黄土的湿陷性对桥梁桩基础承载力及沉降的影响

张 多 平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

郑州至西安客运专线全长458.8 km[1]，陕西境内线路穿越渭河冲积平原,南倚秦岭,北临渭河,沿线80%区段分布湿陷性黄土，湿陷性黄土孔隙比高，压缩性大，湿陷后不仅桩侧摩阻力会显著降低，更会急剧加大路基、桥梁和隧道工程的沉降，这是湿陷性黄土区修建高速铁路需要解决的最大技术难题。黄土计算参数的合理选取不仅能够保证结构的安全，而且能够有效降低投资；之前研究湿陷性黄土的侧重点是承载力，对黄土湿陷后桩基础的附加变形关注较少，无碴轨道高速铁路沉降控制是线下工程的核心技术，也是修建高速铁路成败的关键[2,3]。2005年8月，项目单位在3个不同地貌单元进行了湿陷性黄土的桩基载荷试验。其中潼关县高桥乡(郑西铁路里程DK346+950)湿陷性黄土覆盖层厚，湿陷严重，下文仅就该处试验情况及试验成果对设计的指导情况做一简单介绍。

1 试验点地层地质情况

2 试验内容及过程

2.1 试验装备及安装

两根试验桩桩径80 cm，其中1号桩长60 m，2号桩长50 m；8根锚桩。浸水试验坑短轴长42 m，长轴长48 m，为加快湿陷，试坑内设置多个渗水孔，孔内填砂卵石，整个试坑内铺设10 cm～15 cm厚的砂卵石，见图1。采用滑动测微计探测桩身应变、计算轴力。每根试桩通过反力梁对应4根锚桩。

2.2 试验内容及过程

对试桩1、桩2在浸水前加压至设计工作荷载(1号、2号试桩的工作荷载为3 000 kN和2 000 kN)，变形稳定后，向试坑内浸水，至全部湿陷性土层达到饱和(其间桩顶荷载不变)、桩顶下沉稳定后，继续分级竖向加载至极限状态。

3 试验主要成果

3.1 试验结果的修正

第一，桩身断面修正：由于工程试桩桩径随深度而变化，由此导致桩身各测段实测应变值具有变异性，因此将其归一化到桩身设计直径80 cm；其次，承载能力换算到工程实际桩径125 cm方便比较。

第二，桩身弹性模量修正：混凝土的应力—应变关系在超过一定的应力水平后呈现出非线性特性，其弹性模量将随应变或轴力的增加而降低。本次试验各桩混凝土弹性模量根据桩顶实测应力应变求算。

第三，应变曲线拟合：试桩回归应变—桩深关系曲线采用约束样条拟合方法进行磨光处理，目的是消除局部量测误差引起的离散点。

3.2 浸水湿陷引起桩的附加变形

1号、2号试桩加载变形稳定后，尽管外载不变，但由于土壤的浸水湿陷，桩顶仍将发生较大的附加变形，见图2。1号、2号桩外载变形仅为2.61 mm和1.76 mm，但由于土壤的浸水湿陷引起的附加变形达到11.69 mm和11.08 mm。

3.3 桩基负摩阻力的大小及出现规律

1号、2号:1月3号开始浸水，50 d后桩周土饱和，共计浸水49 704 m3。1号、2号桩维持桩顶荷载3 000 kN,2 000 kN不变，不同时期桩身各测段截面修正(桩径仍为80 cm)后的应变值见图3。

根据桩身应力应变关系，桩侧阻力沿桩身分布曲线见图4。由图4看出：

1)随浸水周期的延长，桩侧摩阻力的中性点位置逐渐下移，下移速率逐渐降低，最终稳定在17 m～18 m间。

2)负摩阻峰值位置相对固定，约在7 m处，最大值22.0 kPa～36.5 kPa间。

3.4 单桩竖向极限承载力

如图5所示，1号桩加载到10 200 kN时，桩的沉降量已超过前一级荷载作用下沉降量的5倍，桩顶总沉降量超过40 mm；2号桩试验加载到8 000 kN时，桩的沉降量已是前一级荷载作用下沉降量的11倍，桩顶总沉降量达到38.2 mm，且24 h未达到稳定。

说明桩顶荷载达到10 200 kN和8 000 kN时，1号和2号试验桩已达到破坏状态，取其前一级荷载9 600 kN和7 500 kN作为1号桩和2号桩的单桩极限承载力。换算到同场地条件下125 cm桩60 m及50 m的极限承载力为13 900 kN和10 100 kN。

4 设计原则及理论计算

4.1 湿陷性黄土负摩阻力的取值原则

试验结果表明，黄土湿陷后，桩侧摩阻力的中性点在桩顶下17 m～18 m之间，由此可以认为，黄土湿陷的影响范围一般在地表下20 m范围内；同时，根据图3，3月15日的黄土湿陷发生最充分，负摩阻力的平均值接近15 kPa，与GB 50025—2004湿陷性黄土地区建筑规范取值15 kPa[4]基本吻合。

4.2 桩基承载能力计算

根据湿陷性黄土负摩阻力的取值原则，结合《铁路桥涵地基和基础设计规范》，针对试验场地地质资料，黄土湿陷后，125 cm桩桩长60 m及50 m时的设计承载能力分别为4 582 kN和3 207 kN。

4.3 总沉降计算

郑西线桩基础的沉降计算采用在工程实践中普遍应用的等效作用分层总和法[5]。按单桩理论计算沉降，桩底面以上桩间土及桩基本体的压缩所引起的沉降量很小，一般情况下，可以通过计算桩底土层的压缩来控制桩基础的沉降设计。考虑负摩阻力，1号、2号桩桩顶外荷载分别是3 000 kN和2 000 kN时，计算总沉降分别为10 mm和8 mm。

5 结语

1)等效作用分层总和法计算桩基础的沉降偏于保守，采用这种计算办法是安全的，但湿陷性黄土浸水饱和后的附加变形比较大，需额外重视由此引起的沉降造成铁路工程的不良后果。

2)从试验过程可以看出，桩基湿陷后的附加变形远大于外载变形，但桩基的湿陷过程是一个缓慢的过程，所以，加强墩台的防排水设计是避免黄土湿陷、节省投资的有效途径。

3)相对于天然状态，湿陷性黄土浸水后的单桩极限承载力有显著降低，但从黄土发生湿陷的条件看，湿陷一般在地面下一定范围内较易发生，所以，桩侧负摩阻力的取值范围不宜根据湿陷性黄土的厚度来确定，但可以根据工程发生浸水的时效性选取湿陷厚度。