黄土地区桩基承载力特性试验研究

王进玺，杨永东，张斌伟，杨 阳，翟 楠

(1.陇东学院 土木工程学院,甘肃 庆阳 745000；2.甘肃省高校黄土工程性质及工程应用省级重点实验室，甘肃 庆阳 745000)

黄土是第四纪时期形成的陆相土状堆积物，颜色为灰黄、棕黄或棕红，孔隙度大，具有垂直节理和管状孔道。黄土结构强度在天然含水量下较高，能维持很高的垂直边坡，但黄土富含碳酸盐，抗蚀性弱，新生黄土具有湿陷性，易受流水侵蚀，土体遇水崩塌滑陷[1]。黄土在世界上分布十分广泛，覆盖着全球大陆面积的2.5%以上，在温带半干旱及沙漠前缘地带自东向西呈带状分布。黄土地貌主要包括黄土沟间地、黄土沟谷和独特的黄土潜蚀地貌，具体可划分为黄土塬、梁、峁、河谷阶地、冲积或洪积平原等类型[2]。我国黄土面主要分布在西北地区及黄河中游一带，主要分布在陕西、甘肃、河南、山西等地,面积约为64万平方公里，分布区典型，分布面积广、厚度大，发育全面连续，是世界上黄土分布最广泛的地区。我国西北特别是甘肃东部庆阳地区黄土地层最厚，结构完整，分布连续。

近年来，高层建筑、高速公路及高速铁路等大型工程项目如银西高铁等随着西部大开发的持续推进及西部地区城市建设的发展在陇东地区不断落地，桩基础因其承载力高，沉降小等优良性能而被广泛采用，然而不同土质及其与桩相互作用后表现出的承载特性和沉降特点也有很大的差异。考虑到实际工程基础附近土体抗力和承台底部摩擦力已经可以在很大程度上抵抗上部结构传递的水平荷载[3]，桩基础承载力的着重点应当放在竖向荷载问题上。国外在桩基研究中，对于承受竖向荷载的单桩和群桩的一些理论和数值计算方法已经较为完善，如1999年Guo和Randolph采用的有限元法[4]，2013年Salgado等采用的变分法迭代法[5]等；华遵孟等[6]在该地区进行桩基设计时，取值时大都采用现行桩基规范推荐的参数，如对单桩承载力特征值和各层黄土的侧摩阻力都是参考规程[7]中静力触探测试初步取值。与实际工程情况不符，设计中采取规范取值，一般会取安全系数，偏于保守，很可能造成较大浪费。根据现行规范[8]要求对甲级建筑桩基和场地条件较复杂的乙级建筑桩基，单桩竖向极限承载力均应通过单桩静载试验确定。为此，准确确定该黄土地区桩基竖向承载力性能是现阶段急需解决的问题。对于桩基而言，张雁等认为，在一般情况下桩侧摩阻力沿桩身的分布无负摩阻力[9-11]。目前对于庆阳地区黄土层上桩基性能的研究还没有形成系统的理论方法，研究成果非常匮乏。鉴于此，通过现场试验对桩的桩身沉降及竖向承载性能进行详细的研究，对工程建设及维修养护可以提供理论依据。

1 桩基承载力原位试验

1.1 工程概况

为了判断采用桩基础的基础形式能否为上部结构提供足够反力，并确定该地区单桩竖向承载力性能，现场试验依托庆阳市华池县第一中学(新建)工程展开，试验场地为Ⅱ类，无液化土层，勘察深度范围内无地下水。该建筑物属于丙类建筑，地基土属于自重湿陷性黄土，湿陷程度中等，湿陷等级为Ⅱ级，对钢筋混凝土结构中的钢筋和混凝土材料都具有微腐蚀性，标准冻土最大冻深820mm。在控制深度内进行地质勘探，土层组成自上而下分别为:

(1)杂填土：稍湿，松散，杂色。

(2)湿陷性黄土状粉土：稍湿，黄褐色，硬塑，稍密，具有遇水湿陷性主要为粉土。

(3)角砾：杂色、较均匀，稍密—中密，稍湿。

(4)粉砂质泥岩：紫红色—棕红色，块状，砂质结构，稍湿。

(5)泥质粉砂岩：灰白—深灰，块状，本层为桩端持力层。

其力学特性如表1所示。

表1 地层分层统计表

1.2 试验方案

选取教学楼地下室场地3根试验桩，试桩采用C30标号混凝土灌注成桩，桩身采用钢筋笼配筋，50mm厚混凝土保护层，防止锈蚀。桩直径采用800mm，桩长11m，扩底直径1600mm，桩端地基为中风化—微风化的泥质粉砂岩，其承载力特征值为2450kN。桩体施工时一次成桩，未留施工缝，检测结果桩身完整均为I类桩。挖孔过程为防止雨水和地表水流入桩孔内，基础施工之前先对场地杂填土进行碾压，至压实系数不小于94%，场地碾压后的天然地坪低于桩顶标高的位置采用素土回填至桩顶标高以上600mm，回填土分成每填1m厚夯实一次，压实系数不小于94%，然后定位打桩。基础至建筑面层中间部分采用素土回填，分层夯实，当回填至距离建筑面层1.2m时，采用2∶8灰土回填至建筑面层标高，分层回填，分层夯实。

2 试验操作要求

2.1 静载平板试验

本次试验采用堆载法，堆载法操作简单，费用较低，但是需要场地较大。桁架结构、主梁、工字等组成堆载平台，平台上堆放袋装沙土或混凝土块等材料进行加载，如图1所示，为混凝土块。用油压千斤顶设备进行加载，压力表读取堆载压力值，压力表在试验前需要进行标定，以减少读数误差，提高数据的准确性和可靠性。百分表观测位移即沉降，百分表的灵敏度要求较高。在试验过程中，桩顶沉降Q-S等曲线由静载试验仪自动绘出，减少工作量，桩端的沉降由桩端处焊接的钢丝绳引到桩头较易测量的位置，量测钢丝绳下降距离，钢丝绳变形较小，满足试验要求。静力加载时每级荷载达到相对稳定之后持荷载2～3min再接着施加下一级荷载，这种加载方法叫作慢速持荷加载法，分级加载直至桩身破坏，主要是压应力达到极限而产生的强度破坏，卸荷也要分级。具体方法及步骤如下：

图1 加载反力系统

(1)静力施加荷载：首级荷载必须为分级荷载的2倍加载，分级加载值为预估极限荷载值的1/10～1/15，总加载级数10～15次。

(2)沉降观测需要等到沉降值相对稳定后进行，每级加载结束后，连续每小时内出现两次沉降量小于0.1mm时即为达到相对稳定，沉降观测时每一级荷载施加后5min、10min、15min进行读数一次，随着沉降量不断减小，趋于稳定，之后每隔15min读数一次，累计读数1h后每半小时读数一次，并详细记录数据。

(3)当Q-S曲线上出现承载力陡降，桩基总沉降量大于40mm；某一级荷载下沉降量大于或等于前一级荷载的2倍，24h后仍然未达到稳定；桩体、桩顶破坏或达到设计限定的极限值后即终止加载。

2.2 桩身轴力试验

在桩身周围布置应变计测实验过程中桩身混凝土及主筋应力的变化情况。为了便于连接应变片的导线引出，且使导线在压桩时不被破坏，在桩顶侧面钻3个圆孔。沿桩身间隔1m贴一个应变片，每列共12个，在同一高度贴3个，共计36个。如图2所示，每根试桩在轴向对称位置沿竖向焊接应变计于试桩纵主筋上，桩身应力传器沿着桩长度方向每间隔2m布置一道，每层布置沿周长平均分布4个传感器。数据采集利用电脑软件自动记录与测试同步数据，不需要人工读书，这样可以节约资源，同时也能更清楚地检测桩身各位置在荷载作用下内力的变化情况，为后续进一步分析受力特性奠定基础。

图2 应变计布置图

试验准备阶段对每一个应变片通过测量电阻进行精度标定。先用抛光机将桩身混凝土表面贴应变片部位打磨光滑，必要时清洗干净，再确定编号。贴应变是整个实验环节的关键点，先用无水乙醇清除表面，是表面平整干净无杂物，再用丙酮擦拭，用502胶将应变片粘贴在桩身内壁，确保应变片与桩身接触紧密，最后用端子把引出线与应变片焊接在一起，为保证应变片绝缘和防潮表面涂703胶。应变片粘贴完毕后，测量每一个的电阻值来检测应变片是否接通，最后桩顶侧面开孔引出导线。

3 结果分析

3.1 单桩试验的荷载-沉降

单桩竖向承载力试验结果的Q-S曲线和S-lgt曲线如图3～5。通过试验针对试桩进行单个桩基础竖向承载力特性试验，试验表明，所有试桩基底压力较小，趋近于零，均呈现出典型的摩擦桩特性，主要由桩土相互作用的摩擦力来承担荷载，同时Q-S曲线均表现为斜率较小，无明显陡降或突变区段。在竖向静力加载至4900kN时，试桩均完好无损，在强度范围之内，没有出现因强度达到极限而产生的破坏，试装的桩身沉降量最终测定结构分别为12.24mm、15.44mm和18.64mm。

图3 1#试桩的Q-s曲线和S-lgt曲线

试验试桩设计的最大加载荷载为2400kN，现场试验具体加载情况为最大加至4900kN时桩基础没有破坏，仍然处在受力正常状态，说明设计时考虑的安全系数较大，综合考虑分析后没有继续加载较大荷载，有很大的优化设计空间。所有试桩的Q-S曲线变化趋势基本一致，由于没有破坏还有持续变化的趋势，可据此判断单个桩基础的竖向极限抗压承载力应大于4900kN，且有较大安全储备。单桩竖向承载力特征值可以将单桩竖向极限承载力约4900kN除以安全系数2，得到单桩竖向抗压承载力特征值为2450kN，大于设计值2400kN。通过试验结果数值与设计要求数值进行比较，可以得知单桩承载力完全满足设计要求，说明采用桩基础的基础形式能够为上部结构传递的荷载提供足够反力。通过对比分析，试验过程没有桩基础破坏现象，可以推断试桩承载力并未达到极限，还有一定安全储备空间，对材料的使用有浪费的现象，有优化设计，提高经济效益的空间。

图4 2#试桩的Q-s曲线和S-lgt曲线

图5 3#试桩的Q-s曲线和S-lgt曲线

3.2 试验桩轴力分析

由于试桩过程中无损坏现象，材料满足胡克定律，如果测得对应钢丝绳深度下钢筋的应变，可以通过应力应变关系算出桩身该处截面的拉压正应力，钢筋的正应力直接通过电阻应变片及胡克定律求得，该截面钢筋与混凝土整体所受内力可以通过混凝土应力值乘以作用面积和对应截面钢筋应力值乘以钢筋总截面积而得到。把每级荷载作用下计算所得内力与截面位置绘制到平面坐标系中，即为桩身轴力沿桩身长度分布关系曲线，如图6所示。数据分析证明在逐级荷载下，3根试桩的桩身轴力深度越大轴力越小，成反比例分布，并与桩周围土层力学性质有关，即土层摩阻力越大，斜率越小，反之越大。

图6 桩身轴力沿深度的分布曲线

4 结论

试验结果分析表明，在深厚黄土地区，单桩沉降较为均匀、沉降量较小、具有较高的承载力，如果承担较大荷载的建筑物优先可以选择桩基础比较理想。试桩的Q-S曲线较为平缓，无突变点及斜率变化较大的情形，桩基础受力较合理；S-lgt曲线平缓规则，无突变情况，说明各个单桩的极限承载力均大于4900kN，且有较大增长空间，比设计的单桩极限承载力大很多，有很大优化设计的空间。

通过试验说明，3根单桩的桩底承载力为0，说明桩身轴力未传至桩端，荷载主要由桩侧与周围土体的相互摩擦力来平衡，属于典型的摩擦桩；桩身轴力的分布与桩基础的深度有关、与桩周围土体的受力特性有关、与桩顶施加的荷载大小有关，与深度成反比关系，与荷载大小成正比关系。