易 聃

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原 030006)

0 引言

鄭西客運(yùn)專線是徐州至蘭州快速客運(yùn)通道的中段，東起鄭州市，西至西安市，正線全長(zhǎng)約458．886 km。豫西及關(guān)中地區(qū)橋梁大都位于濕陷性黃土分布區(qū)，濕陷性土層厚度在10 m～25 m，部分地段濕陷性黃土厚度大于25 m。黃土具有濕陷土層厚度大、濕陷等級(jí)高、濕陷性敏感、伴生不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育等特征。

由于濕陷性黃土是具有強(qiáng)烈結(jié)構(gòu)性的欠壓密土，相應(yīng)的地基變形包括壓縮變形和濕陷變形兩種，其中壓縮變形由上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載所引起，當(dāng)基底壓力不超過地基土的容許承載力時(shí)，地基的壓縮變形很小，一般能滿足其對(duì)沉降變形的要求;濕陷變形則是地基被水浸泡后所引起的一種附加變形，往往具有局部性和突發(fā)性。地基的濕陷變形一般很不均勻，常對(duì)橋涵等構(gòu)(建)筑物造成危害，對(duì)鐵路工程建設(shè)的潛在威脅很大。

根據(jù)濕陷性黃土的特性，在黃土濕陷時(shí)將會(huì)對(duì)樁產(chǎn)生負(fù)摩擦力。樁基負(fù)摩擦力可能發(fā)生在施工過程、使用前或橋梁運(yùn)營階段的使用過程，發(fā)生在使用過程最為不利。對(duì)于摩擦樁，負(fù)摩阻力將會(huì)引起附加沉降。如果各個(gè)橋墩下各樁基都有負(fù)摩擦力，將會(huì)引起橋梁整體沉降，影響橋梁與路基的平滑過渡;如果部分橋墩下樁基發(fā)生負(fù)摩擦力，將會(huì)引起橋墩之間的不均勻沉降。不管哪種沉降，超過一定限度后，都會(huì)影響到客運(yùn)專線行車高速性、安全性以及平穩(wěn)舒適性的使用要求。

豫西及關(guān)中地區(qū)原設(shè)計(jì)橋梁鉆孔樁最大樁長(zhǎng)為80 m，考慮基坑開挖深度，鉆孔深度最大可達(dá)到86 m以上，而目前國內(nèi)旋挖鉆機(jī)的最大鉆孔深度只有65 m左右，無法一次鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)孔深。在前期組織試樁時(shí)，采用套鉆的方法才達(dá)到設(shè)計(jì)孔深，即先采用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)到65 m深度后，改用普通回旋鉆機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)孔深，一個(gè)鉆孔需要8 d～10 d才能完成，功效非常低。

因此，濕陷性黃土地區(qū)鉆孔樁受力一般以摩擦樁為主，其中負(fù)摩擦力的確定對(duì)確定樁的總長(zhǎng)度起決定作用，需要在現(xiàn)場(chǎng)通過試驗(yàn)來確定黃土的濕陷性對(duì)樁的影響。在設(shè)計(jì)與施工工藝選擇中，要充分考慮到負(fù)摩擦力的影響以及掌握樁的承載力和沉降大小。通過測(cè)試鉆孔樁的承載力，然后減短樁長(zhǎng)，從而方便現(xiàn)場(chǎng)施工是非常必要的。

1 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容和方法

通過濕陷性黃土地區(qū)鉆孔樁承載力試驗(yàn)研究，確定鉆孔樁的施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù):

1)進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)確定單樁豎向抗壓極限承載力值，進(jìn)行單樁水平靜載試驗(yàn)確定單樁水平極限承載力值。

2)預(yù)先在鉆孔樁內(nèi)埋設(shè)鋼筋計(jì)，在進(jìn)行單樁豎向靜壓試驗(yàn)時(shí)通過鋼筋計(jì)測(cè)樁周摩擦力，對(duì)樁的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3)會(huì)同設(shè)計(jì)單位對(duì)集團(tuán)公司鄭西項(xiàng)目鉆孔樁的樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高施工效率和項(xiàng)目效益。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在中鐵三局管段內(nèi)共進(jìn)行9座橋梁18根試樁試驗(yàn)研究，以棗香河特大橋(中心里程DK307+208．7)為例進(jìn)行敘述，棗香河特大橋進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)2組，試樁編號(hào)為26-1號(hào)、26-2號(hào);水平靜載試驗(yàn)1組，編號(hào)為26-1號(hào)，在26號(hào)橋墩右側(cè)距右線中心線10 m處進(jìn)行，摩阻力測(cè)試樁為1根試樁，編號(hào)為26-2號(hào)。

2．1 試樁設(shè)計(jì)

樁頂標(biāo)高為326．936m，樁長(zhǎng)為43．37 m，樁徑為1 250 mm，設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓極限承載力值為10 000 kN。錨樁樁頂標(biāo)高和樁徑與試樁相同，樁長(zhǎng)為30．00 m。

2．2 試樁樁帽加固

由于試樁長(zhǎng)度大，故樁頂混凝土浮漿厚度較大，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，試樁樁帽加固需在鑿除試樁浮漿后進(jìn)行，樁徑1 250 mm，1 000 mm的試樁加固高度1．00m(同預(yù)留筋長(zhǎng)度)，采用φ1 250 mm，1 000 mm，厚度10 mm，長(zhǎng)度1．00m的鋼護(hù)筒，搭接處需焊接牢固。在1．00 m內(nèi)設(shè)6道加勁筋(φ16@200)，5層網(wǎng)片(φ16@200)。樁帽部分混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45。

樁徑800 mm的試樁加固高度1．00 m(同預(yù)留筋長(zhǎng)度)，采用φ1 000 mm，厚度10mm，長(zhǎng)度1．00m的鋼護(hù)筒。其他與φ1 250mm，1 000 mm樁帽相同(見圖1)。

圖1 試樁錨樁平面位置圖（單位：mm）

2．3 錨樁設(shè)計(jì)

1)錨樁抗拉鋼筋。

經(jīng)過計(jì)算，錨樁配筋如下:試驗(yàn)荷載為10 000 kN時(shí)，采用20φ25鋼筋，加勁筋φ16@2 000，螺旋筋φ10@200。試驗(yàn)荷載為13 000 kN時(shí)，采用主筋26φ25，加勁筋φ16@2 000，螺旋筋φ10@200。

2)錨樁長(zhǎng)度。

錨樁直徑同試樁。經(jīng)計(jì)算確定各類型錨樁長(zhǎng)度如下:a．φ800 mm、試驗(yàn)最大加載為10 000 kN時(shí)，長(zhǎng)度不小于50．00 m。b．φ1 000 mm、試驗(yàn)最大加載為10 000 kN時(shí)，長(zhǎng)度不小于45．00 m;最大加載為13 000 kN時(shí)，長(zhǎng)度不小于50．00m。c．φ1 250 mm、試驗(yàn)最大加載為10 000 kN時(shí)，長(zhǎng)度不小于30．00 m。d．在滿足試驗(yàn)要求的前提下，為節(jié)約鋼筋，錨樁樁身下部1/3長(zhǎng)度的主筋數(shù)量比上部2/3減半;預(yù)留筋長(zhǎng)度不小于1．50 m。

3 試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)分析

3．1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1和圖2～圖5可知，2根試樁荷載(Q)—沉降(S)曲線均未出現(xiàn)明顯陡降段;沉降(S)—時(shí)間(lg t)曲線尾部均未出現(xiàn)明顯向下彎曲段，表明樁的承載力未達(dá)到極限狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判定，在天然狀態(tài)下，單樁豎向極限承載力值Qu≥10 000 kN。荷載10 000 kN對(duì)應(yīng)沉降量26-1號(hào)樁為3．155 mm，26-2號(hào)樁為3．870 mm。根據(jù)以上分析，單樁豎向極限承載力取值見表2。建議本橋位單樁豎向極限承載力值Qu取10 000 kN。

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)沉降量匯總表

表2 單樁豎向極限承載力取值表

圖4 26-1號(hào)沉降（S）—時(shí)間（lg t）曲線

圖5 26-2號(hào)沉降（S）—時(shí)間（lg t）曲線

3．2 單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3和圖6，圖7可知，26-1號(hào)樁:水平力(H)—時(shí)間(t)—作用點(diǎn)位移(Y0)曲線有明顯陡降段;水平力(H)—位移梯度(ΔY0/ΔH)曲線存在第二拐點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判定，在天然狀態(tài)下，單樁水平極限承載力值Hu=900 kN，對(duì)應(yīng)水平位移為9．040 mm。根據(jù)以上分析，單樁水平極限承載力取值見表4。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議本橋位單樁水平極限承載力值Hu取900 kN。

3．3 摩阻力試驗(yàn)結(jié)果

從圖8，圖9可見，試樁在5 000 kN作用下，摩阻力主要分布在地面以下25 m范圍內(nèi)，其后隨著樁身長(zhǎng)度的增加，摩阻力逐漸減小。在樁深度25 m以下，側(cè)摩阻力僅為7 kPa以下。沿樁身的平均摩阻力為30 kPa，其中地面以下25m范圍內(nèi)的平均摩阻力為50 kPa。

試樁在10 000 kN作用下，摩阻力主要分布在地面以下30 m范圍內(nèi)，其最大摩阻力為125 kPa，此范圍以下側(cè)摩阻力很小，為15 kPa以下。沿樁身的平均摩阻力為40 kPa，其中30 m范圍內(nèi)的平均摩阻力為55 kPa。

圖6 水平力（H）—時(shí)間（t）—作用點(diǎn)位移（Y0）曲線

圖7 水平力（H）—位移梯度（ΔY0/ΔH）曲線

表3 水平靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表4 單樁水平極限承載力取值表

在5 000 kN樁頂力作用下，摩阻力約占99%，為純摩擦樁;在10 000 kN樁頂力作用下，摩阻力約占71%，樁端反力約占29%。

4 結(jié)語

1)對(duì)于長(zhǎng)大樁，試驗(yàn)表明樁端土不發(fā)生整體剪切破壞，而由土的壓縮機(jī)理起主導(dǎo)作用。即隨著荷載的增加，樁底以下土體產(chǎn)生豎向和側(cè)向壓縮，由此排出的土體積足可以容納樁端的下沉體積，而不會(huì)導(dǎo)致土體形成通向樁端平面以上的連續(xù)滑動(dòng)面。這種以壓縮機(jī)理起主導(dǎo)作用的漸進(jìn)破壞，Q—s曲線表現(xiàn)為緩變型，無明顯特征點(diǎn)，因此，極限承載力或者容許承載力的確定一般應(yīng)以位移控制。

圖8 26-2號(hào)試樁樁身軸力分布圖

圖9 26-2號(hào)試樁樁身摩阻力分布圖

2)綜合9座特大橋的試樁情況，樁的承載性狀屬于摩擦樁類型。樁身的摩阻力主要集中在樁長(zhǎng)的2l/3范圍內(nèi);樁身摩阻力超過2 l/3后，摩阻力很小，可以忽略不計(jì)。一般樁頭5 m范圍內(nèi)摩阻力可以忽略;在5 m～40 m范圍內(nèi)，摩阻力極限值可以按70 kPa來考慮;對(duì)于深度超過40 m的范圍，摩阻力不能夠得到發(fā)揮，可以忽略不計(jì)以策安全。對(duì)于軟塑～流塑狀的淤泥質(zhì)土，建議不計(jì)樁側(cè)摩阻力。絕大部分樁端阻力占30%左右。3)試驗(yàn)表明摩擦型樁基承載力容易得到滿足，除抗震特殊要求外，在少量擴(kuò)大樁徑樁長(zhǎng)可較大幅度減少，提高施工效率和項(xiàng)目效益。從客專正常運(yùn)營角度來說，難點(diǎn)是控制樁的沉降。為了安全起見，建議進(jìn)行樁基沉降計(jì)算與實(shí)際觀測(cè)。

［1］鄭西客運(yùn)專線第Ⅳ標(biāo)段特大橋鉆孔灌注樁單樁靜載試驗(yàn)報(bào)告［R］．太原:中鐵三局集團(tuán)有限公司，2006．

［2］鄭西客運(yùn)專線ZXZQ04/09標(biāo)段橋梁鉆孔灌注樁摩阻力測(cè)試分析報(bào)告［R］．太原:中鐵三局集團(tuán)有限公司，2006．

［3］黃雪峰，馬良榮，張建華．濕陷性黃土嵌巖灌注樁對(duì)側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］．陜西建筑，2010(12):55-59．

［4］黃雪峰，陳正漢，哈 雙，等．大厚度自重濕陷性黃土中灌注樁承載性狀與負(fù)摩阻力的試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(3):338-346．