浅析湿陷性黄土场地上单桩竖向静载荷试验最大加载值的确定

马恒山，马安刚，张 斌，施辰安

（甘肃众联建设工程科技有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

湿陷性黄土场地上的基桩，天然含水量状态下桩周湿陷性土层发挥对承载力有利的正摩阻力Qsk1，而当桩周湿陷性黄土浸水后，土质迅速软化桩侧摩阻力降低为Qsk3，在自重湿陷性黄土场地不但侧阻力Qsk1消失且产生负摩阻力作用Qgn（见图 1）。为确保建筑物在设计基准期内的安全正常使用，桩基设计一般按照桩周湿陷性黄土层在浸水饱和状态下的承载力考虑，单桩竖向抗压承载力特征值宜通过现场单桩竖向静载荷浸水试验确定。受场地、建设工期、季节、水源等条件的影响，大多数工程很难做浸水试验，通常在天然含水量状态下进行承载力试验［1-3］。

图1 基桩在不同工况下的受力

单桩竖向抗压静载荷试验的最大加载值直接决定了单桩承载力的安全系数，按照常规做法取工程设计图纸中单桩承载力特征值的 2 倍作为最大加载值，即安全系数为 2［4］。如前所述，湿陷性黄土场地上的基桩，桩周湿陷性土层在自然含水量状态和浸水状态下发挥的侧阻力不同，故单桩承载力的取值需从天然含水量状态下试验结果中降低或扣除湿陷性土层的摩阻力，按照常规做法得出的基桩承载力安全系数达不到 2，不满足设计要求［5］。桩周湿陷性土层越厚，常规做法得出的单桩承载力安全系数越低。有些大厚度湿陷性黄土场地上的工程，按常规做法确定的试验最大加载值甚至还未达到桩周湿陷性土层在自然含水量状态下发挥的正摩阻力，基桩在自然含水量状态下的承载力完全满足要求，一旦浸水，单桩承载力究竟如何，实则无法评价，为工程验收带来极大困难；若误判为合格，则存在重大的工程安全质量隐患，科学规范地确定试验最大加载值至关重要。

1 桩基设计计算

1.1 非自重湿陷性黄土场地

非自重湿陷性黄土场地上的基桩，在浸水状态下的受力如图 1（b）所示，桩基设计须满足式（1）～式（3）。

式中：Nk为荷载效应标准组合轴心竖向力作用下基桩的平均竖向力；Ra为单桩承载力特征值；K为安全系数，取K=2；Quk为单桩竖向抗压极限承载力标准值；Qsk3为湿陷下限深度以上土层在饱和状态下桩的总极限侧阻力标准值；Qsk2为湿陷下限深度以下土层桩的总极限侧阻力标准值；Qpk为桩的总极限端阻力标准值。

1.2 自重湿陷性黄土场地

1）按文献［1］规定设计须满足式（4）～式（6）。

2）按文献［2］、［3］的规定设计须满足式（7）～式（9）。

2 试验最大加载值的确定

在自然含水量状态下试验时，试验所施加的荷载完全由桩周土承担，如图 1（a）所示。此时，单桩竖向抗压极限承载力见式（10）。

式中：Qsk1为湿陷下限深度以上土层在自然含水量状态下的总极限侧阻力标准值，通过空底桩实测得到；其他符号意义同前。

试验最大加载值取设计要求单桩承载力特征值Ra的 2 倍，自然含水量状态下的安全系数K=2Ra/Ra=2，或会误判为“满足设计要求”。实则桩周湿陷性土层浸水后，承载力降低，安全系数达不到 2，不满足设计要求。满足设计要求的试验最大加载值需按下述 2.1、2.2 节计算确定。

2.1 非自重湿陷性黄土场地

当桩周非自重湿陷性黄土浸水后，土质软化，桩侧摩阻力减小，减小量 ΔQuk1=Qsk1-Qsk3，浸水后Quk=2Ra-ΔQuk，带入式（6）可得安全系数K=（2Ra-ΔQuk1）/Ra=2-ΔQuk1/Ra，此式中后一项必然大于 0，故安全系数K＜2，不满足设计要求。令安全系数K=2，可得到自然含水量状态下试验最大加载值Q的计算公式，见式（11）。

2.2 自重湿陷性黄土场地

1）按文献［1］，浸水后Quk=2Ra-Qsk1，带入式（6）可得安全系数K=（2Ra-Qsk1-kQgn）/Ra=2-（Qsk+kQgn）/Ra，此式中后一项必然大于 0，故安全系数K＜2，不满足设计要求。令安全系数K=2，可得到自然含水量状态下试验最大加载值Q的计算公式，见式（12）。

2）按文献［2、3］，浸水后Quk=2Ra-Qsk1，带入式（9）可得安全系数K=（2Ra-Qsk1）/Ra=2-Qsk1/Ra，此式中后一项必然＞ 0，故安全系数K＜2，不满足设计要求。令安全系数K=2，可得到自然含水量状态下试验最大加载值Q的计算公式，见式（13）。

3 工程算例

该工程现场不具备浸水试验的条件，在自然含水量状态下进行单桩承载力试验。试验最大加载值的确定如下。

1）按照文献［3］的要求，采用空底桩对①黄土状粉土层在自然含水量状态下的侧阻力标准值进行测试，得到qsk1=60 kPa。②马兰黄土层厚相对较小，未进行侧阻力测试，按地方经验取qsk2=70 kPa。由此可得湿陷下限深度以上土层在自然含水量状态下的总极限侧阻力标准值Qsk1=0.8π（60×35+70×6）=6 330 kN。

4）若本工程的单桩承载力特征值 4 500 kN 是按文献［1］的表达提出的，则最大加载值的计算改用式（12），负摩阻力标准值可按文献［1］或文献［3］取值，文献［3］按桩周湿陷性土层厚度不同对负摩阻力的取值也不同，同种工艺，厚度越大，负摩阻力取值越大，此处暂按文献［3］取 19 kPa，则 Qgn=19×41×0.8π=1 957 kN，试验最大加载值 Q=2×（4 500+1 957）+6 330=19 244 kN。

非自重湿陷性黄土场地上的基桩，可参照此算例的方法选择式（11）进行计算，此处不再赘述。式中湿陷下限深度以上土层在饱和状态下桩的总极限侧阻力标准值Qsk3计算时，桩侧阻力标准值可取 20～30 kPa，挤土桩取高值，非挤土桩取低值。

4 结语

1）文献［1］和文献［2］、［3］对设计单桩承载力特征值的规定不同，设计单位在设计图纸中应注明采用的是那种表达形式，并合理地提出单桩承载力试验的最大加载值，且按试验最大加载值进行桩身强度验算。

2）湿陷性黄土场地上的基桩在进行承载力试验时，优先选择浸水载荷试验；确有困难时，可在自然含水量状态下试验，试验最大加载值按场地湿陷类型选择式（11）～式（13）计算确定。

3）采用本文公式确定自然含水量状态下试验最大加载值时，宜采用空底桩测试湿陷性土层的摩阻力。

4）目前，行业内同一名词采用不同表达方式的情况时有出现，此种情况在跨行业间出现的更多，甚至同一名词所表达的意思差之千里，为工程技术人员的正常交流带来诸多不便，期盼早日形成统一。Q