关于黄土中灌注桩承载力与负摩阻力的试验分析

我国对于湿陷性黄土地基处理的实践已有几十年，常用方法有灰土垫层法、强夯法和灰土挤密法。上述三种方法在湿陷性黄土地基处理中广泛应用，但处理深度有限，多用于处理厚度小于15m 湿陷性黄土地基; 对于处理厚度大于15m 的湿陷性黄土地基，适用于只需进行局部地基处理的乙类及以下建筑。

　　张家塬风电场位于宁夏南部山区的同心县张家塬镇，属黄土梁峁地貌，黄土厚度大于50m，其中湿陷性黄土厚度约25m，地下水埋深大于80m，黄土地基的湿陷等级为Ⅳ级自重湿陷性场地。

　　张家塬风电场的主体建筑为重要性等级为一级的甲类建筑，且湿陷性黄土地基厚度约为25m，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》要求: 甲类建筑应消除地基的全部湿陷性或采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层，或将基础设置在非湿陷性黄土层上。目前，消除深厚湿陷性黄土湿陷性的常用办法是预浸水处理; 常用的桩基础，主要以灌注桩为主。张家塬风电场地基土属于深厚自重湿陷性黄土———相对于某一建筑类别和常规地基处理方法，如果自重湿陷性黄土厚度大于该地基处理方法所能处理的最大深度，且地基处理的最大深度或剩余湿陷量不满足规范要求的自重湿陷性黄土，称之为深厚自重湿陷性黄土。本工程采用桩基础穿透湿陷性黄土层，场地内共布置了6 根试验桩进行单桩竖向浸水载荷试验，均为干作业人工挖孔混凝土灌注桩，桩径为900mm，桩长为25. 0m，由于篇幅的限制，本文仅对其中2#和28#试桩资料进行试验分析。

　　1 试桩的单桩竖向静载荷试验

　　两根试桩均采用慢速维荷法，加荷级别定为10 级，首级加荷值为800kN，其余为400kN。在每级荷载作用下，桩的沉降量在每小时内小于0. 1mm，则认为已趋稳定，可加下一级荷载，两根试桩的终止荷为4000kN。卸荷级别为加荷级别的两倍，每卸一级观测1 小时，卸到零时观测3 小时。

　　根试桩在荷载作用下桩顶沉降量和桩身沉降量的曲线中分析得出: ( 1) 桩顶荷载在达到破坏荷载前，桩顶沉降主要由桩身压缩量组成，两根试桩在桩顶荷载小于2800kN 时，桩顶沉降和桩身沉降压缩量基本相等; 在极限荷载作用下，2#和28#试桩的桩身压缩量分别占总沉降量的55% 和59% 表现出摩擦型桩的特征。( 2) 卸载回弹量主要由桩身压缩回弹构成，2#试桩和28#试桩的桩身压缩回弹量分别占总回弹量的88% 和95%。( 3) 在桩顶荷载卸载到零时，2#试桩和28#试桩的桩身残余压缩量占最大桩身压缩量的53% 和57%，说明桩身已产生了较大的塑性变形。( 4) 2#和28#试桩的最大沉降量分别为16. 28 和19. 29mm，曲线均出现明显拐点，且在4000kN 荷载作用下，经24h 沉降尚未达到稳定，因此取前一级荷载3600kN 为单桩极限承载力。

　　2 浸水试验

　　2. 1 浸水期间单桩竖向承载力

　　2#试桩和28#试桩在浸水期间的载荷沉降量曲线见图2 和图3。在天然状态下，2#试桩和28#试桩加载至设计荷载3600kN 是的沉降量分别是8. 24mm 和11. 68mm。在浸水期间，桩顶维持设计荷载3600kN，2#试桩和28#试桩的湿陷沉降量为22. 18mm 和20. 68mm。在饱和状态下，两根试桩的最大加载量均为5200kN，最终沉降量2 # 试桩为71. 30mm，28#试桩为75. 85mm。两根试桩加载至5000kN 时，均出现沉降突变，此时2 # 试桩的沉降量为56. 64mm，28 # 试桩的沉降量为61. 16mm。两根试桩在浸水期间竖向极限承载力取曲线明显陡降的起始点所对应的荷载，即4800kN。

　　2. 2 桩顶沉降和桩身弹性压缩变形与荷载关系

　　在天然状态下，两根桩顶荷载加载至3600kN 时，桩顶的沉降量与桩身沉降量基本一致。对两试桩加载至3600kN 时浸水，待土体自重湿陷性变形稳定后，由负摩阻力作用产生的桩顶附加沉降量2#试桩和28#试桩分别为22. 18mm 和20. 68mm，而2#试桩和28#试桩的桩身压缩变形量分别为5. 5mm 和5. 2mm。在土体完全饱和状态下，桩顶继续加载至4800kN 时出现了明显的拐点，而桩身变形呈非线性变化，并未发生破坏。

　　2. 3 浸水后桩身轴力传递与负摩擦力的演变特征

　　2#试桩保持恒载3600kN 在浸水条件下的实测轴力、摩阻力变化曲线见表1 和表2。由表中可以看出随着浸水时间的增长，桩周土体发生湿陷变形，上部土层正摩阻力降低，逐渐向负摩阻力转化，下部土层正摩阻力逐渐发挥。浸水3d 后桩侧产生负摩阻力，形成下拉荷载，负摩阻力在初期增长较快，达到稳定后却很慢。另外，负摩阻力沿桩身的发展是随浸水时间的延续自上而下发生和发展的，在这一过程中，在桩的中性点以上，也是正摩阻力减小和消失的过程。在负摩阻力的作用下，桩身各截面的轴力也经历了先急剧增长，后缓慢增长，最后趋于稳定的过程。最后，浸水10d 后，从土工试验湿陷性看，2#试桩自桩顶9. 5m 以下湿陷已全部消除， 10 ～ 15m 之间剩余湿陷量在0 ～ 80mm 之间，说明在自然渗透10d 的情况下，自然渗透深度为9. 5m，这与桩身轴力最大值所在的桩身位置基本吻合。由此可以看出，2#试桩桩身负摩阻力主要是由于黄土浸水后产生的变形大于桩基在荷载作用下产生的变形而产生的。

　　3 结论

　　( 1) 本文初步提出了“深厚湿陷性黄土”的概念，即相对于某一建筑类别和常规地基处理方法，如果自重湿陷性黄土厚度大于该地基处理方法所能处理的最大深度，且地基处理的最大深度或剩余湿陷量不满足规范要求的自重湿陷性黄土，称之为深厚自重湿陷性黄土。( 2) 桩顶荷载在达到破坏荷载前，桩顶沉降主要由桩身压缩量组成，两根试桩在桩顶荷载小于2800kN 时，桩顶沉降和桩身沉降压缩量基本相等。( 3) 在深厚湿陷性黄土中的桩基，浸水后会产生大量的下沉。( 4)负摩阻力沿桩身的发展是随浸水时间的延续自上而下发生和发展的，在这一过程中，在桩的中性点以上，也是正摩阻力减小和消失的过程。桩身各截面的轴力也经历了先急剧增长，后缓慢增长，最后趋于稳定的过程。( 5) 桩基的实测负摩阻力远高于黄土规范建议的负摩阻力值。( 6) 中性点的位置和黄土的自然渗透深度之间具有相关性。