自重湿陷性黄土中灌注桩水平向载荷试验研究★

张 磊 罗少锋 鲁 洁

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

由于风荷载、流水压力、汽车的制动力和牵引力、离心力、船只或汽车的撞击力等作用，桩基础承受水平荷载。现场载荷试验是研究桩土相互作用最有效的手段，目前水平荷载作用下桩基现场试验研究大多针对不同桩型在砂土地层或软土地层开展[1,2]。黄土在一定的压力下受水浸湿后结构迅速破坏，发生显著下沉，这被称为黄土的湿陷性。因此黄土是一种在特定环境中形成的具有特殊性质的土[3]，而湿陷性黄土地区桩基水平承载现场试验研究目前还较为少见。费利娅等[4]通过现场静载荷试验研究了非饱和黄土中大直径嵌岩桩的水平承载性状，试验采用单向多循环加载法，并用钢筋应力计量测桩身内力。滕延京等[5]开展了大直径扩底灌注桩现场水平静载荷试验，采用滑动测微计测量桩身应变并换算成桩身内力，分析了桩径、桩长、桩顶竖向荷载、浸水等对桩基水平承载性状的影响，验证了几种线弹性地基反力法应用于自然及浸水饱和状态下湿陷性黄土地层中桩身侧向响应计算的适用性。蔡军[6]开展了天然和浸水两种条件下自重湿陷性黄土场地上人工挖孔灌注桩现场水平承载试验，分析试验结果后指出桩周土的物理状态是桩基水平承载力的首要影响因素，桩顶施加一定的竖向荷载可提高桩基水平承载力。由研究现状可以看出，目前湿陷性黄土地区桩基水平承载现场试验研究还不充分，天然条件下和浸水条件下的桩基水平承载规律尚未被设计人员和研究人员掌握。因此，有必要对不同的桩型在不同的黄土场地继续开展现场水平静载荷试验研究。

本文对自重湿陷性黄土场地中的2根钻孔灌注桩开展浸水饱和状态下的水平向静载荷试验，分析了桩基水平承载性状，所得结论可为同类工程设计施工提供参考。

1 试验概况

1.1 地质条件

试验场地位于陕西省铜川市的董家河循环经济示范园。地貌单元属渭北黄土塬，塬面开阔、平坦，呈台阶状。地下水位较深，本试验不受其影响。钻孔揭露地表以下45 m范围内为黄土与古土壤的互层，其中上部6.8 m为Q3黄土，下部38.2 m为Q2黄土。自地表向下，各土层的物理力学性质指标如表1所示。F5层及以下地层的湿陷性可不考虑。试桩附近湿陷量的计算值为1 814 mm，自重湿陷量的计算值为635 mm，因此场地的湿陷类型判定为自重湿陷性场地，地基的湿陷等级为Ⅳ级。

1.2 实验方案

试验反力系统采用反力桩横梁反力架装置。共安排试桩2根，编号为A2和A3，桩长均为41.5 m，直径为800 mm，中心距为5 m。安排反力桩3根，排成一排并与试桩平行，中心距为5 m，桩长为41 m，直径为800 mm。试桩与相邻反力桩之间的距离为3 536 mm。试桩和反力桩均为干作业旋挖钻孔灌注桩，桩身均采用42.5 MPa普通硅酸盐水泥。试桩主筋为14Φ16，配筋率为0.56%，沿桩身通长布置。螺旋箍筋靠近桩顶3 m范围内为Φ10@100，3.0 m～7.5 m范围内为Φ10@150，以下为Φ10@250。反力桩主筋为22Φ25，沿桩身通长布置，结构配筋形式与试桩类似。试桩和反力桩的桩身混凝土强度等级不低于C35，桩头混凝土强度等级不低于C40。低应变测试结果表明桩身基本完整，也即桩身缺陷轻微，不会对桩身结构承载力的正常发挥产生影响。

表1 地基土层的物理力学性质指标

以试桩为中心各设置一个直径为2 m、深度为1 m的试坑。坑内布置深度为20 m、直径为78 mm的渗水孔4个，孔内填充砂砾石；坑底铺设30 cm厚的卵砾石层。试验加载前向坑内注水，以研究桩周土体浸水饱和时桩基水平承载性状。

试验采用千斤顶施加水平力，在千斤顶与试桩接触处安置球形铰座，以保证千斤顶作用力水平通过桩身轴线。在水平力作用平面的受检桩两侧安装位移计，以量测桩身水平位移。采用单向多循环加载法，按15 kN～25 kN的荷载增量逐级施加，每级荷载施加后，恒载4 min测读水平位移，然后卸载至零，停2 min测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次便完成一级荷载的试验观测。试验中途不停歇。当桩身折断或桩身水平位移超过30 mm～40 mm时，终止加载。

2 试验结果及分析

A2和A3试桩的水平力—时间—作用点位移曲线如图1所示，水平力—位移梯度曲线如图2所示，图中H表示水平力，t表示时间，Y0表示水平力作用点处桩身水平位移，ΔH表示水平荷载增量，ΔY0表示某级水平荷载增量下荷载作用点处桩身水平位移增量，(ΔY0/ΔH)表示位移梯度。由图1可见，当采用单向多循环加载法时，如果荷载较小，加载后桩身水平位移较小，卸载后位移可全部恢复，桩身和桩周土均处于弹性状态。随着水平荷载的增加，每级荷载增量下桩身水平位移增量增加，卸载后出现不可恢复的残余水平位移，且卸载后恢复的桩身水平位移和残余位移均逐渐增加。当水平荷载超过200 kN，A2和A3试桩的水平力—时间—作用点位移曲线均出现拐点，说明两个试桩的桩身受拉区混凝土明显退出工作，因此A2试桩和A3试桩的单桩水平临界荷载均为200 kN。临界荷载作用下A3试桩的荷载作用点处桩身水平位移为0.80 mm，比A2试桩的3.22 mm小得多，这有可能是由于A3试桩浸水后桩周土饱和度较低造成土体抵抗侧向变形的能力较高，致使荷载作用点以下桩身水平位移较小造成的。当施加于A2试桩的水平荷载超过300 kN，施加于A3试桩的水平荷载超过360 kN，水平力—时间—作用点位移曲线均出现陡降，说明A2试桩和A3试桩的水平极限承载力分别为300 kN和360 kN，对应的水平荷载作用点处桩身水平位移分别为13.84 mm和10.94 mm。由图2可见，两根试桩的水平力—位移梯度曲线均大体上呈三段折线形，且每段折线的斜率随水平荷载的增加而增大。第一个拐点对应的水平荷载为临界荷载，因此A2试桩和A3试桩的水平临界荷载均为200 kN，这与水平力—时间—作用点位移曲线确定的水平临界荷载一致。第二个拐点对应的水平荷载为极限承载力，因此A2试桩和A3试桩的水平极限承载力分别为300 kN和360 kN，这也与水平力—时间—作用点位移曲线确定的水平极限承载力一致。

按JGJ 106—2003建筑桩基检测技术规范的规定，当水平承载力按桩身强度控制时，单桩水平承载力特征值为200 kN，也即取为水平临界荷载的统计值；当桩受长期水平荷载作用且桩不允许开裂时，单桩水平承载力特征值为160 kN，也即取为水平临界荷载统计值的0.8倍。由于桩身配筋率小于0.65%，按JGJ 94—2008建筑桩基技术规范的规定，单桩水平承载力特征值为150 kN，也即取为临界荷载的0.75倍。

3 结语

本文针对自重湿陷性黄土场地中的2根钻孔灌注桩开展了桩周黄土浸水饱和状态下的水平向静载荷试验，通过分析桩顶水平位移及各级荷载增量下的水平位移增量等的发展变化规律，得到以下主要结论：

1)荷载作用点处桩身水平位移随水平荷载的增加而增大。水平荷载较小时，相同水平荷载增量下的桩身水平位移增量较小，卸载后可完全恢复；随着水平荷载的增加，水平荷载增量下的桩身水平位移增量逐渐增大，卸载后恢复的桩身水平位移和残余位移均逐渐增加。

2)水平力—位移梯度曲线大体上呈三段折线形，且每段折线的斜率随水平荷载的增加而增大。

3)水平力—时间—作用点位移曲线出现拐点的前一级荷载为单桩的水平临界荷载，产生明显陡降的前一级荷载为单桩的水平极限承载力。水平力—位移梯度曲线的第一个拐点对应的荷载为水平临界荷载，第二个拐点对应的荷载为水平极限承载力。两种方法确定的临界荷载和极限承载力一致。