湿陷性黄土特性对桥梁桩基础的影响

王 勇

(山西省朔州高速公路有限责任公司，山西 朔州 036000)

湿陷性黄土特性对桥梁桩基础的影响

王 勇

(山西省朔州高速公路有限责任公司，山西 朔州 036000)

针对湿陷性黄土的工程特性，分析了其对桩荷载传递规律的影响，并探讨了黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性，总结了黄土地层中桩基设计需注意的问题，提出了消除负摩阻力的技术措施，避免湿陷性黄土给工程造成破坏。

湿陷性黄土，桥梁，桩基，特性

黄土是以粉土颗粒为主的沉积堆积物，颗粒大小介于粘土与细砂之间。黄土中富含碳酸盐，具有目视可见的柱状节理和大孔隙，其天然含水量小，颜色呈黄色或褐黄色(见图1)。黄土具有独特的沉陷性，即受水浸湿后，失去本身的固结性能，黄土结构迅速破坏产生显著的下沉。根据压力的不同，可分为自重湿陷和非自重湿陷。黄土层浸水后，土的自重发生湿陷称之为自重湿陷，而土的自重及附加压力共同作用导致的湿陷称为非自重湿陷。

我国是世界上湿陷性黄土分布较广的地区之一。在我省(山西)，汾河流域和晋东南是湿陷性黄土的主要分布区域，如表1所示。据资料显示，山西省已建高速公路里程的40%均为湿陷性黄土路基。根据我省高速公路建设规划，很多高速公路都通过湿陷性黄土地区，如2012年8月通车的临吉高速(临汾至吉县)、2012年12月通车的忻保高速(忻州至保德)，计划2016年6月通车的长临高速(长治至临汾)等。因此，在桥梁的建设工程中，了解黄土特性，避免黄土的湿陷性给工程造成损失以及破坏是非常重要的。

表1 我省湿陷性黄土的工程性能指标

黄土的湿陷特性，往往是局部和突然发生，且不均匀，对建筑物破坏性大，危害严重，是引起构造物破坏的主要因素。因此，在湿陷性黄土地区进行桥梁建设，对地基进行处理，做好桩基础施工的质量控制，是确保工程质量的关键。

1 湿陷性黄土的工程特性

在黄土地区进行桥梁桩基础施工，从桩基设计的角度看，湿陷性黄土具有以下特点：

1)大孔隙。湿陷性黄土的孔隙比一般在1.0左右，甚至更大。2)土体的承载力受含水率变化的影响显著。湿陷性黄土在天然含水量状态下，承载力一般高于100 kPa，甚至高于200 kPa。而浸水后，承载力小于100 kPa，甚至小于50 kPa，可以看出，浸水后的黄土地基承载力大大降低。3)水对黄土结构的影响很大。不同湿度的黄土，如干黄土、湿黄土与饱和黄土，动力性质具有显著差别。4)振陷与湿陷。当黄土受到振动和水的浸润作用后，导致黄土结构迅速破坏而发生的附加沉陷。5)负摩阻力。湿陷性黄土地基浸水后，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，桩体正摩擦力完全消失，产生负摩阻力会进一步加大桩基沉降(见图2)。

2 黄土的工程特性及对桩荷载传递规律的影响

黄土地区的桥梁桩基，由于受到黄土湿陷性影响，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，桩侧将出现向下作用的负摩阻力。产生的负摩阻力会将桩侧土体的部分重力传递给桩。在此情况下，负摩阻力不仅不能成为桩承载力的一部分，还会成为给桩施加压力的外荷载。在黄土地区进行施工时，产生的负摩阻力会增大桩的外荷载，相对降低桩的承载力，桩基沉降加大。

在湿陷性黄土地区进行桥梁施工时，桩基础浸水后出现沉陷，湿陷过大的沉降会造成负摩阻力的产生，由桩端土体承受负摩阻力。这会使得增大桩的设计长度，增大施工难度，显著降低工程效益。

3 黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性

1)桩浸水前后的承载力对比。工程实践表明，桩浸水前的极限承载力要显著大于浸水后的极限承载力。在荷载相同的情况下，桩浸水前的沉降量要比浸水后的沉降量小很多。实验表明，由于浸水导致的黄土湿陷，会使得其抗剪强度大大降低，从而造成桩的承载力显著降低。

2)桩身轴力及桩端阻力浸水前后发挥的对比。在湿陷性黄土地区施工时，桩周浸水前和浸水后的轴力分布差异较大。大量的工程实践表明，由于桩周土体浸水发生湿陷，导致负摩阻力产生。在荷载作用下，黄土地基未浸水时，桩身轴力随入土深度的增加而减小，大部分荷载由桩侧土体承受，桩端承受的荷载很小。当黄土地基浸水后，由于负摩阻力的存在，正摩阻力消失，桩身轴力随着入土深度的增加而增加，从而导致桩的沉降加大。

3)桩的侧阻力浸水前后发挥的对比。大量的工程实践表明，黄土地基未浸水时，桩的侧阻力均为正摩阻力。随着载荷的增加，桩侧阻力逐渐增大至极限值。黄土地基浸水后，桩的侧阻力部分出现负摩阻力，导致桩的沉降量增大。可以看出，由于负摩阻力的影响，桩浸水前桩侧达到极限摩阻力的土层深度比浸水后的浅很多。

4)桩浸水沉降变形特性对比。桩在浸水后，桩的沉降变形量与桩周土体的浸水特性一致，但桩顶的沉降量比桩周土要小得多。

在工程建设中，黄土地及总湿陷量越大，对桥梁桩基等建筑物的危害越大，相应的设计、施工和处理措施要求也相应地越高。

4 黄土地层中桩基设计需注意的问题

在黄土地层进行桥梁桩基建设时，黄土特有的湿陷特性会造成桩基设计与应用受到很大的限制。在桩设计中，一般通过增加桩长，使桩端位于非湿陷性黄土层上来消除黄土湿陷性的影响。在我国现行公路桥梁规范技术规范中，对在黄土地区进行桩基施工时采用的设计参数存在着不合理的问题，造成桩埋深过大或过小。这些增加了桩的施工难度和工程造价，甚至导致工程隐患。

结合湿陷性黄土的工程特性，对黄土地层中桩基的设计需要注意的问题如下：

1)桩型选择。在湿陷性黄土地区进行桥梁建设，对上部结构荷载大或地基浸水可能性大时，一般采用桩基础。将一定长度的桩穿透湿陷性黄土层，将荷载通过桩端传到非湿陷性土层。即使地基受水浸湿，也可以避免湿陷的危害。按施工方法分，在湿陷性黄土地区可采用的有沉桩、灌注桩、管桩基础、钻埋空心桩及爆扩桩等。

2)负摩阻力。设计中，必须考虑负摩阻力验算桩基的承载力和沉降。在湿陷性黄土地区进行设计时，按照技术规范，对于自重湿陷性黄土场地的单桩承载力，除了不计湿陷性土层范围内的桩周正摩阻力外，还应扣除桩侧的负摩阻力，同时规定桩侧负摩阻力的计算深度，应自桩的承台底面算起，到其下非湿陷性黄土土层顶面为止。

3)针对黄土的湿陷特征，并结合具体工程情况，在设计中采取一些工程措施。如为改善结构物对不均匀沉降的适应性，对地基进行预处理，防水与排水以及采取结构措施等。

4)设计中应特别注意沉降控制。在工程设计中，通过分析计算，做到桩基的沉降和不均匀沉降实现可控。同时还需注意，由于黄土的振陷，承台底面与土之间可能脱空，导致桩在承台底面以下一段范围内发生水平断裂。

5)单桩承载力的确定。在确定单桩竖向承载力时，通常有三种方法，一是将负摩阻力作为负的承载力；二是将负摩阻力作为一种不利因素，以原有的安全储备补偿；三是将负摩阻力作为附加荷载。第三种方法在实际工程中应用较广。

5 消除负摩阻力的技术

在黄土地区，负摩阻力是影响桩基承载力的重要因素。在工程设计中，通常采用以下措施来减少负摩阻力：

1)在桩基外设保护桩(隔离桩)。防止基础外填土或堆载引起的负摩阻力，保护桩承担全部负摩阻力与填土的侧向推力。

2)涂层法。在桩表面涂沥青、树脂、再生橡胶等物，减少负摩阻力。

3)预钻孔法。在插入桩前先钻孔，直径比桩径稍大，深度达到中性点。中性点以下则不用预钻孔，而是打入或者其他常规方法设桩以保持桩的正摩阻力。

4)塑料膜滑动隔离法。用双层筒形塑料薄膜预先置于中性点以上的钻孔内，然后在薄膜内浇筑混凝土。

5)套筒法。在桩外设置与桩身不相连的套筒，由套管来承担负摩阻力。

6)地基浸水法。使地基先浸水,增加孔隙压力,降低桩侧负摩阻力。

7)地基加固法。在钻孔灌注桩施工之前,先对一定范围内的地基实施处治，达到削减负摩阻力的目的。

在工程实践中，应根据实际情况选取合理的处治方法，尽量减少负摩阻力的影响。

[1] 冯忠居.黄土地区桥梁桩基设计与施工相关技术问题[Z].2009.

[2] 王 斌.桩基础在湿陷性黄土的应用和发展[J].甘肃科技，2008(8):15-18.

[3] 魏 纲，齐静静.湿陷性黄土地区单桩负摩阻力计算研究[J].低温建筑技术，2008(1)：55-57.

Impact of collapsible loose characteristics upon bridge pile foundation

WANG Yong

(ShanxiShuozhouHighwayCo.,Ltd,Shuozhou036000,China)

In light of collapsible loose engineering characteristics, the paper analyzes its impact upon pile load transmitting law, explores the mechanical properties of bridge pile foundation before and after soaking in loose region, summarizes pile foundation design matters in loose stratum, and puts forward technological measures of demolishing negative friction, so as to avoid engineering damage owning to collapsible loose.

collapsible loose, bridge, pile foundation, characteristics

1009-6825(2014)34-0172-02

2014-08-29

王 勇(1971- )，男，工程师

U443.1

A