易 聃

(中铁三局集团有限公司，山西太原 030006)

0 引言

郑西客运专线是徐州至兰州快速客运通道的中段，东起郑州市，西至西安市，正线全长约458．886 km。豫西及关中地区桥梁大都位于湿陷性黄土分布区，湿陷性土层厚度在10 m～25 m，部分地段湿陷性黄土厚度大于25 m。黄土具有湿陷土层厚度大、湿陷等级高、湿陷性敏感、伴生不良地质现象发育等特征。

由于湿陷性黄土是具有强烈结构性的欠压密土，相应的地基变形包括压缩变形和湿陷变形两种，其中压缩变形由上部结构传来的荷载所引起，当基底压力不超过地基土的容许承载力时，地基的压缩变形很小，一般能满足其对沉降变形的要求;湿陷变形则是地基被水浸泡后所引起的一种附加变形，往往具有局部性和突发性。地基的湿陷变形一般很不均匀，常对桥涵等构(建)筑物造成危害，对铁路工程建设的潜在威胁很大。

根据湿陷性黄土的特性，在黄土湿陷时将会对桩产生负摩擦力。桩基负摩擦力可能发生在施工过程、使用前或桥梁运营阶段的使用过程，发生在使用过程最为不利。对于摩擦桩，负摩阻力将会引起附加沉降。如果各个桥墩下各桩基都有负摩擦力，将会引起桥梁整体沉降，影响桥梁与路基的平滑过渡;如果部分桥墩下桩基发生负摩擦力，将会引起桥墩之间的不均匀沉降。不管哪种沉降，超过一定限度后，都会影响到客运专线行车高速性、安全性以及平稳舒适性的使用要求。

豫西及关中地区原设计桥梁钻孔桩最大桩长为80 m，考虑基坑开挖深度，钻孔深度最大可达到86 m以上，而目前国内旋挖钻机的最大钻孔深度只有65 m左右，无法一次钻进到设计孔深。在前期组织试桩时，采用套钻的方法才达到设计孔深，即先采用旋挖钻机钻进到65 m深度后，改用普通回旋钻机继续钻进到设计孔深，一个钻孔需要8 d～10 d才能完成，功效非常低。

因此，湿陷性黄土地区钻孔桩受力一般以摩擦桩为主，其中负摩擦力的确定对确定桩的总长度起决定作用，需要在现场通过试验来确定黄土的湿陷性对桩的影响。在设计与施工工艺选择中，要充分考虑到负摩擦力的影响以及掌握桩的承载力和沉降大小。通过测试钻孔桩的承载力，然后减短桩长，从而方便现场施工是非常必要的。

1 试验研究内容和方法

通过湿陷性黄土地区钻孔桩承载力试验研究，确定钻孔桩的施工工艺和设计参数:

1)进行单桩竖向抗压静载试验确定单桩竖向抗压极限承载力值，进行单桩水平静载试验确定单桩水平极限承载力值。

2)预先在钻孔桩内埋设钢筋计，在进行单桩竖向静压试验时通过钢筋计测桩周摩擦力，对桩的安全性进行评价。

3)会同设计单位对集团公司郑西项目钻孔桩的桩长设计进行优化，提高施工效率和项目效益。

2 试验方案设计

在中铁三局管段内共进行9座桥梁18根试桩试验研究，以枣香河特大桥(中心里程DK307+208．7)为例进行叙述，枣香河特大桥进行单桩竖向抗压静载试验2组，试桩编号为26-1号、26-2号;水平静载试验1组，编号为26-1号，在26号桥墩右侧距右线中心线10 m处进行，摩阻力测试桩为1根试桩，编号为26-2号。

2．1 试桩设计

桩顶标高为326．936m，桩长为43．37 m，桩径为1 250 mm，设计单桩竖向抗压极限承载力值为10 000 kN。锚桩桩顶标高和桩径与试桩相同，桩长为30．00 m。

2．2 试桩桩帽加固

由于试桩长度大，故桩顶混凝土浮浆厚度较大，根据以往经验，试桩桩帽加固需在凿除试桩浮浆后进行，桩径1 250 mm，1 000 mm的试桩加固高度1．00m(同预留筋长度)，采用φ1 250 mm，1 000 mm，厚度10 mm，长度1．00m的钢护筒，搭接处需焊接牢固。在1．00 m内设6道加劲筋(φ16@200)，5层网片(φ16@200)。桩帽部分混凝土强度等级为C45。

桩径800 mm的试桩加固高度1．00 m(同预留筋长度)，采用φ1 000 mm，厚度10mm，长度1．00m的钢护筒。其他与φ1 250mm，1 000 mm桩帽相同(见图1)。

图1 试桩锚桩平面位置图（单位：mm）

2．3 锚桩设计

1)锚桩抗拉钢筋。

经过计算，锚桩配筋如下:试验荷载为10 000 kN时，采用20φ25钢筋，加劲筋φ16@2 000，螺旋筋φ10@200。试验荷载为13 000 kN时，采用主筋26φ25，加劲筋φ16@2 000，螺旋筋φ10@200。

2)锚桩长度。

锚桩直径同试桩。经计算确定各类型锚桩长度如下:a．φ800 mm、试验最大加载为10 000 kN时，长度不小于50．00 m。b．φ1 000 mm、试验最大加载为10 000 kN时，长度不小于45．00 m;最大加载为13 000 kN时，长度不小于50．00m。c．φ1 250 mm、试验最大加载为10 000 kN时，长度不小于30．00 m。d．在满足试验要求的前提下，为节约钢筋，锚桩桩身下部1/3长度的主筋数量比上部2/3减半;预留筋长度不小于1．50 m。

3 试验研究数据分析

3．1 单桩竖向抗压静载试验结果

根据表1和图2～图5可知，2根试桩荷载(Q)—沉降(S)曲线均未出现明显陡降段;沉降(S)—时间(lg t)曲线尾部均未出现明显向下弯曲段，表明桩的承载力未达到极限状态。根据试验结果判定，在天然状态下，单桩竖向极限承载力值Qu≥10 000 kN。荷载10 000 kN对应沉降量26-1号桩为3．155 mm，26-2号桩为3．870 mm。根据以上分析，单桩竖向极限承载力取值见表2。建议本桥位单桩竖向极限承载力值Qu取10 000 kN。

表1 单桩竖向抗压静载试验沉降量汇总表

表2 单桩竖向极限承载力取值表

图4 26-1号沉降（S）—时间（lg t）曲线

图5 26-2号沉降（S）—时间（lg t）曲线

3．2 单桩水平静载试验结果

根据表3和图6，图7可知，26-1号桩:水平力(H)—时间(t)—作用点位移(Y0)曲线有明显陡降段;水平力(H)—位移梯度(ΔY0/ΔH)曲线存在第二拐点，根据试验结果判定，在天然状态下，单桩水平极限承载力值Hu=900 kN，对应水平位移为9．040 mm。根据以上分析，单桩水平极限承载力取值见表4。根据试验结果，建议本桥位单桩水平极限承载力值Hu取900 kN。

3．3 摩阻力试验结果

从图8，图9可见，试桩在5 000 kN作用下，摩阻力主要分布在地面以下25 m范围内，其后随着桩身长度的增加，摩阻力逐渐减小。在桩深度25 m以下，侧摩阻力仅为7 kPa以下。沿桩身的平均摩阻力为30 kPa，其中地面以下25m范围内的平均摩阻力为50 kPa。

试桩在10 000 kN作用下，摩阻力主要分布在地面以下30 m范围内，其最大摩阻力为125 kPa，此范围以下侧摩阻力很小，为15 kPa以下。沿桩身的平均摩阻力为40 kPa，其中30 m范围内的平均摩阻力为55 kPa。

图6 水平力（H）—时间（t）—作用点位移（Y0）曲线

图7 水平力（H）—位移梯度（ΔY0/ΔH）曲线

表3 水平静载试验结果汇总表

表4 单桩水平极限承载力取值表

在5 000 kN桩顶力作用下，摩阻力约占99%，为纯摩擦桩;在10 000 kN桩顶力作用下，摩阻力约占71%，桩端反力约占29%。

4 结语

1)对于长大桩，试验表明桩端土不发生整体剪切破坏，而由土的压缩机理起主导作用。即随着荷载的增加，桩底以下土体产生竖向和侧向压缩，由此排出的土体积足可以容纳桩端的下沉体积，而不会导致土体形成通向桩端平面以上的连续滑动面。这种以压缩机理起主导作用的渐进破坏，Q—s曲线表现为缓变型，无明显特征点，因此，极限承载力或者容许承载力的确定一般应以位移控制。

图8 26-2号试桩桩身轴力分布图

图9 26-2号试桩桩身摩阻力分布图

2)综合9座特大桥的试桩情况，桩的承载性状属于摩擦桩类型。桩身的摩阻力主要集中在桩长的2l/3范围内;桩身摩阻力超过2 l/3后，摩阻力很小，可以忽略不计。一般桩头5 m范围内摩阻力可以忽略;在5 m～40 m范围内，摩阻力极限值可以按70 kPa来考虑;对于深度超过40 m的范围，摩阻力不能够得到发挥，可以忽略不计以策安全。对于软塑～流塑状的淤泥质土，建议不计桩侧摩阻力。绝大部分桩端阻力占30%左右。3)试验表明摩擦型桩基承载力容易得到满足，除抗震特殊要求外，在少量扩大桩径桩长可较大幅度减少，提高施工效率和项目效益。从客专正常运营角度来说，难点是控制桩的沉降。为了安全起见，建议进行桩基沉降计算与实际观测。

［1］郑西客运专线第Ⅳ标段特大桥钻孔灌注桩单桩静载试验报告［R］．太原:中铁三局集团有限公司，2006．

［2］郑西客运专线ZXZQ04/09标段桥梁钻孔灌注桩摩阻力测试分析报告［R］．太原:中铁三局集团有限公司，2006．

［3］黄雪峰，马良荣，张建华．湿陷性黄土嵌岩灌注桩对侧阻力强化效应试验研究［J］．陕西建筑，2010(12):55-59．

［4］黄雪峰，陈正汉，哈 双，等．大厚度自重湿陷性黄土中灌注桩承载性状与负摩阻力的试验研究［J］．岩土工程学报，2007，29(3):338-346．