艾小平，吴亚平，舒春生，余小龙，高海平，陈坤，徐正伟

(1.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2.甘肃交通规划勘测设计院有限公司，兰州 730030)

黄土是一种成分复杂的具有独特性状的土，是第四纪地质时期干燥条件下形成的多孔具有柱状节理的沉积物，主要成分是粉土颗粒(粒径0.05～0.005 mm)，约占60%～70%，可溶盐含量高达10%～30%，结构疏松，孔隙多而大，具有高压缩性[1]。实践证明，黄土受到水的浸湿后，结构迅速破坏而产生显著的附加沉降，即湿陷[2-3]。在实际生产生活中，如果将桩基修建在有明显湿陷性的黄土地区，桩侧土体遇水湿陷较大时，会对桩产生向下的拉力，即负摩阻力，这会极大地降低桩基的承载力。近些年，湿陷性黄土桩基负摩阻力导致的工程问题，引起了相关领域许多学者的关注[4-9]。

虽然许多学者对湿陷性黄土桩基负摩阻力有研究，包括中国西北地区的一些科研机构和高校也做过此类试验，但仍存在一些问题[10-14]。首先，在已有的大量研究中，如朱彦鹏等[13]关于负摩阻力随桩长变化的研究，试坑浸水方式大部分是在桩周打泄水孔,这种方法虽然可以使桩周土达到饱和极限状态，研究其充分湿陷的情况，但与实际不吻合。其次，虽然魏进等[14]做过类似浸水自然渗透的试验，但其摩阻力分布与融土地区类似，有明显分界。考虑到地域的广阔性、复杂性，尤其是在中国大力投资建设的西北部地区，针对其特有的环境(干燥的气候，大厚度高压缩性黄土)，现有的研究还不充足。最后，中国现行规范对负摩阻力取值方式的规定过于简单粗略、单一保守，并没有考虑到实际桩基受力过程中中性点的变化。并且在实际工作生产中，不同地区土层状况千差万别。

随着中国生产技术和需求的不断发展，湿陷性黄土中桩基负摩阻力的研究还不足以满足相关需求。鉴于此，笔者结合兰州地区独有的地质与气候条件，模拟兰州非连续降雨，进行较大型的现场桩基预载浸水试验，研究兰州地区湿陷性黄土对桥梁桩基摩阻力的影响。

1 试验场地地质水文概况

试验依托兰州南绕城高速公路部分桥跨段，工程所在地属陇西黄土高原西部，是青藏高原向黄土高原的过渡带。地形地貌总体为南北高(黄土沟梁区)，中间低(河谷盆地区),需要较多桥梁沟通连接。兰州属中温带大陆性气候，冬无严寒、夏无酷暑，气候温和，区内海拔平均高度1 520 m，年均气温11.2 ℃，年均降水量327 mm，月最大降雨量123.2 mm。全年日照时数平均2 446 h，无霜期180 d以上。拟建项目在全国公路气候自然分区中属甘东黄土山地区Ⅲ3。

依据设计院的勘察资料，将该试验场地黄土自重湿陷最大深度初步确定为20 m。该工程段自重湿陷等级为Ⅳ级，场地靠近柴家台村，交通便利，故将试验场地选择在西固区柴家台上。

2 试验方案

2.1 试验依据及布置

结合兰州地区降雨少、气候干燥、汇水少的特点，依据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)中有关的湿陷性黄土试验以及附录H“单桩竖向承载力静载荷浸水试验要点”，由于场地周边道路及其他构筑物的限制，将桩基浸水荷载试验试坑采用长方形以及4个小长方形，尺寸为L×b=20 m×9 m+4×2.5 m×2 m=200 m2，试坑深度为0.6 m，整个试坑内铺设15 cm厚的细砂砾。布设S2试桩，桩长l0为20.5 m，桩径800 mm，试桩钢筋笼主筋为8ф16，为通长筋，每根试桩在对称钢筋上沿竖向左右对称布置钢筋应变计，从1 m开始，前10 m每隔1 m布置一个，后10 m每隔2 m布置一个，共计30个。试桩之间的距离8 m，满足《建筑桩基技术规范》有关规定，即桩间距大于4d。加载系统采用工字钢堆载及千斤顶加载的形式，桩基设计承载力为380 t，采用500 t的工字钢堆载。该试桩共布置24个观测点，采用百分表记录位移，其中浅层标点12个，分别沿120°夹角的3条观测线布置，用于测地面的湿陷变化情况；深层标点6个，用以观测不同深度土层的自重湿陷情况；桩周土标点3个，用以观测桩土相对位移；桩顶3个点，以观测桩的位移情况。试坑设有水分探头，以量测水浸入深度。

2.2 试验步骤

1)试验得到旱地桩极限载荷为430 t，试桩取旱地桩极限荷载的0.5倍(215 t)作为设计荷载进行分级预加载；

2)第1级取分级荷载的2倍(86 t)加载，以后按分级荷载43 t加载,共加载4级；

3)待加载到设计荷载稳定后,从10月25日开始分别按照年均降雨量的2倍、3倍慢速浸水，研究预压浸水摩阻力发展情况，停水后继续研究土体失水固结摩阻力的发展情况；

4)11月18日开始按3倍年均降雨量浸水，浸水稳定后开始加载，并维持一定水位至试桩破坏。考虑到水分下渗及水分蒸发等，最终浸水量4倍多；

5)卸载分级进行，每级卸载量为加载分级载荷的2倍，维持1 h测读桩顶沉降量。卸载至0后，读桩顶残余沉降量，维持至少3 h。

试验采集数据按前1 h每15 min读一次数，以后0.5 h读一次数，稳定标准为连续2 h的位移量不大于0.1 mm[15]。

试验现场如图1所示。

图1 现场布置图

3 结果分析

3.1 加载结束的判定

通过试验数据整理计算，得到位移随时间变化以及荷载与位移的关系，如图2所示。

图2 S2桩加载时间对数位移关系Fig.2 S2 pile time logarithm-displment diagram when

S2桩从预压到浸水加载破坏，结果如图2所示。从图2可看出,第5级荷载之前，各级荷载下S-lgt关系图线较平直，无明显的波折点。随着荷载的增大，位移随时间对数的增长数值基本保持不变。在第6级荷载作用下，加载初期，S-lgt关系曲线基本没有变化，仅表现为微降，但当lgt数值在3附近时，位移曲线出现明显拐点，表现为陡降，且超过24 h位移没有达到稳定的标准，故判定此时试桩破坏，停止加载。

3.2 轴力及摩阻力沿桩身分布分析

3.2.1 预压阶段分析 试验通过钢弦式应变计测得应变，利用厂家提供的参数及公式计算得到轴力和摩阻力，结合Origin软件对数据进行处理，得到S2试桩预压阶段如图3所示。

图3 预压阶段图

由图3可知，轴力沿桩深下降呈非线性衰减。随着加载量增加，桩土相对位移增大，桩侧摩阻力充分发挥效应，从而使轴力衰减速率增大。在桩体中上部5～11 m范围，轴力有类似于正弦形的波动。分析其原因，可能是该深度的土层与其他土层承载特性相比存在明显差异，以及试桩在浇筑时，桩侧平整度对桩土接触也有一定影响；计算所得摩阻力沿桩深变化趋势是先增大后减小，靠近桩端再次增大，这与西北地区部分科研机构在类似土体试验所得结果(摩阻力在桩下部逐渐减小，在桩端接近于零)有一定差别[14]，主要是土体的特性差异，桩体下部土层与桩的剪切弹性接触良好，从而使摩阻力再次递增。摩阻力数值基本为正，最大峰值位置基本都在9 m处，且最大值未超过150 kPa。桩侧局部出现负值，但数值较小，负摩阻分布长度约3 m，基本可忽略不计，这与已有的桩基试验结果基本吻合。摩阻力出现多个峰值且局部出现负值可能与土层性质和密实度有关，不同土层桩土粘结性能不同。此阶段土体持力层主要在5～10 m及15～20 m处。

3.2.2 恒压浸水阶段分析 恒压浸水阶段的轴力及摩阻力分布如图4所示。

图4 S2桩恒压浸水阶段图Fig.4 S2 pile constant pressure immersion stage

从图4(a)可以看出，在试坑浸水后，桩顶以下轴力随即增大。在恒压作用下，随着浸水量和浸水时间的增长，桩身每个截面的轴力都在逐渐增大，轴力较桩顶荷载大的区间也在向下发展，且主要集中在桩中上部，桩端力几乎没变化。这主要是因为，随着浸水时间和浸水量的增加，桩侧土产生自重湿陷，且湿陷深度随土浸水深度发展而增大。当土层的沉降大于桩体时，对桩产生向下的拉力，其数值随着桩土相对位移增大而增大，这就相当于对桩二次加载，因而桩端力随之增加。由图4(b)可知，摩阻力沿桩身向下正负交替，土体浸水立刻产生负摩阻力，且负摩阻力主要分布在桩上部。通过计算后，负摩阻力分布长度和主要在4.66～5.04 m区间内，负摩阻力数值随着时间因子增大和浸水量增加而增大，但增量不大。其主要原因是，随着浸水量增加和时间延长，水浸入深度增大，浅层下的土层也产生较大沉降。此阶段土体持力层与预压基本一致，也主要在5～10 m及15～20 m处。

3.2.3 停水阶段分析 试坑停水阶段的轴力及摩阻力分布如图5所示。

图5 停水阶段图

由图5可知，当试坑地表无积水时，轴力沿桩身仍有增加，但随着时间的延长，增量逐渐减小。此阶段桩身上部轴力增大值较小，主要表现为桩体中下部轴力增大，可能是在停水初期，随着时间增长，深层土体也逐渐受到水分下渗造成的影响。此阶段的桩端反力有一定量的增长，桩侧摩阻力分布规律在此阶段基本变化不大，仍呈现正负交替，个别截面摩阻力数值先增大后减小。负摩阻力分布长度和在5.04～5.1 m范围内波动，初期先增大，随着时间延长，逐渐有微量的衰减。说明土体在停水固结初期蓄水量大。由于试验时间在秋冬季节，气温低，地层水分散失少，浅层土基本处于饱和状态，使得桩土相对位移的变化很小，负摩阻力区段继续发展。但后期随着时间增长，部分水分散失，上部土层含水率降低，土体沉降速率降低，桩土相对位移减小，从而使负摩阻力分布长度和减小。此阶段持力层基本无变化。

3.2.4 再次浸水阶段分析 试坑再次浸水阶段的轴力及摩阻力分布如图6所示。

图6 再次浸水阶段图Fig.6 Diagram when flooded

当试坑再次浸水时，此阶段整个桩深轴力都有微量增大。轴力增量随着时间逐渐减小，总体数值递增量较小，其原因可能是长时间停水后，试坑再次浸水使得土体再次湿陷。但沉降在首次浸水及停水阶段已基本完成，故轴力变化较小，这一点可以通过桩土位移得到印证。此阶段摩阻力沿桩长的分布规律及分布区间长度基本无变化，说明较长时间的非连续性二次降雨对桩基摩阻力影响不大。

3.2.5 加载持续浸水阶段分析 试坑再次加载持续浸水阶段的轴力及摩阻力分布如图7所示。

图7 再次加载持续浸水阶段图Fig.7 Diagram of re-loaded under continuous flooding

试桩再次加载至破坏阶段，在极限荷载作用下，轴力基本保持不变。而在破坏荷载作用下[15]，桩体中下部轴力明显递增，此阶段负摩阻力峰值出现较大数值，主要是由于桩体产生较大的位移，扰动了桩侧土体水分下渗，从而使下部土体湿陷。负摩阻力分布长度和先减小后增大，在极限荷载下，长度约5.14 m。破坏荷载下，桩端反力发挥到最大程度。土体的持力层主要在桩8 m以下的位置，这与埋设水分探头所测水浸入土层深度结果基本一致，可见，水的影响深度主要在前8 m的位置，具体变现为土体浸水后，出现明显的沉降，对桩施加负摩阻力，同时，水使得桩土接触相互作用弱化。

3.2.6 卸载阶段分析 试坑再次浸水阶段的轴力及摩阻力分布如图8所示。

图8 实测卸载图Fig.8 Actually measured unloaded

由图8可知，卸载过程中轴力沿桩向下先增大后减小，在桩上部出现3个峰值，最大峰值位置与预载时峰值有一定差异，基本处在7 m位置，7 m以下逐次递减。较为反常的是在卸第1级荷载时，桩顶以下轴力较卸载前变化较小，而且测得桩体回弹位移值较小，甚至仍有沉降趋势。其原因可能是桩在破坏荷载作用下，卸载时桩周土对桩有较大的约束，限制了桩的回弹，从而使桩土相对较小[16]。此阶段摩阻力分布规律与加载阶段基本一致，负摩阻力沿桩深分布区段和随着卸载量的增加数值增大，从5.74 m变化到9 m。相比加载阶段，变化明显，空载时，数值达到最大。可能是卸载过程中，由于土处于浸水状态，仍会产生沉降，但桩体随着荷载降低产生回弹，即产生向上的位移，如此便会产生负摩阻力，并且桩体回弹量随着卸载等级增加而增大。此时，桩侧土体持力层主要在10 m以下位置。

为了研究全阶段变化情况，选取5 m及7 m处绘制轴力图，结果如图9所示。

图9 试桩5 m及7 m处全阶段轴力图Fig.9 Axial force diagram at 5 meters and 7

结合前5个阶段分析结果图，由图9可知：试桩5 m处，在浸水后轴力就开始增大，且随着水量的增加及时间的延续，增大趋势逐渐向桩下部发展。试坑无明水时，轴力仍有增长，相对于试坑浸水状态，数值较小，可能是受到试坑水头小的影响。再次浸水时，轴力继续微量增大。再次施加荷载时，在每级荷载下，随着时间的延长，轴力又再次的增大。说明在破坏荷载下，负摩阻力仍然存在，可能是由于该位置处的土层在之前受到水的影响并不明显，在此时，由于桩基对土的扰动，导致该土层C、φ等承载特征值减小，从而下沉速率大于桩基，产生加载效应。

综合以上分析可知，随着浸水时间延长，正摩阻力发挥度在逐渐减小，而桩端力发挥度在增加，在破坏荷载下桩端力发挥度到达极限时，摩阻力发挥度达到最小。

4 结论及展望

1)试验模拟降雨的浸水方式下，通过埋设水分探头测得浸水最大深度在10 m左右，且在该深度处含水率增量很小，说明浸水主要影响区域已在10 m以上，并且桩基在浸水期间持力层也主要分布在10 m以下，这印证了试验结果的正确性。

2)在浸水过程中，由于浸水方式不同，水影响深度较浅，使桩侧正摩阻力呈现先增大、左右波动达到峰值后、经过减小后再次有增大的现象。

3)试桩在恒压浸水至破坏过程中，桩侧负摩阻力始终存在，且其峰值随着荷载递增而增大。桩身负摩阻力区段长度ln，与桩长比值ln/l0为0.23～0.26，是一个变化的过程；卸载过程中，存在较大面积负摩阻力，ln/l0为0.28～0.45。设计时，可以考虑中性点区间特点，达到安全、经济、合理。

4)在试验过程中，首次降雨对桩基轴力及摩阻力影响较大。间隔20 d左右，试坑水干，再次降雨对摩阻力影响较小。鉴于此特点，设计时可以主要考虑首次降雨对桩基影响。

5)试桩在短期浸水后，主要由于负摩阻力的影响，试桩的极限承载力只有自然条件下的60%。而试桩在极限荷载下的沉降量约自然条件下的1.73倍。设计时，在以承载力为主要控制参数时，要同时考虑桩基沉降的影响，保证承载力又兼顾桥梁路线的平顺。