膨脹土中樁體軸力分布規律試驗研究

摘要 鑒于膨脹土特殊的工程性質，膨脹土中樁基礎的受力情況也隨著土體含水率的變化而變得更加復雜。該研究預先將一定數量的鋼筋應力計和壓力傳感器分別安置在試驗樁體鋼筋籠的兩側和底部，預先估計樁體的承載力，然后進行靜載荷試驗，將估計的樁體破壞荷載平均分為八級，逐級加壓，待每級荷載作用下樁體穩定后，再讀取鋼筋應力計的讀數，樁體軸力通過公式計算出來，并找到其分布規律。

關鍵詞 膨脹土；樁體軸力；分布規律；試驗研究

中圖分類號 U416.167 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）06-0102-03

0 引言

我國20余個省份均有膨脹土的分布，河北境內的膨脹土分布區域主要為邯鄲－邢臺－石家莊沿太行山脈地帶，呈現出明顯的區域性[1]。土體中雜亂分布的裂隙，對建筑物尤其對地基、基坑及邊坡等都有嚴重的破壞作用，特別是所產生的變形破壞作用往往具有長期潛在的危險性。通常在干燥狀態下，膨脹土質地堅硬，其強度跟軟巖的強度相當，其不良工程性質不容易被人們覺察，全球每年因此遭受的經濟損失高達150億美元之多，而受災最嚴重的國家中，中國也位列其中。

為了減小膨脹土對建筑物的不良影響，在建設大型、重要的構造物時，通常會考慮采用樁基礎進行基礎設計。通常情況下，只有樁基礎在樁體產生足夠大的位移量時，樁端阻力才能發揮作用，所以，如果樁基礎位移較小時，樁基礎的軸向力是由樁側摩阻力來提供的[2]。樁側摩阻力的大小主要和樁周圍土體與樁之間的摩擦力以及土體與樁身接觸面之間所產生的正應力的大小有關系。膨脹土遇水膨脹產生膨脹力，作用到樁基礎上就體現在對樁基礎會產生上舉力，而失水收縮后膨脹力消失，此時又會產生下拉力（負摩阻力）。從以上分析可以看出，使樁基礎在膨脹土中的樁—土作用要比在一般土中復雜得多，樁體軸力的變化也相應地變得復雜，因此，有必要對樁體軸力在膨脹土中的分布規律進行研究。

1 試驗工程概況

該試驗工程位于南水北調中線邯鄲段，是典型的膨脹土的分布地區，根據地質勘查報告中鉆孔取樣結果可見，試驗樁所處區域膨脹土分層明顯，每層土體厚度不一，土體顏色呈灰綠色與紅褐色。該次試驗共設兩根長9 m、直徑0.6 m的試驗樁，樁間距10 m，南北方向排列。經樁側鉆芯取樣，樁體從上到下貫穿了2 m厚的灰綠色土層、2 m厚的紅褐色土層和5 m厚的灰綠色土層共計3個土層，沒有地下水存在。

2 物理力學性質試驗

膨脹土基本物理力學性質試驗所用的土樣取自2根試驗樁旁邊1 m處，自上而下鉆孔垂直各取出14個土樣，取樣間距為70 cm。為保證土樣的原始含水率不變，取出的土樣立即用事先準備好的鐵皮筒進行密封并編號記錄。膨脹土室內基本物理性質指標的測定試驗操作過程嚴格按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123—2019）[3]和《公路土工試驗規程》（JTG3430—2020）[4]的規定進行，對采集到的土樣進行密度、含水率、自由膨脹率和無荷膨脹率，以及液、塑性指數等物理力學性質指標的測定，試驗結果詳見表1。

3 室外靜載荷試驗

3.1 試驗準備

3.1.1 應力元件安裝

該次試驗用到的應力元件有鋼筋應力計和土壓力傳感器。首先將安裝鋼筋應力計的兩根鋼筋按圖1所示尺寸分段截開，然后將每段鋼筋跟鋼筋應力進行焊接相連作為鋼筋籠的兩根主筋使用，最后將其作為兩根主筋焊接到鋼筋籠上即可。每根樁樁底安裝的4個土壓力傳感器的位置如圖1中（1-1斷面）所示，先在鋼筋籠底部規定位置焊接傳感器的環形鋼板托架，再把壓力傳感器固定在托架上，最后把鋼筋應力計和土壓力傳感器的信號電纜線沿鋼筋籠內側理順并綁扎成束以免下沉鋼筋籠時信號線受損。鋼筋應力計和土壓力傳感器安裝示意圖見圖1。

3.1.2 成孔

成孔機械選用沖擊鉆機，在空曠平整的場地上鉆孔，孔徑0.6 m，孔深9.3 m，共施工2根試樁孔，間距10 m，2根試驗樁呈南北縱向分布。鉆孔深度達到9.3 m后把孔底的虛土清理干凈。

3.1.3 吊放鋼筋籠

用吊車將事先按要求制作好的帶有應力元件的鋼筋籠垂直緩慢吊裝放入孔中，對中樁心，防止偏斜。鋼筋籠吊裝過程中不能刮擦孔壁，否則成樁質量甚至應力元件將會遭到破壞。

3.1.4 吊裝導管

為保證成樁質量，使樁體密實，防止混凝土離析，該試驗采用導管澆筑混凝土。首先將導管下沉至距鉆孔底部50～80 cm處，在孔口將導管固定，放置管塞，為灌注混凝土做好準備。

3.1.5 灌注混凝土

灌注混凝土時，應始終控制導管埋入混凝土面以下，一邊灌注混凝土一邊向上提導管，同時還要防止鋼筋籠上浮。灌注完成后，用土覆蓋樁頂進行自然養護。此時，孔內總樁長為9.3 m，其中有效樁長為9.0 m，浮漿段0.3 m（測試前鑿除）。

3.1.6 讀應力元件初讀數

在試驗樁灌注結束后24 h之內，對預埋的應力元件進行初讀數并記錄。

3.1.7 清除樁頭

試驗樁樁體混凝土養生至強度達到設計值后，將樁頂30 cm的浮漿段鑿除并打磨平整。

3.2 靜載荷試驗及應力測試

單樁靜荷載試驗嚴格按照《公路工程基樁檢測技術規程》（JTG/T3512—2020）[5]進行操作，采用慢速維持荷載方法，將事先預估的最大試驗荷載360T，等分為9個等級，每級40T，首次直接加載2級（80T），以后每次都增加1級荷載。每級荷載施加以后，在每級荷載加載后的第5 min、15 min、30 min、45 min和60 min都要進行鋼筋應力計和土壓力傳感器的讀取，1 h后每隔0.5 h讀一次讀數，直至樁體穩定。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 靜載荷試驗數據分析

2根試驗樁靜載荷試驗得到的數據見表2～3。

通過單樁靜載荷試驗得到的數據，綜合分析Q-S、S-logQ、logQ-logS三種曲線，確定了兩根試驗樁的極限承載力為2 800 kN。

3.3.2 樁身軸力試驗數據分析

1號、2號試驗樁鋼筋應力計參數值及軸力計算值分別見表4～5。1號、2號試驗樁的樁身軸力分布曲線圖詳見圖2～3。

通過對現場2根試驗樁進行靜載試驗及應力測試，分析試驗數據得出如下結論：

（1）膨脹土中1、2號兩根試驗樁極限承重為2 800 kN，不同荷載作用下兩根試驗樁的軸力在樁基礎的埋深方向上的變化趨勢相同。

（2）樁頂所受豎向荷載增大，深度增大，樁深不同截面軸力減小，兩樁軸力隨樁深不同截面變化趨勢相同。

（3）同一根試驗樁從上往下貫穿了三個不同的土層，不同土層的膨脹程度不一樣，樁體經過的土層不同，作用到樁體的側摩擦阻力也就不相同，使得樁體不同位置的軸力隨深度的增加而減小的程度并不完全相同，從而造成了不同程度的軸力衰減。

（4）當荷載較小時，荷載主要由樁側摩阻力承擔，傳至樁端的荷載很小，而隨著荷載等級的加大，傳至樁端土上的荷載及其所占加載比例均呈增長趨勢。

4 結語

鑒于膨脹土特殊的工程性質，膨脹土中樁基礎的受力情況也隨著土體含水率的變化而變得更加復雜。本研究對河北邯鄲地區典型的膨脹土進行了室內物理力學性質試驗和現場的靜載荷試驗，得出了膨脹土中樁體軸力的分布規律。

參考文獻

[1]范臻輝. 膨脹土地基脹縮特性及樁—土相互作用研究[D]. 長沙：中南大學， 2007.

[2]岳宏智. 橋梁樁基礎豎向承載力研究[D]. 濟南：山東大學， 2009.

[3]土工試驗方法標準： GB/T50123—2019[S]. 北京：中華人民共和國城鄉建設部， 2019.

[4]公路土工試驗規程： JTG3430—2020[S]. 北京：中華人民共和國交通運輸部， 2020.

[5]公路工程基樁檢測技術規程： JTG/T3512—2020[S]. 北京：中華人民共和國交通運輸部， 2020.