西安黄土地区桥梁桩基侧摩阻力的合理取值

林高原

(云南省公路工程监理咨询公司，昆明 云南 650021)

0 引 言

黄土广泛分布于中国大部分地区，从黄河中游地区，西起贺兰山，东到太行山，北起长城，南到秦岭几乎全部覆盖着黄土[1-2]。分布在陕西地区的部分黄土呈现出自重湿陷性的特征[3]，对工程施工存在一定的危害。因此，在该地区修建桥梁时，需考虑黄土湿陷性对桩基承载力的影响[4]。与建筑地基与基础方面的研究相比，公路行业对黄土地区桩基础承载力方面的规范相对较少。尤其对于摩擦桩，其上部荷载主要由桩侧土体所提供的侧摩阻力承载，而现行《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)将黄土归于粉质黏土来进行侧摩阻力的取值，没有考虑黄土的特殊性[5]。若侧摩阻力值偏大，会直接影响桩基的承载力，造成较大的安全隐患；若取值偏小，则在桩基础设计时会造成不必要的浪费[6]。另外，随着施工机械的不断发展，黄土地区灌注桩的施工方式不再局限于人工挖、冲击钻等，反而逐渐被旋挖钻孔所代替[7]。与其他成孔方式相比，旋挖钻成孔对土体扰动较小，主要靠钻挖钻机对土体的不断切削进行工作[8]，而不同的切削方式对土体力学性质的影响较大[9]，因此不同成孔方式的桩侧土体摩阻力取值也有所不同。不管是在理论分析还是试验分析方面，国内对黄土地区桩基侧摩阻力的研究成果很多。黄雪峰等[10]对大厚度湿陷性黄土中灌注桩承载性状与负摩阻力做了试验研究，得到的实测负摩阻力的值远大于规范值。马天抒等[11]对西安市二环线某立交中2根桩基实施自平衡试验并进行桩端后压浆，研究了压浆前后2根试验桩的承载特性和荷载传递规律，并着重分析了后压浆对桩基承载力的影响。徐亚利等[12]进行了黄土地区大直径超长群桩的室内模型试验研究，得到了群桩的荷载-沉降曲线及承台与各桩的应力分布特点。邱英玉[13]通过兰州地区某项目旋挖钻孔灌注桩的现场静载试验，分析该成孔方式下桩的荷载传递机理，并得到了其承载力高于一般钻孔灌注桩的结论。

目前的研究成果大多仅针对某一地区有限数量的试桩进行定量分析，缺乏对桩侧阻力取值的系统总结。针对以上问题，本文通过西安及其周边地区不同试验场的桩基静载荷试验，对该地区桩基的承载特性尤其是桩侧土体摩阻力的发挥性状进行分析总结，拟为该地区土体侧摩阻力的取值提供一定的参考。

1 试验概况

本文统计试桩共分布在3个不同试验区，分别为西安某铁路高架桥试验区、二环某立交试验区和周边某高速公路试验区，共8根试桩。各试验区基本情况如下。

(1)某铁路高架桥试验区。该试验区主要地层为硬塑粉质黏土、硬塑黏土、可塑粉质黏土、中密中砂，其中典型地层为硬塑粉质黏土、可塑粉质黏土。试验区共设3根试桩(命名为S11～S13)。试桩桩长为26.5 m，桩径为1.0 m。

(2)二环某立交试验区。除上部分布少量杂填土外，该试验区广泛分布黄土，属自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅱ级。试验区共设2根试桩(命名为S21、S22)，桩径均为0.8 m，实际桩长为17.5 m(桩底进入持力层3 m)。考虑到试验场地土体的湿陷性，参照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)相关规定进行静载荷试验，同时对试桩进行了竖向承载力静载荷浸水试验。试验时，桩周土体处于天然湿度下，分别将S22桩分级加载至破坏、S21试桩加载至设计荷载。待桩顶沉降稳定后，保持上部荷载不变并开始浸水，达到最大浸水量后，使桩周土的自重湿陷充分发生，桩体下沉稳定后，再分级加载至极限承载力。

(3)周边某高速公路试验区。根据工程勘察报告，该高速公路全线区段地层主要分布黄土层、古土壤层。试验区共设3根试桩(命名为S31～S33)，桩径选择1.5 m，桩长分别为35、30、25 m。

3个试验区地层统计见表1～3。

表1 某铁路高架桥试验区地层统计

表2 二环某立交试验区地层统计

表3 西安周边某高速公路试验区地层统计

2 试验结果分析

2.1 某铁路高架桥试验区

图1 S11、S12、S13试桩的荷载-沉降曲线

图1为3根试桩的荷载-沉降曲线，3条荷载-沉降曲线均无明显的陡降点。S11试桩在7 000 kN时的累计沉降量为29.349 mm，当加载至8 000 kN时，试桩沉降持续变大，压力无法稳定，此时桩顶沉降约63 mm，判断S11试桩发生破坏。S12、S13试桩试验过程及结果与试桩S1基本相同。观察3根试桩的荷载-沉降曲线，发现在加载至8 000 kN时，曲线均出现了明显的下弯，由此判断S11、S12、S13的极限承载力是7 000 kN。

图2～4分别为不同荷载下3根试桩桩侧阻力分布曲线。3根试桩桩侧阻力均呈单峰状，即在桩顶处桩侧阻力近乎为0，随着桩入土深度的增加而增加，在一定深度时达到峰值，继而桩侧阻力减小。然而，3根试桩桩侧阻力峰值所对应的深度接近桩顶，因此桩侧阻力分布曲线也可近似简化为倒三角形分布。3根试桩桩侧阻力最大值均出现在距桩顶2 m左右，但在极限荷载下，桩侧阻力峰值明显下降，随后趋于稳定，桩侧土体达到极限状态。

图2 试桩S11桩侧阻力分布曲线

图3 试桩S12桩侧阻力分布曲线

图4 试桩S13桩侧阻力分布曲线

图5 S21、S22试桩荷载-沉降曲线

2.2 二环某立交试验区

图5为2根试桩的荷载-沉降曲线。由于该试验区2根试桩尺寸较小，其荷载-沉降曲线呈现典型的“陡降型”规律。在天然状态下，2根试桩的沉降近乎一致。达到设计荷载1 200 kN后，试桩S21开始浸水，而试桩S22继续加载，此时，在相同上部荷载下，2根试桩显示出明显的差别。浸水过程维持荷载1 200 kN不变，试桩S21的桩顶沉降急剧增加后趋于稳定，可见桩周黄土发生了湿陷。在上部荷载达到3 300 kN时，试桩S21桩顶沉降量达到23.25 mm，继续增加荷载至3 600 kN，累计沉降量陡增至91.50 mm，试桩S21达到极限荷载而破坏。处于天然状态下的试桩S22桩顶沉降量平缓增加，在上部荷载为3 500 kN时，桩顶沉降量仅为2.998 mm，而在下一级荷载时，桩顶沉降量陡然增加，累计达到65.310 mm，试桩破坏。因此，2根试桩极限承载力分别为3 300 kN和3 500 kN。

图6、7分别为试桩S21、试桩S22桩侧阻力分布曲线。试桩S21桩侧阻力沿桩身向下呈波动状递增，在桩深15.7 m左右达到峰值后锐减。在上部荷载达到1 200 kN后浸水的过程中，桩周土体出现了负摩阻力的现象，但负摩阻力较小，最大值仅为-10.2 kN，且随着桩深增大逐渐消失。与试桩S21相比，试桩S22桩侧阻力分布曲线相对“凌乱”，整体在桩深5.2～9.7 m处较大，在17.2 m处达到峰值。图8为典型荷载下2个试桩的桩侧阻力曲线。当上部荷载相同或相近时，2根试桩侧摩阻力分布曲线差别较大，印证了黄土湿陷性对桩侧阻力的影响。

图6 试桩S21桩侧阻力分布曲线

图7 试桩S22桩侧阻力分布曲线

图8 两试桩桩侧阻力对比

2.3 西安周边某高速公路试验区

图9是S31、S32、S33三根试桩的荷载-沉降曲线。由图可以清晰辨别出3根试桩极限承载力分别为12 600、10 800、10 500 kN，对应桩顶沉降分别为5.125、12.824、12.99 mm。浸水导致试桩极限承载力下降并伴随桩顶沉降量增加，其原因可能是桩周黄土结构被破坏，从而导致土体抗剪强度降低，或黄土饱和后压缩模量降低，致使发挥相同侧摩阻力时需要更大的桩土相对位移[14]。

图9 S31、S32、S33试桩荷载-沉降曲线

图10 试桩S31桩侧阻力分布曲线

图11 试桩S32桩侧阻力分布曲线

图12 试桩S33桩侧阻力分布曲线

图10～12为3根试桩在2种状态下的桩侧阻力分布曲线，各试桩的桩侧阻力分布曲线均呈抛物线型。随着上部荷载的增加，3根试桩侧摩阻力峰值出现位置均有所提高。在最大加载量时，3根试桩所对应的峰值位置分别从桩深19.2、19.1、14.8 m处提高至桩深14.3、14.2、10.6 m处。可见，桩侧土体更早地达到了极限状态。

3 黄土地区钻孔灌注桩桩侧阻力的合理取值

3.1 极限荷载下各试桩桩侧阻力的发挥

二环某立交试验区中试桩S21所测数据为浸水状态下极限侧摩阻力，因此其值小于试桩S2。通过表4～6(表中孔隙比仅罗列黄土及黄土性质的土)和图13的对比分析可明显看出，3个试验区共8根试桩桩周土体侧摩阻力的发挥均远高于规范值。

表4 某铁路高架桥试验区各试桩极限侧摩阻力值

表5 二环某立交试验区各试桩极限侧摩阻力值

表6 西安周边某高速公路试验区各试桩极限侧摩阻力值

图13 极限荷载下各试桩桩侧阻力分布

(1)某铁路高架桥试验区。该试验区土质较为均匀，大部分为粉质黏土，所夹中砂层厚度较小，因此极限荷载下桩侧阻力趋于定值，认为桩周土体侧阻力的发挥达到极限值[15]。极限荷载下，各土层桩侧阻力实测值均达到80 kPa以上，相较于规范值给出的45 kPa和55 kPa，提高了一倍左右。从试验结果看出，中密和密实黄土天然状态下桩侧极限摩阻力标准值达到80 kPa。

(2)二环某立交试验区。该试验区桩周土体上部为杂填土和素填土，极限摩阻力值较低，下部为黄土、古土壤等，极限摩阻力相对较高，因此试桩侧摩阻力分布曲线呈抛物线型，且峰值接近桩端。极限荷载作用下，试桩S21由于浸水作用，其侧摩阻力实测值较试桩S22偏小。沿桩身向下，水对桩周土体力学性质的影响逐渐减弱，因此最下层古土壤层2根试桩桩侧阻力实测值接近。试验区土体自上而下分别为稍密和中密，极限荷载下，各土层侧摩阻力实测值均与规范值相差过大，分别较规范值提高了79.29%、75.64%、24.49%。试桩S22下部黄土侧摩阻力值相对较小，可能是由于上部荷载在传递到下部的过程中已大部分转移到桩周土体中而导致下部桩土相对位移较小[16]。从试验结果可以看出，稍密和中密黄土天然状态下桩侧极限摩阻力标准值分别达到80 kPa和95 kPa。

(3)周边某高速公路试验区。该试验区土层为黄土和古土壤互层，由于试验区3根试桩桩长不同，分别为35、30、25 m，因此各试桩同土层极限侧摩阻力略有差异。极限荷载下，试桩S31、S32桩周土体侧摩阻力均由上至下先增大后减小，而试桩S33各层土侧摩阻力值相差较小。试验区土层自上而下分为中密和密实2种，试桩S31下部密实土层侧摩阻力值相对较小，第4层老黄土实测值仅为50.12 kPa，第5层古土壤仅为31.2 kPa。其原因可能是：由于桩身较长，桩端部分桩土相对位移量较小，从而导致土体侧摩阻力未发挥完全[17]。因此，认为未能取得该土层极限摩阻力值。除此之外，3根试桩其余桩周土体侧摩阻力实测值均高于规范值。从试验结果可以看出，中密黄土的桩侧极限摩阻力标准值达到90 kPa。

3.2 黄土地区桥梁钻孔灌注桩桩侧阻力合理取值

现行《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)将塑限Ip介于10～17之间的土归为粉质黏土，3个试验区土体塑性指数均在此范围内，属于典型的粉质黏土。对粉质黏土侧摩阻力的取值，主要取决于其密实度。规范规定，当孔隙比e<0.75时，粉质黏土密实度为密实；当0.75≤e≤0.9时，粉质黏土密实度为中密；当孔隙比e>0.9时，粉质黏土密实度为稍密。中密粉质黏土极限侧摩阻力标准值为30～50 kPa，密实粉质黏土极限侧摩阻力标准值为55～80 kPa。

单桩的破坏形式有多种，机理复杂。在极限荷载作用下，并非桩周各层土体均能达到极限状态。尤其对于现在公路桥梁中应用较多的大直径桩、长桩或超长桩，桩周土体侧摩阻力的发挥受较多因素影响，桩身下部土体侧摩阻力可能由于桩土相对位移的减小而无法完全发挥[18]。

综合对比表4～6，极限荷载作用下3个试验区黄土(天然状态下)极限侧摩阻力均达到85 kPa左右，最小值为西安周边某高速公路试验区试桩S33的80.42 kPa，最大值为二环某立交试验区试桩S32的96.60 kPa，可粗略地认定陕西黄土地层钻孔灌注桩侧摩阻力不低于80 kPa。

通过某铁路高架桥、二环某立交和西安周边某高速公路3个试验区共8根试桩的静载荷试验，对其极限荷载下桩侧阻力进行总结，并与现行规范值进行对比，结果见表7。

表7 粉质黏土划分及极限侧摩阻力标准值

试验所得密实粉质黏土的极限侧摩阻力标准值较小。密实粉质黏土层位于西安周边某高速公路某试验区，距桩顶深度30 m以下，液性指数较小，土体呈可塑状态，接近坚硬。其极限侧摩阻力标准值较小可能是由于上部荷载传递到桩身下部时，上部土层侧摩阻力几乎完全发挥，承担了大部分的荷载，加之桩周土体为老黄土和古土壤层，液性指数仅为0.03和0.08，属于较为坚硬的土体，导致桩身压缩量和桩土相对位移均较小，因此该部分土层的侧摩阻力无法完全发挥[19]。极限侧摩阻力标准值取值可以参考中密和稍密粉质黏土。

4 结 语

(1)某铁路高架桥试验区3根试桩S11、S12和S13试验所得极限承载力均为7 000 kN，极限荷载下桩顶沉降分别为25.786、30.982、28.510 mm。3根试桩桩侧阻力分布规律相似，均呈近似倒三角分布，在极限荷载下，桩侧阻力趋于一个定值，即85 kPa左右。

(2)二环某立交试验区2根试桩极限承载力分别为3 300 kN和3 500 kN，对应桩顶沉降分别为23.250 mm和2.998 mm。2根试桩侧摩阻力分布规律大致相似，试桩S21由于浸水，其侧摩阻力值明显小于试桩S22。极限荷载作用下，试桩S21桩侧阻力最大值为317.27 kN，试桩S22桩侧阻力最大值为575.49 kN。该地区黄土地层湿陷性对桩侧阻力和单桩极限承载力的影响较小，可忽略不计。

(3)西安周边某高速公路试验区3根试桩S31、S32和S33的极限承载力分别为12 600、10 800、9 000 kN，对应的桩顶沉降量分别为9.078、5.206、12.99 mm。3根试桩桩侧摩阻力呈抛物线型分布。

(4)通过试桩的现场静载试验，给出基于试验的黄土地层桩侧摩阻力标准值的建议取值范围，即当黄土密实度为稍密(e>0.9)时，桩侧摩阻力标准值的建议取值范围为60～80 kPa；当黄土密实度为中密(0.75≤e≤0.9)时，桩侧摩阻力标准值的建议取值范围为70～95 kPa；当黄土密实度为密实(e<0.75)时，桩侧摩阻力标准值的建议取值范围为85～110 kPa。