厚层黄土地区钻孔灌注长桩的负摩阻力

张󰀁茜,孙学先

(兰州交通大学土木工程学院,兰州730070)

摘󰀁要:简单阐述了厚层黄土地区钻孔灌注长桩的一种施工方法,通过对桩基础在这种特定施工工艺下的受力分析,得出了成桩后先使黄土地基湿陷而产生的负摩阻力会对桩基后期承载力产生有利影响的结论。关键词:钻孔灌注长桩,负摩阻力,湿陷性黄土,承载力

中图分类号:TU473󰀁󰀁文献标识码:B󰀁󰀁文章编号:1004󰀁3152(2007)06󰀁0050󰀁03

特定的施工条件下,在施工前期让地基湿陷使桩周产

1󰀁引言

桩基础被广泛地应用于公路和桥梁建设中,尤其是在湿陷性黄土地区,更是被普遍使用。而在我国西北和华北十几个省区,黄土分布面积达64万平方公里之多,其中湿陷性黄土约占黄土总面积的四分之三,因此,桩基础成为这些地区建筑的主要基础形式。所谓湿陷性黄土是指在上覆土的自重压力或自重压力与附加压力共同作用下,受水浸湿后,土的结构受到破坏,发生显著下沉的黄土。当不太厚的湿陷性黄土层下埋有密实的卵石层或其它低压缩性土层时,桩基础可穿越黄土层,直接置于卵石层或其它坚实地层上。在这种土层中的桩基,如果湿陷性黄土遇水湿陷将对桩产生较大的负摩阻力,这些负摩阻力成为施加在桩上的外荷载,会增加桩的轴力和沉降,甚至有可能导致桥梁和建筑物的损害和破坏。但是对于厚层湿陷性黄土地基,当桩底地层不是密实的卵石层或其它坚硬的低压缩性土层时,黄土湿陷产生的负摩阻力并不一定都是有害的。即对于钻孔灌注长桩基础,在

生负摩阻力,这将会给桩的后期承载力带来有利的影响。本文就这一观点做简要的论述。

2󰀁负摩阻力产生的机理

湿陷性黄土具有不同于一般粘性土的特征:富含碳酸盐类且具有明显的结构强度,以非饱和、大孔隙为主,对水的敏感性强,一旦浸水,就会迅速发生强烈湿陷,土的结构强度明显降低,使桩周土体的沉降速率大于桩的沉降速率,此时桩周土体会对桩产生向下的摩阻力,即负摩阻力。通常情况下,负摩阻力的产生需要一定的条件,可以归纳为三类情况(图1):第一类为桩周土在自重作用下固结沉降或浸水导致土体结构破坏、强度降低而沉降(图1a);第二类为外界荷载作用或土体表面大量堆载导致桩周土压缩沉降(图1b);第三类为因水位下降导致有效应力增大而固结(图1c)。在湿陷性黄土地区,桩的负摩阻力的产生主要是桩周土体发生湿陷,即桩周土体相对于桩发生了向下的位移。

图1󰀁桩的摩阻力示意图

󰀁收稿日期:2006󰀁07󰀁19

󰀁作者简介:张茜,女,1982年生,就读于兰州交通大学土木工程学院桥梁工程专业,硕士研究生。

󰀁第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁张󰀁茜等:厚层黄土地区钻孔灌注长桩的负摩阻力51

水前。由于桩顶无垂直荷载,桩仅在自身重力作用下

3󰀁负摩阻力对桩的承载力的影响

在湿陷性黄土地区建桥,在钻孔灌注长桩施工时,考虑到黄土湿陷的特性,应先钻孔、下钢筋笼、灌注混凝土成桩,然后对桩周土进行深度浸水或钻孔注水,尽可能使会对桩基产生负摩阻力影响的土体充分发生湿陷,待湿陷稳定后再进行盖梁、桥梁墩台及上部结构的施工。

这一施工过程中的荷载传递可以分为三个阶段:

第一阶段:从桥梁桩基施工完成到对土体进行浸

产生很小的沉降,因此可以认为桩身与土体之间几乎不产生相对的位移,故桩侧阻力和桩端阻力可以近似视为零。

第二阶段:从开始浸水至浸水完成后地面沉降相对稳定。在对桩周土体进行深度浸水的过程中,随着土体的逐渐湿陷,桩侧产生负摩阻力。但由于桩顶无垂直荷载,桩的沉降量比较小,因此上部桩体与土层沉降量之差较大,故产生的负摩阻力值比较大。表1为在陕西省渭北黄土高原上做的试验测得的数据,试桩布置示意图及其他相关试验资料可参见文献[1]。

正摩阻力总值(kN)26401460

平均单位值(kPa)46.742.2

总值(kN)14701500

端阻力

平均单位值(kPa)300394

表1󰀁地层沉降稳定时试桩的中性点位置和负摩阻力值

负摩阻力

桩号

桩长(m)4032

中性点位置(m)25.021.0

与桩长的比例0.630.66

总值(kN)41102960

平均单位值(kPa)43.644.9

AB

󰀁󰀁从表1中可以看出,当土体湿陷完成、地层沉降稳定时,中性点的位置最深,此时负摩阻力值达到最大,平均单位负摩阻力为44kPa左右。在这个过程中,桩身下半部正摩阻力和桩端阻力逐渐产生并得到进一步发挥。当上部地层沉降稳定时,下部(中性点以下)土层平均单位正摩阻力达到45kPa,端阻力占负摩阻力总值的36%~51%。

根据桩在地层沉降稳定时的受力分析(如图2),可以列出平衡方程:

Ln为地面到中性点的深度;L为地面到桩底的深度;u为桩的截面周长;Ap为桩的截面积。

由式(1)可以看出,随着湿陷的发展桩侧负摩阻力Qs1逐渐增大,在地层沉降稳定时桩侧负摩阻力达到最大值,正摩阻力Qs1及桩端阻力Qpl1也呈逐渐增大的趋势,所以这一阶段的负摩阻力可以看成是预加在桩轴向的荷载,使桩产生沉降,引起桩底土压缩,在一定程度上提高了桩端土体的承载力。同时浸水以后由于土层固结压密,使桩的单位面积侧阻力有所提高。

第三阶段:地层稳定后,进行上部结构的施工直到桥梁竣工通车。这个过程相当于在桩基础顶部逐渐施加竖向荷载,随着荷载的增加,桩相对于周围土体发生向下的沉降,桩身上部前期产生的负摩阻力逐渐减少直到消失,而正摩阻力逐渐增大,同时桩端阻力也继续增大,直到上部作用的荷载达到运营阶段的设计荷载值,达到最后的稳定。

桩顶上部施工完成后,桩的受力如图3所示,则

+

-

图2󰀁地层沉降稳定时桩基受力示意图

平衡方程为:

P=Qs2+Qpl2

+

(3)(4)

Qs1=Qs1+Qpl1

u

-+L

(1)(2)

P=u

󰀂

0

Ln

q-s1dz=u

󰀂

+qs1dz+qpl1ApLn

󰀂

L

qs2dz+qpl2Ap0

+

式中:P为桩顶上部的全部荷载;Q+s2为施工完成后桩侧正摩阻力;Qpl2为施工完成后桩端阻力,其他符号含义同上。

+

式中:Q-s1为桩侧负摩阻力;Qs1为桩侧正摩阻力;Qpl1+

为桩端阻力;q-s1为桩侧单位面积负摩阻力值;qs1为桩

侧单位面积正摩阻力值;qpl1为单位面积桩端阻力值;

52土󰀁工󰀁基󰀁础󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2007󰀁

载力产生有利影响。

4󰀁结论

在桩基施工完成后,对湿陷性黄土进行大范围的浸水,导致地面沉降大于桩身沉降,从而使桩侧产生负摩阻力。通过对整个施工过程的受力分析可知,在这种情况下,负摩阻力对于桩基后期承载性能是有利

图3󰀁施工完成后桩基受力示意图

的,其作用可以概括为三个方面:一是负摩阻力的出现提高了桩侧土体的抗力,也提前加速了桩端土体的固结沉降,使桩端土体稳定,使用阶段沉降不会再继续增大;二是负摩阻力的形成相当于预先施加在桩身上的荷载,使得在施工过程中桩身最大轴力不是出现在桩顶处,而是在中性点处,这样能够防止在使用阶段桩身破坏;三是负摩阻力的存在使桩侧极限正摩阻力实质上是增大的,这样在使用过程中,不会引起桩基有效承载力的降低。从这个角度来看,负摩阻力对桩基的后期承载力是会产生有利影响的。

参

考

文献

从以上分析及式(4)可以看出,首先负摩阻力逐渐减小直至消失,正摩阻力不断增加,而其值相对于前期产生的负摩阻力值来说,是一个相当大的值。其次在陕西省渭北黄土高原上所做的试验测得,在最大加载时端阻力占总荷载的30%~40%,比浸水期间下降了20%左右,所以此时桩顶荷载主要是由桩侧正摩阻力承担,但桩端土的承载力在使用阶段是能够满足受力要求的。

根据 建筑桩基技术规范!(JGJ94-94),单桩竖向极限承载力的计算公式可表示为:

Qu=Qs+Qp=u∀qsili+qpAp

i=1n

[1]󰀁李大展,滕延京,何颐华,隋国秀.湿陷性黄土中大直径扩底桩垂

(5)

直承载性状的试验研究[J].岩土工程学报,1994,16(2)

[2]󰀁时伟,刘继明,王磊.湿陷性黄土中单桩竖向承载力的发挥性状

分析[J].青岛建筑工程学院学报,2003,24(1)

[3]󰀁张献辉,高永贵.自重湿陷性黄土中大直径桩荷载传递机理试验

研究[J].西安建筑科技大学学报,1996,28(4)

[4]󰀁陈兴坤.基桩中负摩阻力的影响及其对策[J].岩土工程界,2007

(5)

󰀁󰀁通过与(2)式和(4)式进行比较分析可知,(5)式中桩侧极限正摩阻力应该是大于浸水阶段产生的桩侧负摩阻力值与加载阶段的正摩阻力值之和的,故单桩竖向极限承载力也相应地有所提高。

󰀁󰀁所以如果黄土地区的桩基础按照上述过程进行施工,在运营使用阶段,负摩阻力将会对桩基础的承

TheDiscussionAboutNegativeFrictionatLong󰀁boredPileinDeepLoess

ZHANGQian,SUNXuexian

(SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,GansuLanzhou730070,China)

Abstract󰀁Aconstructionprocessoflong󰀁boredpileindeeploessisintroducedsimply.Throughthemechanicalanalysistothepilefoundationinthespecialprocessofconstruction,itisconcludedthatthenegativefrictionoflong󰀁boredpilefromcollapsibilityofloesshascontributiontothelatebearingcapacityofpile.

Keywords󰀁long󰀁boredpile,negativefriction,collapsibleloess,bearingcapacity