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湿陷性黄土场地湿陷下限深度与桩基中性点位置关系研究

2015-12-28 566 0

核心提示：黄雪峰1, 2，杨校辉2，殷鹤1，刘自龙2，周俊鹏1（1. 解放军后勤工程学院土木工程系，重庆 400041；2. 兰州理工大学土木工程学院

黄雪峰^{1, 2}，杨校辉²，殷鹤¹，刘自龙²，周俊鹏¹

（1. 解放军后勤工程学院土木工程系，重庆 400041；2. 兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050）

　　摘要：湿陷性黄土场地的湿陷下限深度与桩基中性点位置密切相关，为了解决桩基设计方案不当问题，如何准确判定湿陷下限深度显得十分重要。在系统分析并总结宁夏固原桩基系列浸水试验、兰州和平镇黄土浸水试验及其他地区桩基浸水试验研究成果的基础上，揭示了黄土湿陷下限深度与桩基中性点位置确定的相互关系，得出了以下研究成果：（1）指出了均质黄土现场浸水试验水的竖向渗透深度是有限的（一般为20～25 m），现场黄土湿陷发生的下限深度也是有限的，不宜按室内试验的湿陷系数确定的下限深度来直接评判；（2）给出了室内湿陷性评价试验中湿陷系数

或自重湿陷系数

随地区和深度变化的取值建议，同时，建议在湿陷量计算时引入深度修正系数和地基土浸水机率系数，初步给出大厚度湿陷性黄土场地不同地区湿陷下限深度评价系数

，可以有效减小湿陷性评价的室内外差异；（3）由室内试验计算确定的湿陷下限深度偏于保守，导致桩基设计过分夸大了负摩阻力的不利作用，造成桩基设计承载力偏低；（4）大厚度湿陷性黄土场地桩的中性点最深位置不宜大于20～25 m，湿陷性评价下限深度小于20 m的场地，宜按评价深度确定中性点位置；给出了桩侧负摩阻力估算方法，并建议桩基负摩阻力平均值取20～35 kPa为宜。
　　关键词：大厚度湿陷性黄土；湿陷下限深度；桩基负摩阻力；中性点；现场浸水试验
　　1 引言
　　随着桩基在湿陷性黄土地区的广泛应用，其中性点位置和负摩阻力取值不当问题日益突出，由此引发的建（构）筑物沉降、倾斜或开裂事故屡见不鲜[1－3]；另外，大多数工程迫于黄土层之厚、湿陷等级之高、湿陷量之大等因素，机械地采用桩基穿透湿陷性土层的方案来消除地基的全部湿陷性，造成了极大的浪费[4]。对此，不少学者在桩基负摩阻力的计算方面做了很大努力[5－8]，然而一些解析解尚无法直接应用；同时，部分学者通过公认的准确可靠的原位试验直接测得了桩基中性点和负摩阻力的时空分布规律，成果丰富、认识新颖[9－12]，但是尚未及时反映到现行规范中。例如，几个大型工程的现场浸水试验实测灌注桩的中性点位置超出了《建筑桩基技术规范》[13]提供的参考值范围，实测负摩阻力远高于《湿陷性黄土地区建筑规范》[14]建议的负摩阻力值[12]。
　　要系统解决桩基设计的负摩阻力计算问题，前提是准确确定中性点位置，而中性点位置确定的关键是正确评价湿陷性黄土场地实际发生湿陷的下限深度。然而，目前湿陷性评价的室内外差异较大，根据计算确定的湿陷下限深度偏于保守[16]，导致桩基设计承载力偏低[4]。为此，本文在总结宁夏固原桩基系列浸水试验和兰州和平镇黄土浸水试验以及其他地区桩基浸水试验成果的基础上，对大厚度湿陷性黄土场地湿陷下限深度评价、中性点位置确定和负摩阻力计算等问题进行了详细分析，研究结果可为大厚度湿陷性黄土场地地基处理、桩基设计及下一步的规范修订提供依据。
　　2 湿陷下限深度评价
　　2.1 现行黄土规范湿陷性评价的不足与建议
　　现行黄土规范[14]5.1.1条规定：对各类建筑采取设计措施，应根据场地湿陷类型、地基湿陷等级和地基处理后下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值或剩余湿陷量，结合当地建筑经验和施工条件等因素综合确定。也就是说，大厚度湿陷性黄土地区进行桩基设计的基本依据是黄土湿陷性评价，这包括对湿陷系数

、湿陷量计算值

或自重湿陷量计算值

、剩余湿陷量的计算及湿陷等级的判定。
　　然而，对国内典型现场浸水试验进行统计发现，室内计算自重湿陷量与现场实测自重湿陷量有较大的差异[15]，自重湿陷强烈的地区，计算值低于实测值；自重湿陷性低的地区，两者接近；非自重湿陷区计算值高于实测值。可见若严格按黄土规范计算自重湿陷量来进行湿陷性评价，则很可能造成误判，导致大量地基处理费用严重浪费[16]。
　　因此，通过近年研究，对于湿陷系数

，建议不要将其当作黄土湿陷与非湿陷评价的“永恒”界限；对于计算自重湿陷量的修正系数

与规范规定值的差异问题，建议不同地区、不同微结构类型土的湿陷性评价采用不同的湿陷系数代替

修正系数，这样可更好地反映湿陷性评价的特色。即湿陷系数

随地区变化为：陇西地区为0.010，陇东—陕北—晋西地区为0.012，关中地区为0.015，其他地区为0.020。考虑黄土规范[14]在计算湿陷量计算值

或自重湿陷量计算值

时，规定了湿陷系数

或自重湿陷系数

小于0.015的土层不累计；建议0.015这个判定标准在自基础底面至基底下15 m的范围内结合规范可继续使用；15 m以下可适当放宽，按不同深度对

进行修正，即土层每加深5 m、

放宽0.005，

= 0.015～0.030；针对有夹层(不连续)的土层，不必一味注重其湿陷系数的影响[16]。对此，郑建国等[17]建议在湿陷量计算公式中加入反映黄土湿陷分布不连续效应的系数，并在工程实践中总结其经验数据。
　　对于自重湿陷量计算值

或湿陷量计算值

与实测值差异问题，建议在湿陷量计算时引入深度修正系数，采用该方法可使湿陷量计算值接近实测值，并可以在一定程度上减小较深部位黄土的剩余湿陷量，达到减小地基处理深度的目的[18]。另外，对于现行黄土规范中考虑基底下受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数

不明确问题，建议湿陷量的计算值

按下式计算：

　　式中：

为第i层土的湿陷系数，按黄土规范4.3节规定试验取值；若基础尺寸和基底压力已知，也可采用

曲线上按基础附加压力和上覆土饱和自重压力之和对应的

值；

为第i层土的厚度（mm）；

为考虑基底下地基土的受力状态及地区等因素的修正系数，在缺乏实测资料时，可按下列规定取值：①基底下0～5 m深度内，取

=1.5；②基底下5～10 m深度内，非自重湿陷性黄土场地取

= 1.0，自重湿陷性黄土场地可取工程所在地区的

值，且不小于1.0；③基底下10 m以下至非湿陷性黄土层顶面，在自重湿陷性黄土场地，可取工程所在地区的

值。

为不同深度地基土浸水机率系数，在缺乏实测资料时，可按下列规定取值：①基底下0～10 m深度内，取

= 1.0；②基底下10～20 m深度内，取

= 0.9；③基底下20～25 m深度内，取

= 0.6；④基底25 m以下至非湿陷性黄土层顶面，在自重湿陷性黄土场地，取

= 0.3。但是，当地下水有上升可能或不可避免侧向浸水的影响区段，

均取1.0。
　　对于按规范由室内试验得出的剩余湿陷量和现场实测深层沉降差异较大、现行规范湿陷性评价偏严问题，建议在采取有效的综合处理措施（包括地基处理、防水措施、结构措施）之后，适当放宽对剩余湿陷量的要求，即甲类建筑可以不全部消除湿陷量，但须通过专家论证采取专门措施，而乙、丙类建筑可以对剩余湿陷量15、20 cm适当放松，具体地基处理厚度与剩余湿陷量控制建议见表1[16]。

表1 地基处理厚度与剩余湿陷量控制建议

湿陷性黄土层厚度/m	地基处理深度/m	剩余湿陷量/mm
湿陷性黄土层厚度/m	地基处理深度/m	乙类建筑	丙类建筑
0～10	3～5	0	100
0～10	6～8	100	150
10～20	8～12	150	200
10～20	12～15	200	300
＞20	15～20	300	400
＞20	＞20	＞300	＞400

　　2.2 湿陷性黄土场地湿陷下限深度评价
　　现行黄土规范[14]5.7.2条规定：在湿陷性黄土场地采用桩基础，桩端必须穿透湿陷性黄土层。结合已往大厚度自重湿陷性黄土的工程实践和理论研究，发现很多建构筑物基础以下的地基处理深度并不深，计算剩余湿陷量仍较大，但是在没有水的作用下，已运行多年也未发生地基湿陷事故。所谓大厚度湿陷性黄土是相对于中小厚度（小于15 m）湿陷性黄土而言的[15]。因此，大厚度湿陷性黄土场地地基处理是否必须完全消除地基土的湿陷性、采用桩基础时桩端是否必须穿透全部湿陷性黄土层，值得深思。
　　由2.1节可知，现行规范在湿陷性评价上存在诸多不足，早在宁夏固原系列试验中就已发现计算湿陷性土层下限深度为35 m，在浸水饱和65 d后，桩基中性点深度也仅位于19 m。那么如何准确把握湿陷性黄土场地的地基处理厚度与桩基设计方案？建议在对大厚度湿陷性黄土地基进行评价时，对其下限深度给予足够的重视，因为这也正是确定桩基正负摩阻力中性点的依据，对桩基设计和造价控制非常重要。
　　根据在兰州和平镇进行的“大厚度自重湿陷性黄土湿陷变形特性评价方法和地基处理合理方法研究试验”[19]发现，大厚度自重湿陷性黄土地基处理6～12 m进行深层浸水时，发生显著地基下沉；处理15～20 m时（剩余湿陷量远大于300 mm），地基沉降较小；处理深度大于20 m时，地基沉降可忽略。在试坑浸水时，深度22.5～25.0 m以上土体含水率增加较快，甚至达到饱和状态，见图1(a)、1(b)，以下土体含水率增加缓慢，根本达不到湿陷起始含水率和湿陷起始压力，基本没有发生湿陷，见图1(c)；通过和平镇试验可充分认为大厚度自重湿陷性黄土随着土体深度的增加，水分入渗深度有一个临界值，即超过此深度土体湿陷缓慢或基本不再湿陷，故可将22.5～25.0 m作为类似大厚度自重湿陷性黄土地基处理和湿陷性评价的临界深度[16]。

图1 探井12.5、20.0、32.5 m深处体积含水率变化曲线

　　结合目前国内可查浸水试验资料[15]，考虑到试坑浸水试验是在现场模拟黄土地基浸水后实际产生自重湿陷情况，而不是外荷作用下黄土地基浸水试验；采用现行的现场取原状样、室内试验确定的湿陷性黄土下限深度，准确性无法保证。根据大厚度湿陷性黄土地基部分研究成果[15－16, 18－20]和郑西客运专线多个现场浸水试验[21]分析，借鉴规范中因地区土质而异的修正系数

的确立思想，初步给出大厚度湿陷性黄土场地不同地区湿陷下限深度评价系数

，即不同地区湿陷下限深度实测值与计算值之间的比例系数，

可按下列规定取值：陇西地区取0.55～0.67（根据宁夏固原、兰州和平、甘肃定西等试验给出），陇东-晋西地区取0.6～0.85（根据甘肃庆阳、蒲城电厂、宝鸡第二电厂、山西太原等试验给出，但陕北地区尚无经验），关中地区取0.7～1.0（根据西安、陕西华阴和潼关等试验给出），缺乏经验地区暂取0.9～1.2；由此可知，随着黄土层厚度由西向东减小，湿陷下限深度评价系数

逐渐增大，符合客观事实。根据按取样深度确定的自重湿陷性黄土下限深度乘以系数

后，再适当考虑一定的安全系数，综合考虑2.1节建议，则可确定地基处理优化深度。规定湿陷下限深度评价系数可以在一定程度上减小地基处理厚度，在尽量满足规范的同时，又达到了节约工程地基处理费用的目的。
　　3 湿陷性黄土地区桩基负摩阻力现场浸水试验分析
　　3.1 湿陷下限深度与桩基中性点位置的关系
　　现行规范[13－14]对桩基设计的规定存在理论与实际之间的矛盾，如一些设计人员在某些工程中盲目增加桩长，桩端都选用非湿陷土层、砂砾石、中风化岩作为持力层，以致产生很大的浪费[4]。笔者在文献[12]中曾经指出，以往桩基负摩阻力试验所得负摩阻力的数值和中性点的位置离散性大，且各试验场地测得的负摩阻力值均高于黄土规范的建议值，中性点位置从0.34到0.85变化，远超出了桩基规范提供的参考值范围，即(0.5～0.6)×1.1 = 0.55～0.66。另外，负摩阻力大小和中性点的位置与场地的浸水过程、固结过程中的沉降、桩顶荷载等密切相关，如宁夏固原试验中ZH4随着浸水时间的增加，桩基中性点位置下移，正负摩阻力峰值增大；在饱和状态加载时，随着荷载的增大，桩基沉降大于桩周土沉降，中性点大幅上移，其中性点位置和负摩阻力演变特征见图2～4，这即说明了一般桩周土不可能长期处于浸水饱和时，桩基中性点不会再向下移动；但是随着桩顶荷载的增大，中性点会逐渐上移，即正摩阻力增大、负摩阻力减小，也就是说，桩基中性点位置的极限深度基本与大厚度湿陷性土层实际湿陷厚度一致，若桩基中性点位置仍按计算湿陷土层厚度计算，则只会造成大量桩基费用浪费。特别是在兰州和平试验中发现大厚度湿陷性黄土场地深度20 m以上土体含水率增加迅速且很快达到饱和状态，以下土体含水率增加缓慢且难以达到湿陷起始含水率，将22.5～25.0 m作为类似湿陷性黄土地基处理和湿陷性评价的临界深度[16]，

图2 ZH4桩在浸水与饱和状态的桩侧摩阻力

图3 ZH4在饱和状态加载时的桩侧摩阻力

图4 试桩ZH4中性点位置变化曲线

　　由此可得湿陷下限深度评价系数

=22.5÷36≈0.63，符合2.1节

取值范围规定，为桩基中性点位置研究提供了有力依据，可查湿陷性黄土场地桩基负摩阻力试验成果见表2。
　　3.2 桩基中性点位置确定
　　通过分析表2中性比数值可以发现，中性点深度L_n与湿陷性黄土层厚度L_o之比介于0.35～1.20 之间，远超出了桩基规范0.55～0.66的建议值，因此，当前桩基设计中“中性点的最大深度为湿陷性黄土层下限深度”的认识是不符合实际的。分析发现，湿陷性黄土场地桩基中性点位置与计算湿陷土层厚度的比值和湿陷下限深度评价系数取值基本一致，即陇西地区取0.55～0.67，陇东－晋西地区取0.6～0.85，关中地区取0.7～1.0，缺乏经验地区暂取0.9～1.2。另外，桩顶荷载的存在和浸水时间的增加也会使中性点上移，上移的幅度取决于桩顶荷载的大小、桩端土的性质及同期桩周土湿陷的速率，见图4。综上所述，确定了桩基中性点位置，则可准确计算桩基负摩阻力；且在地基土特性和桩基形状、截面尺寸、桩身材料一定时，单桩过长，承载力增加不大，由此可确定有效桩长，大大降低桩基工程费用。
　　3.3 负摩阻力的经验取值
　　由表2可知，实测负摩阻力界于14.2～54.0 kPa很大的范围之内，甘肃定西桩基负摩阻力试验的受试验布置、浸水情况及桩顶荷载作用等因素影响导致结果偏大。统计发现，试桩方法对桩基负摩阻力影响显著，悬吊桩负摩阻力最小，带桩顶荷载的摩擦端承桩或端承桩数值居中，无桩顶荷载作用的摩擦端承桩和端承桩数值最大。因此，湿陷性黄土地区，桩基负摩阻力取20～35 kPa是比较符合实际的，因为在实际工程中，桩顶往往承受较大荷载，且工作过程中浸水湿陷机率和湿陷量远不及现场注水湿陷充分，两个方面均使实际工作桩基的中性点上移，负摩阻力减小、正摩阻力增大。与汪国烈观点一致，即“目前规范对桩侧负摩阻力的规定，主要适用于单桩中的短桩，对工程中的多数情况则过分夸大了负摩阻力的不利作用”。

表2 湿陷性黄土场地桩基负摩阻力现场试验汇总表

试验地点	桩号	桩长/m	桩顶极限荷载/kN	桩径/m	桩类型	负摩阻力平均值/kPa	中性点深度/m	中性比L_n/L_o
宁夏固原	ZH3	40.00	8 400	0.80	端承摩擦桩	46.00	19.0	0.55
	ZH4	40.00	4 800	0.80	端承摩擦桩	33.10	18.0	0.52
	ZH5	20.00		0.80	悬吊桩	22.00
甘肃定西	SZ1	26.00	5 400	0.80	灌注桩	319.62(极限值)	16.0	0.50
甘肃定西	SZ2	29.00	4 200	0.80	灌注桩	586.68(极限值)	21.0	0.67
甘肃庆阳	SZ1	40.00	7 500	0.80	灌注桩	27.60	13.5	0.68
甘肃庆阳	SZ2	40.00	8 000	0.80	灌注桩	29.10	15.6	0.78
蒲城电厂	A1	40.00	6 000	D1.2D2.5	钻孔扩底桩	27.40	17.5	0.50
	A2	40.00	4 110	D1.2D2.5	钻孔扩底桩	43.60	25.0	0.72
	B1	32.00	4 800	D1.0D2.2	钻孔扩底桩	27.30	12.0	0.35
	B2	32.00	2 960	D1.0D2.2	钻孔扩底桩	44.90	21.0	0.60
宝鸡第二电厂	甲3	23.00	1 700	D0.6D0.8	扩底灌注桩	23.00	12.0	0.60
	甲1	23.00		D0.6D0.8	扩底灌注桩	49.00	17.0	0.85
	乙1	22.85	2 100	D0.8D1.2	扩底灌注桩	37.90	11.0	0.55
	乙3	22.85		D0.8D1.2	扩底灌注桩	37.40	15.0	0.75
山西太原	桩1	21.00	760	0.80	钻孔灌注桩	20.10	15.0	0.71
山西太原	桩2	24.00	880	0.80	钻孔灌注桩	31.10	14.0	0.63
西安		8.00		0.40×0.40	预制桩	14.20
陕西华阴	S1	60.00		1.25	灌注桩	48.00	25.0	1.20
陕西华阴	S2	60.00	5 400	1.25	灌注桩	54.00	25.0	1.20
陕西潼关	S3	60.00	3 000	0.80	灌注桩	23.00	17.0	0.89
	S4	50.00	2 000	0.80	灌注桩	29.00	16.0
	S5	60.00		0.80	灌注桩	25.00	24.0
河南灵宝	S3	60.00	3 000	0.80	灌注桩	18.00	18.0	0.74
	S4	50.00	2 000	0.80	灌注桩	28.00	18.0
	S5	60.00		0.80	灌注桩	24.00	28.0
注：L_n为中性点深度；L_o为湿陷性黄土层厚度。

　　4 桩基负摩阻力计算
　　当前湿陷性黄土地区桩基设计时，由室内试验计算确定的湿陷下限深度或中性点位置偏于保守，且负摩阻力取值偏大，造成桩基设计承载力偏低，导致大量基础工程费用浪费。对比桩基规范[13]，认为黄土规范在桩基础设计时需明确负摩阻力计算方法，即“在非自重湿陷性黄土场地，单桩竖向承载力的计算应计入湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力。在自重湿陷性黄土场地，自重湿陷性黄土层除不计内的桩长按饱和状态下的正侧阻力外，尚应扣除桩侧的负摩阻力”过于笼统。综上所述，对桩侧负摩阻力进行现场试验确有困难时，可按下式估算：

　　式中：

为计算单桩竖向承载力特征值时，与桩侧阻力取特征值相对应的负摩阻力取值；当按式（2）计算值对非挤土桩和挤土桩分别大于25 kPa和30 kPa时，分别取25 kPa和30 kPa。

为第i层土桩侧负摩阻力系数，对非挤土桩和挤土桩可分别取0.22和0.27；

为由桩周第i层平均上覆土饱和自重压力；

、

分别为第i计算土层和其上第m土层的饱和重度；

、

分别为第i层和第m层土的厚度。
　　结合经验必须指出的是，在湿陷性黄土地区多为摩擦桩，桩基设计时首先应考虑解决负摩阻力带来的沉降和不均匀沉降问题，其次才是承载力问题。
　　5 结论
　　（1）均质黄土现场浸水试验水的竖向渗透深度一般为20～25 m，因此现场黄土湿陷发生的下限深度也是有限的，说明现行规范关于湿陷性黄土场地湿陷性评价存在不足，不宜按室内试验的湿陷系数来直接评判湿陷下限深度。
　　（2）针对计算自重湿陷量的修正系数

与规范规定值差异的问题，给出了湿陷系数

或自重湿陷系数

随地区或深度变化的取值建议；针对自重湿陷量计算值

或湿陷量计算值

与实测值差异问题，建议在湿陷量计算时引入深度修正系数和地基土浸水机率系数；对于按规范由室内试验得出的剩余湿陷量和现场实测深层沉降差异较大、现行规范湿陷性评价偏严问题，建议在采取有效的综合处理措施之后，适当放宽对剩余湿陷量的要求。
　　（3）实际工程中的多数情况过分夸大了负摩阻力的不利作用，初步给出的大厚度湿陷性黄土场地不同地区湿陷下限深度评价系数

，可以有效解决因湿陷性误判导致的桩基设计承载力偏低问题。
　　（4）湿陷性黄土地区桩基中性点位置与计算湿陷下限深度的比值和湿陷下限深度评价系数

取值基本一致。大厚度湿陷性黄土场地桩的中性点最深位置不宜大于20～25 m，湿陷性评价下限深度小于20 m的场地，宜按评价深度确定中性点位置。
　　（5）桩基负摩阻力取20～35 kPa是比较合适的；对桩侧负摩阻力进行现场浸水试验确有困难时，可按本文方法对桩侧负摩阻力进行估算。
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（本文摘自第十二届全国桩基工程学术会议论文集）

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