深厚层强湿陷性黄土区桩基负摩阻力现场试验

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1、深厚层强湿陷性黄土区桩基负摩阻力现场试验李心平【摘 要】In order to obtain the distribution characteristics of negative skin friction of piles in the collapsible loess area, two preloading test piles were tested in Tianshui South Station by the immersion loading test. The axial force and side friction of the piles before and a

2、fter the immersion were analyzed. The research results indicate that before and after the immersion, the ratios of the load at the top to that at the bottom of the two test piles are respectively 9. 1% vs. 18. 3% and 6. 1% vs. 15. 8% , which indicates that the two test piles are both friction piles;

3、 that the maximum settlement at the pile top is 6. 1 mm before the immersion, and the additional settlement is respectively increased by 3. 8 mm and 2. 8 mm after the immersion, which indicates that the additional settlement due to selfsubsidence is limited when the piles are longer than the maximum

4、 depth of the collapsible loess; that before and after the immersion, the axial force in the upper part of the piles decreases slowly; that after the immersion, as a result of negative skin friction, the peak axial force appears and is larger than the preload; that before the immersion, there is a s

5、ingle peak of side friction along the depth direction of the piles, the peak moves down along with the increase of load at the pile top, and the side friction plays a main role at the middle and lower part of the piles;that after the immersion, the negative skin friction appears at the upper part of

6、 the pile body, and it increases with the development of loess collapsibility and reaches the peak (-32 kPa and -43 kPa, respectively) ; that the positive skin friction decreases first and then increases; that the peak and neutral points of the positive and negative skin friction all gradually move

7、down with the increase of the immersion time; that the ratios of the depths at which the peak points of the negative skin friction are to the maximum depth of the collapsible loess are respectively 0. 6 and 0. 51 when it becomes stable.% 为获得深厚层 强湿陷性黄土区桩基负摩阻力分布特征,通过天水南站2根试桩在预加荷载条件下 的浸水载荷试验,对浸水前(后)桩身轴

8、力、侧摩阻力分布特征进行了测试分析.研究 结果得出:浸水前后2根试桩桩端荷载与桩顶荷载比值分别为9. 1%、18. 3%和6. 1%、15. 8%，均为摩擦型桩;浸水前最大桩顶沉降为6. 1 mm,浸水后桩顶附加沉 降分别为3. 8 mm和2. 8 mm,说明当桩长超过湿陷性下限深度，自重湿陷引起的附 加沉降是有限的;浸水前后,桩身轴力在中上部衰减较慢,浸水后由于负摩阻力的产生, 导致桩身轴力出现峰值,均大于预加桩顶荷载;浸水前,侧阻力随桩深呈先增后减的分 布状态,峰值点随桩顶荷载的增大逐渐下移,桩身中下部为主要发挥区域;浸水后,在桩 身上部产生负摩阻力，其随黄土湿陷的发展而增大，并出现峰值(

9、-32、-43 kPa),桩侧 正摩阻力与浸水前相比,则呈现先减小后增大的趋势;正负摩阻力峰值点和中性点均 随浸水时间增加逐渐下移;稳定时2根试桩的中性点与湿陷性土层下限深度比值分 别为0. 6和0. 51.【期刊名称】广西大学学报(自然科学版)【年(卷),期】2018(043)003【总页数】8页(P1161-1168)关键词】 湿陷性黄土;浸水试验;桩基负摩阻力;桩身轴力;中性点作 者】李心平 【作者单位】中铁十二局集团第二工程有限公司,山西 太原 030032【正文语种】中文【中图分类】TU470引言我国西部地区湿陷性黄土具有分布广、层厚大、湿陷性强等特点，因此在其范围内 修建高层建筑、

10、高速铁路1和高速公路等工程时，变形控制也就极为关键。桩基 础具有承载力高、可控制沉降变形，而成为首选的基础形式。但湿陷性黄土遇水湿 陷，在桩侧产生较大的负摩阻力，导致桩身轴力和沉降增大，在进行黄土区桩基设 计时，负摩阻力取值和中心点位置选取就变得至关重要，过大或过小会导致工程成 本大幅度增加或产生工程隐患。虽然国内外学者利用理论2-5和试验6-16两类方法对桩基负摩阻力分布特性进 行了研究，也取得了一些有价值的成果，但黄土区域特征较强，试验得到负摩阻力 成果离散难以直接引用，另外，理论公式和数值方法特别是有限单元法的分析结果， 由于模型本构选取、模型参数取值等原因导致其计算结果的可信度尚需工程

11、实践检 验。因此现场试验测试和工程监测，仍然为众多学者所认同的可靠方法。 依托宝兰客运专线天水试验段进行现场试验，分析、研究了黄土区桩基在浸水过程 中桩侧摩阻力的荷载传递规律，桩基负摩阻力性状和中性点出现位置，为深厚层强 湿陷性黄土区桩基负摩阻力的研究积累数据，也为该区域桩基设计提供取值依据。 1试验1.1 场地条件试验场地位于甘肃省天水市天水南站花牛镇某处，地貌单元为高阶地，地基土层主 要有砂质黄土、黏质黄土等，下部古土壤及中更新世黄土不具湿陷性。场地自重湿 陷性黄土下限深度为30 m，局部为40 m。结合S-1、S-2、S-4和S-5试坑探坑 的自重湿陷性量计算（表1），可判定场地湿陷等级

12、为IV（很严重）。表1 场地自重湿陷性量计算及评价Tab.1 Calculation and evaluate of field collapsibility 序号计算自重湿陷量/mmAzs=pZ8zsihi 总湿陷量/mmAs=pZ8sihi 湿陷类型湿陷等级S-11 352.251 907.10自重V（很严重）S-21 194.001 487.65自 重V（很严重）S-41 089.001 425.05 自重V（很严重）S-51 233.981 475.78 自重 V（很严重）1.2 现场浸水试验方案 本次试验目的主要测试浸水前桩基在正常工作条件下的桩身轴力和桩侧摩阻力分布 特征和浸水期桩

13、基负摩阻力分布特征。桩基浸水载荷试验共布置2根试桩（图1）， S1号、S2号试桩桩长52 m ; 6根锚桩，锚桩桩长25 m，混凝土强度等级为 C40,桩径均为1 000 mm，试验选用长沙金码生产的埋入式钢筋应力计（图2）、 混凝土应变计和压力盒测试试桩的应力、应变和荷载。图 1 桩平面布置 Fig.1 Plane arrangement of piles图 2 钢筋应力计安装 Fig.2 Installation of rebar meter桩基浸水载荷试验试坑采用方形，边长2 m,坑深0.5 m。整个试坑内铺设厚10 15 cm的砂卵石，试验桩位于试坑的一侧。为加快和保证试桩桩身范围内湿

14、 陷土层的浸水饱和，并考虑自重湿陷性土层最大深度在40 m左右，在浸水坑内每 根试桩周围均布6个渗水孔在试桩附近深度为40 m，孔内充填砂砾石。 桩基试验方案如下： 浸水前阶段，对S1号桩加载至正常工作荷载3 300 kN，主要测试桩在工作状 态荷载下的桩顶沉降、桩身轴力和桩侧摩阻力分布特征；图 3 现场静载试验 Fig.3 Field static load test 浸水期阶段，S1号试桩保持桩顶荷载不变（工作荷载为3 300 kN），S2号加载 至工作荷载一半（1 650 kN），测试桩顶沉降和桩身应力，分析桩侧负摩阻力发展变 化。为使桩周土体尽快浸水饱和，渗水孔直径110 mm，距离试

15、桩较近，约0.5m，采用孔内注水方式。考虑桩周土体渗透范围，每个渗水孔充满水约在0.4 m3， 设计每孔按照5倍水量注水，每孔注水2 m3,每桩6个渗水孔，共计24 m3。 整个桩基浸水试验开展从2014年6月15日至2014年8月31日，约两个半月， 实际浸水时间约在20 d，桩基现场静载试验见图3。2 浸水前桩基受力结果分析图4图7分别为S1试桩的单桩竖向抗压静载试验曲线、桩底桩顶荷载比、桩身 轴力和桩侧摩阻力分布情况。S1试桩竖向抗压静载试验曲线（图4）可以看出：桩顶 沉降随着桩顶荷载的增加而增加，低荷载下沉降增加较小，加载后期沉降逐渐增大。 因为压力较小时，桩顶沉降主要表现为上部桩体的

16、压缩变形；随着桩顶荷载增大， 荷载逐渐向下部地基土转移；当桩顶荷载传至桩底时，桩端产生较大沉降。当桩顶 荷载达到工作荷载时，桩顶最大沉降仅为 6.1 mm，S1 试桩仍处于正常工作状态， 远未达到极限承载能力，也反映工程桩基的设计是安全的。从图5可以看出，试桩各级荷载下，桩端受力很小，桩底荷载一般为桩顶荷载的 6.1% 11.2%，桩身侧摩阻力承担了近90%的荷载值，表现为明显的摩擦桩。同 时，桩底荷载与桩顶荷载的比值呈现先增后减，表明随着荷载的增加，桩侧阻力逐 渐得到发挥，桩底荷载总体是在增加，但所占比例却在减小，这也说明桩处于正常 工作状态，没有发生破坏。图 4 S1 试桩荷载一沉降关系曲

17、线 Fig.4 S1 test pile load-settlementrelationship curve图5 S1试桩桩底与桩顶荷载比值Fig.5 Load ratio of top and bottom of S1 test pile图6 S1试桩桩身轴力与深度、荷载的关系Fig.6 S1 pile axial force relationship with deepness and load图7 S1试桩桩身侧摩阻力与深度、荷载的关系Fig.7 S1 pile skin friction relationship with deepness and load桩身轴力随荷载、深度变化曲线

18、（图6）可以看出：在荷载作用下，桩身轴力均随 桩长的增大而逐渐减小，且桩身的中部和上部承受了大部分轴力，桩底荷载逐渐有 增大的趋势。在桩顶荷载较小时，试桩S1的轴力衰减较慢，其轴力曲线的斜率 较为平缓，轴力较为平均地分布在桩身中上部，应力沿桩身的变化拐点在15 25 m,传至桩端的轴力较小；当桩顶荷载增至1 650 kN后，桩身轴力上部衰减依然 很小，桩身轴力拐点明显下移至25-40 m,轴力传至桩底处，此时桩底荷载依然 很小。由桩侧摩阻力沿桩身随荷载变化曲线（图7）可看出：正常工作状态下,各级荷载作 用下,桩侧阻力分布形态明显表现为随桩深呈先增后减的分布状态,峰值点随桩顶 荷载的增大逐渐下移

19、；在荷载较小时（小于1 650 kN），试桩S1的侧摩阻力峰值主 要出现于15-25 m处，最大侧摩阻力峰值为45 65 kPa ;当桩顶荷载增至1 650 kN以后，桩侧阻力峰值点明显下移至25-40 m处，侧阻力峰值为65 -130 kPa。总之，随着荷载增加，桩身中下部是侧阻力发挥的主要区域，而峰值侧阻力 则随桩顶荷载的增大而增大。 按照各桩侧阻力曲线的发挥特征，沿桩身深度可将曲线划分为三个部分：第一部分 为015 m,该深度段的桩身侧阻力沿深度是逐渐增大的，但随着桩顶荷载的增 加，侧阻力起初是渐次增大，当荷载增加到一定程度，基本不再增大；第二部分为 深度15-40 m,侧阻力处于峰值段

20、，峰值以上侧阻力沿深度增大，而下部则沿深 度减小，桩顶荷载增加则侧阻力也增加；第三部分为深度40 m以下至桩的底端， 桩身侧阻力沿桩身深度逐渐减小,但随着荷载的增加而增加。3 桩基浸水试验数据分析3.1 桩顶附加沉降图8 浸水期桩顶附加沉降与时间关系 Fig.8 Relationship of file top additional settlement and time in immersion 浸水条件下,桩周土体发生湿陷变形,进而对桩产生了负摩阻力,导致附加沉降的 产生,浸水期桩顶附加沉降与时间的关系如图8所示。从图8可看出：试桩在浸水过程中的沉降特征相似,浸水后立即产生显著沉降变 形，

21、初期沉降变形速率较大，随浸水时间的延长而逐渐趋于稳定；试桩S1和S2 的最终附加沉降量分别为3.8 mm和2.8 mm ;试桩在浸水后立即产生显著沉降， 表明桩侧黄土在自重湿陷发生的同时产生了负摩阻力；也说明黄土自重湿陷引起的 单桩附加沉降与桩顶荷载大小相关,桩顶预加荷载越大,桩周土体湿陷引起的附加 沉降越大。试验结果还表明,当桩长超过湿陷性下线深度后,浸水难以到达桩底, 仅桩身范围自重湿陷引起的桩顶附加沉降量是有限的(仅为2.83.8 mm)，比预加 工作荷载时的6.1 mm小。3.2 浸水桩基轴力分布通过浸水期桩身应力测试，取试桩S1和S2浸水前最后一级荷载未浸水(0 d)、浸 水1、5、

22、10、15 d时轴力分布的测试结果进行对比分析，见图9和图10。图9 试桩S1浸水过程中桩身轴力变化Fig.9 S1 test piles axial force change in immersion图10 试桩S2浸水过程中桩身轴力变化Fig.10 S2 test piles axial force change in immersion从图9和图10可以看出：未浸水时(0 d)，试桩S1和S2的轴力衰减慢，轴力主 要分布在桩身中上部，传至桩端的轴力较小；浸水过程中，轴力的衰减比未浸水时 明显，此时桩身轴力也主要分布于桩身上部，桩端的轴力依然较小，但传至桩端的 轴力随浸水时间的增长而有所增

23、大。同时，由于桩侧负摩阻力的产生，桩身轴力呈 现先增后减的分布特征，且在桩上部出现明显峰值，该峰值大于桩顶荷载。图11 浸水过程中桩端荷载增长比Fig.11 Pile tops road growth ratio in immersion图11为试桩S1和S2传至桩端的荷载增长比，随浸水时间桩端荷载增长较快，后 期逐渐变缓，虽然传至桩端的荷载随浸水时间的增长而逐渐有所增大，但桩端受力 依然有限。试桩S1桩顶荷载为3 300 kN，未浸水时桩端荷载仅为桩顶荷载的 9.1%，到结束时也只占桩顶荷载的18.3%，增长了9.2%，大约增加了303 kN； 试桩S2桩顶荷载为1 650 kN，未浸水时桩

24、端荷载仅为桩顶荷载的6.1%，到结束 时也只占桩顶荷载的15.8%，增长了 9.7%，大约增加了 160 kN ;两试桩桩端荷 载有一定差距，主要由于桩顶预加荷载大小相差 1 倍，桩侧土受到浸水软化湿陷， 同时产生的负摩阻力不同所导致的。从整个浸水期直至试桩测试结束来看，试桩 S1和S2传至桩端的荷载最大仅占桩顶荷载的18.3%，仍然表现为明显摩擦桩特 性。3.3 单桩负摩阻力性状分析 从图12和图13中可以看出，浸水条件下，试桩桩身负摩擦力呈现特征：桩的负 摩擦随着浸水时间的延长而呈逐渐增大趋势；从曲线间距可看出，浸水初期，负摩 阻力发展较快；浸水第15天后，试桩S1、试桩S2的负摩阻力的变

25、化趋于稳定。同时，S1、S2试桩桩顶预加荷载分别为3 300 kN和1 650 kN，产生的最大负摩 阻力分别为-32 kPa和-43 kPa，说明桩顶预加荷载大的桩，负摩阻力小，因为越 加荷载大，桩身轴力大，减弱了桩侧负摩阻力作用；随着桩侧黄土湿陷的发展，负 摩阻力呈现先增后减的规律，在中性点以下，正摩阻力随时间延长而增大。图12浸水过程试桩S1摩阻力随深度变化Fig.12 S1 pile negative friction change with deepness图13浸水过程试桩S2摩阻力随深度变化Fig.13 S2 pile negative friction change with

26、deepness从图12和图13中可见：对于S1、S2试桩较深处，桩身负摩阻力产生位置在桩 顶至以下17-18 m处，负摩阻力峰值点随浸水时间增大逐渐下移，S2试桩最终 稳定在8 m , S1试桩最终稳定在11 m,距桩顶18 m以下，桩侧正摩阻力在浸水 湿陷发生后立刻开始降低，然后又开始增大但均小于未浸水时的侧摩阻力值。 根据试验结果以及计算得到S1、S2试桩负摩阻力峰值、出现位置及单位负摩阻力 平均值，列入表2。表 2 负摩阻力测试结果统计 Tab.2 Statistics of negative skin friction test 试 桩号桩顶荷载/kN峰值负摩阻力/kPa峰值负摩阻力

27、出现深度/m负摩阻力平均值 /kPaS13 300-2911-15S21 650-438-213.4 单桩中性点位置 中性点的深度随浸水过程不断发生变化，从图12和图13可以看出中性点的变化 具有以下几个特征：中性点位置变化与浸水时间有关；浸水过程中，由于黄土层浸水湿陷的迅速发展，中性点位置较快下移，浸水15 d以后，试桩S1中性点停留 在18 m左右,S2停留在15.5 m左右，几乎保持不变。根据室内试验，试验场地的自重湿陷下限深度在30 m左右，依据现行黄土规范可 计算出中心点与湿陷性土层下线深度比值，S1试桩为0.6，S2试桩为0.51。4 研究结论 本文基于桩基浸水载荷试验的现场实测数

28、据分析，研究了浸水条件下单桩负摩阻力 分布特征，结论如下： 两根试桩在浸水前后均表现出典型摩擦桩的性状，两根桩端阻力发挥较小。 浸水前，桩侧阻力分布形态明显表现为随桩深呈先增后减的分布状态，峰值点 随桩顶荷载的增大逐渐下移；随着荷载增加，桩身中下部是侧阻力发挥的主要区域， 而峰值侧阻力则随桩顶荷载的增大而增大；在荷载较小时（小于1 650 kN），试桩S1的侧摩阻力峰值主要出现在15-25 m,最大侧摩阻力峰值在45 65 kPa ;当 桩顶荷载增至1 650 kN以后，桩侧阻力峰值点明显下移至25-40 m,侧阻力峰 值在65-130 kPa。 浸水后,桩侧的正、负摩阻力均存在峰值,与桩侧黄

29、土湿陷变形变化有关； S1、 S2试桩桩顶预加荷载分别为3 300 kN和1 650 kN，产生的最大负摩阻力分别为 -32 kPa和-43 kPa，平均负摩阻力为-15 kPa和-21 kPa说明桩顶预加荷载大的 桩,负摩阻力小。 浸水湿陷导致桩侧产生负摩阻力,引起桩的附加沉降,桩顶预加荷载大,则其 最终沉降量和附加沉降量也大；S1、S2试桩的最终附加沉降量分别为3.8 mm和 2.8 mm ;浸水产生的桩顶附加沉降小于工作荷载下的桩顶沉降。 桩身中性点的深度随浸水过程不断发生变化,最终中性点位置会趋于稳定,试验得到中性点与湿陷性土层下线深度比值，S1试桩为0.6 , S2试桩为0.51。参

30、考文献：【相关文献】1 陈子文郑西客运专线桥梁桩基摩阻力试验研究J.高速铁路技术,2016,7(3):42-48.2 刘明振含有自重湿陷性黄土夹层的场地上群桩负摩阻力的计算J.岩土工程学报， 1999,21(6):749-752.3 杜百计，宗雪梅,筵海岗湿陷性黄土层中桩基负摩阻力取值探讨J.特种结构,2013,30(2):8-12.4 何颐华，闵连太湿陷性黄土地基桩的负摩擦力问题J.建筑结构学报,1982,15(2):1-11. 袁灯平，黄宏伟,程泽坤软土地基桩侧负摩阻力研究进展初探J土木工程学报，2006， 39(2):53-60.黄雪峰，陈正汉,哈双等大厚度自重湿陷性黄土中灌注承载性状与

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