大陸面積的2.5%以上，在溫帶半干旱及沙漠前緣地帶自東向西呈帶狀分布。黃土地貌主要包括黃土溝間地、黃土溝谷和獨特的黃土潛蝕地貌，具體可劃分為黃土塬、梁、峁、河谷階地、沖積或洪積平原等類型[2]。我國黃土面主要分布在西北地區及黃河中游一帶，主要分布在陜西、甘肅、河南、山西等地,面積約為64萬平方公里，分布區典型，分布面積廣、厚度大，發育全面連續，是世界上黃土分布最廣泛的地區。我國西北特別是甘肅東部慶陽地區黃土地層最厚，結構完整，分布連續。

近年來，高層建筑、高速公路及高速鐵路等大型工程項目如銀西高鐵等隨著西部大開發的持續推進及西部地區城市建設的發展在隴東地區不斷落地，樁基礎因其承載力高，沉降小等優良性能而被廣泛采用，然而不同土質及其與樁相互作用后表現出的承載特性和沉降特點也有很大的差異。考慮到實際工程基礎附近土體抗力和承臺底部摩擦力已經可以在很大程度上抵抗上部結構傳遞的水平荷載[3]，樁基礎承載力的著重點應當放在豎向荷載問題上。國外在樁基研究中，對于承受豎向荷載的單樁和群樁的一些理論和數值計算方法已經較為完善，如1999年Guo和Randolph采用的有限元法[4]，2013年Salgado等采用的變分法迭代法[5]等；華遵孟等[6]在該地區進行樁基設計時，取值時大都采用現行樁基規范推薦的參數，如對單樁承載力特征值和各層黃土的側摩阻力都是參考規程[7]中靜力觸探測試初步取值。與實際工程情況不符，設計中采取規范取值，一般會取安全系數，偏于保守，很可能造成較大浪費。根據現行規范[8]要求對甲級建筑樁基和場地條件較復雜的乙級建筑樁基，單樁豎向極限承載力均應通過單樁靜載試驗確定。為此，準確確定該黃土地區樁基豎向承載力性能是現階段急需解決的問題。對于樁基而言，張雁等認為，在一般情況下樁側摩阻力沿樁身的分布無負摩阻力[9-11]。目前對于慶陽地區黃土層上樁基性能的研究還沒有形成系統的理論方法，研究成果非常匱乏。鑒于此，通過現場試驗對樁的樁身沉降及豎向承載性能進行詳細的研究，對工程建設及維修養護可以提供理論依據。

1 樁基承載力原位試驗

1.1 工程概況

為了判斷采用樁基礎的基礎形式能否為上部結構提供足夠反力，并確定該地區單樁豎向承載力性能，現場試驗依托慶陽市華池縣第一中學(新建)工程展開，試驗場地為Ⅱ類，無液化土層，勘察深度范圍內無地下水。該建筑物屬于丙類建筑，地基土屬于自重濕陷性黃土，濕陷程度中等，濕陷等級為Ⅱ級，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋和混凝土材料都具有微腐蝕性，標準凍土最大凍深820mm。在控制深度內進行地質勘探，土層組成自上而下分別為:

(1)雜填土：稍濕，松散，雜色。

(2)濕陷性黃土狀粉土：稍濕，黃褐色，硬塑，稍密，具有遇水濕陷性主要為粉土。

(3)角礫：雜色、較均勻，稍密—中密，稍濕。

(4)粉砂質泥巖：紫紅色—棕紅色，塊狀，砂質結構，稍濕。

(5)泥質粉砂巖：灰白—深灰，塊狀，本層為樁端持力層。

其力學特性如表1所示。

表1 地層分層統計表

1.2 試驗方案

選取教學樓地下室場地3根試驗樁，試樁采用C30標號混凝土灌注成樁，樁身采用鋼筋籠配筋，50mm厚混凝土保護層，防止銹蝕。樁直徑采用800mm，樁長11m，擴底直徑1600mm，樁端地基為中風化—微風化的泥質粉砂巖，其承載力特征值為2450kN。樁體施工時一次成樁，未留施工縫，檢測結果樁身完整均為I類樁。挖孔過程為防止雨水和地表水流入樁孔內，基礎施工之前先對場地雜填土進行碾壓，至壓實系數不小于94%，場地碾壓后的天然地坪低于樁頂標高的位置采用素土回填至樁頂標高以上600mm，回填土分成每填1m厚夯實一次，壓實系數不小于94%，然后定位打樁。基礎至建筑面層中間部分采用素土回填，分層夯實，當回填至距離建筑面層1.2m時，采用2∶8灰土回填至建筑面層標高，分層回填，分層夯實。

2 試驗操作要求

2.1 靜載平板試驗

本次試驗采用堆載法，堆載法操作簡單，費用較低，但是需要場地較大。桁架結構、主梁、工字等組成堆載平臺，平臺上堆放袋裝沙土或混凝土塊等材料進行加載，如圖1所示，為混凝土塊。用油壓千斤頂設備進行加載，壓力表讀取堆載壓力值，壓力表在試驗前需要進行標定，以減少讀數誤差，提高數據的準確性和可靠性。百分表觀測位移即沉降，百分表的靈敏度要求較高。在試驗過程中，樁頂沉降Q-S等曲線由靜載試驗儀自動繪出，減少工作量，樁端的沉降由樁端處焊接的鋼絲繩引到樁頭較易測量的位置，量測鋼絲繩下降距離，鋼絲繩變形較小，滿足試驗要求。靜力加載時每級荷載達到相對穩定之后持荷載2～3min再接著施加下一級荷載，這種加載方法叫作慢速持荷加載法，分級加載直至樁身破壞，主要是壓應力達到極限而產生的強度破壞，卸荷也要分級。具體方法及步驟如下：

圖1 加載反力系統

(1)靜力施加荷載：首級荷載必須為分級荷載的2倍加載，分級加載值為預估極限荷載值的1/10～1/15，總加載級數10～15次。

(2)沉降觀測需要等到沉降值相對穩定后進行，每級加載結束后，連續每小時內出現兩次沉降量小于0.1mm時即為達到相對穩定，沉降觀測時每一級荷載施加后5min、10min、15min進行讀數一次，隨著沉降量不斷減小，趨于穩定，之后每隔15min讀數一次，累計讀數1h后每半小時讀數一次，并詳細記錄數據。

(3)當Q-S曲線上出現承載力陡降，樁基總沉降量大于40mm；某一級荷載下沉降量大于或等于前一級荷載的2倍，24h后仍然未達到穩定；樁體、樁頂破壞或達到設計限定的極限值后即終止加載。

2.2 樁身軸力試驗

在樁身周圍布置應變計測實驗過程中樁身混凝土及主筋應力的變化情況。為了便于連接應變片的導線引出，且使導線在壓樁時不被破壞，在樁頂側面鉆3個圓孔。沿樁身間隔1m貼一個應變片，每列共12個，在同一高度貼3個，共計36個。如圖2所示，每根試樁在軸向對稱位置沿豎向焊接應變計于試樁縱主筋上，樁身應力傳器沿著樁長度方向每間隔2m布置一道，每層布置沿周長平均分布4個傳感器。數據采集利用電腦軟件自動記錄與測試同步數據，不需要人工讀書，這樣可以節約資源，同時也能更清楚地檢測樁身各位置在荷載作用下內力的變化情況，為后續進一步分析受力特性奠定基礎。

圖2 應變計布置圖

試驗準備階段對每一個應變片通過測量電阻進行精度標定。先用拋光機將樁身混凝土表面貼應變片部位打磨光滑，必要時清洗干凈，再確定編號。貼應變是整個實驗環節的關鍵點，先用無水乙醇清除表面，是表面平整干凈無雜物，再用丙酮擦拭，用502膠將應變片粘貼在樁身內壁，確保應變片與樁身接觸緊密，最后用端子把引出線與應變片焊接在一起，為保證應變片絕緣和防潮表面涂703膠。應變片粘貼完畢后，測量每一個的電阻值來檢測應變片是否接通，最后樁頂側面開孔引出導線。

3 結果分析

3.1 單樁試驗的荷載-沉降

單樁豎向承載力試驗結果的Q-S曲線和S-lgt曲線如圖3～5。通過試驗針對試樁進行單個樁基礎豎向承載力特性試驗，試驗表明，所有試樁基底壓力較小，趨近于零，均呈現出典型的摩擦樁特性，主要由樁土相互作用的摩擦力來承擔荷載，同時Q-S曲線均表現為斜率較小，無明顯陡降或突變區段。在豎向靜力加載至4900kN時，試樁均完好無損，在強度范圍之內，沒有出現因強度達到極限而產生的破壞，試裝的樁身沉降量最終測定結構分別為12.24mm、15.44mm和18.64mm。

圖3 1#試樁的Q-s曲線和S-lgt曲線

試驗試樁設計的最大加載荷載為2400kN，現場試驗具體加載情況為最大加至4900kN時樁基礎沒有破壞，仍然處在受力正常狀態，說明設計時考慮的安全系數較大，綜合考慮分析后沒有繼續加載較大荷載，有很大的優化設計空間。所有試樁的Q-S曲線變化趨勢基本一致，由于沒有破壞還有持續變化的趨勢，可據此判斷單個樁基礎的豎向極限抗壓承載力應大于4900kN，且有較大安全儲備。單樁豎向承載力特征值可以將單樁豎向極限承載力約4900kN除以安全系數2，得到單樁豎向抗壓承載力特征值為2450kN，大于設計值2400kN。通過試驗結果數值與設計要求數值進行比較，可以得知單樁承載力完全滿足設計要求，說明采用樁基礎的基礎形式能夠為上部結構傳遞的荷載提供足夠反力。通過對比分析，試驗過程沒有樁基礎破壞現象，可以推斷試樁承載力并未達到極限，還有一定安全儲備空間，對材料的使用有浪費的現象，有優化設計，提高經濟效益的空間。

圖4 2#試樁的Q-s曲線和S-lgt曲線

圖5 3#試樁的Q-s曲線和S-lgt曲線

3.2 試驗樁軸力分析

由于試樁過程中無損壞現象，材料滿足胡克定律，如果測得對應鋼絲繩深度下鋼筋的應變，可以通過應力應變關系算出樁身該處截面的拉壓正應力，鋼筋的正應力直接通過電阻應變片及胡克定律求得，該截面鋼筋與混凝土整體所受內力可以通過混凝土應力值乘以作用面積和對應截面鋼筋應力值乘以鋼筋總截面積而得到。把每級荷載作用下計算所得內力與截面位置繪制到平面坐標系中，即為樁身軸力沿樁身長度分布關系曲線，如圖6所示。數據分析證明在逐級荷載下，3根試樁的樁身軸力深度越大軸力越小，成反比例分布，并與樁周圍土層力學性質有關，即土層摩阻力越大，斜率越小，反之越大。

圖6 樁身軸力沿深度的分布曲線

4 結論

試驗結果分析表明，在深厚黃土地區，單樁沉降較為均勻、沉降量較小、具有較高的承載力，如果承擔較大荷載的建筑物優先可以選擇樁基礎比較理想。試樁的Q-S曲線較為平緩，無突變點及斜率變化較大的情形，樁基礎受力較合理；S-lgt曲線平緩規則，無突變情況，說明各個單樁的極限承載力均大于4900kN，且有較大增長空間，比設計的單樁極限承載力大很多，有很大優化設計的空間。

通過試驗說明，3根單樁的樁底承載力為0，說明樁身軸力未傳至樁端，荷載主要由樁側與周圍土體的相互摩擦力來平衡，屬于典型的摩擦樁；樁身軸力的分布與樁基礎的深度有關、與樁周圍土體的受力特性有關、與樁頂施加的荷載大小有關，與深度成反比關系，與荷載大小成正比關系。