湿陷性黄土地区桩基设计方法

湿陷性黄土地区桩基设计方法

研 究 报 告

陕西省公路勘察设计院

2003年10月

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目 录

第一章 课题研究背景…………………………………….1 第二章 现行设计计算方法评价………………………….8 第三章 设计计算方法……………………………………25

§1设计计算参数……….25 §2 中性点位置的确定………33

§3 设计计算方法………………………………...36 第四章 对比分析…………………………40

§1与仿真成果对比……………..…….40

§2 与实体工程对比……………………………………..47 第五章 减小负摩阻力的措施………………………………..56 第六章 结论与建议………………………………..56

参考文献

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第一章 综述 §1 桩基设计历史与现状

一、桩基设计历史回顾

桩基础是最古老的基础形式之一。早在有文字记载之前，人类就懂得在地基条件不良的河谷和洪积地带采用木桩来支撑房屋。公元前206年到公元200年的汉朝，我们的祖先在桥梁建设上就有使用过木桩基础的悠久历史。1959年河南黄县利用打井锥具钻孔，创造了钻孔灌注桩。后来，随着社会主义建设的发展，又根据地质条件和施工工艺，发展了钻、挖、冲孔灌注桩和暴扩桩，桩型多样化，直径向大型化发展，桥梁和高层建筑已用到直径为3.0m和3.2m的灌注桩。就打入桩来说，我国30年代建造的钱塘江大桥，就采用过木桩和钢筋混凝土桩基础，桩型也多样化，有管桩、方桩、三角桩、锥形桩、上部为钢筋混凝土，下部为H型钢桩的组合桩；就桩的长度来说，有整根预制的，有分段预制拼接成的。为了解决钢管桩用钢量大、易锈蚀和造价高的缺点，在“六五”和“七五”期间，又研制了直径1.2m和直径1m的后张法预应力大管桩，应用于码头和海洋工程。在我国，打入桩与灌注桩的应用同时并举，一般陆上的桩基工程，如工业与民用建筑以灌注桩为主，海上或内河港口工程和固定式海上平台的桩基工程以打入桩为主。

单桩轴向承载力的确定，50年代初期多采用自苏联规范。由静力公式计算单桩承载力时，多采用巴塔列夫经验公式；用动力公式时，

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多采用格尔塞万诺夫公式。解放后，我国在天津、连云港、上海、湛江、镇海以及长江中下游的杨泗庙、裕溪口、马鞍山、镇江等地建造许多码头，这些工程中的桩基承载力，大都通过静载荷的试桩来确定。70年代末，80年代初，我国制定了第一部港口工程桩基规范，规范中推荐的桩侧摩阻力和桩尖端阻力是根据120根钢筋混凝土打入桩试桩资料分析整理而得的。根据近年来桩基可靠度的分析核算，认为该规范桩基承载力的安全水准基本上是合理的。根据水上桩基工程受水文、气象等自然因素影响的特点，规范中第一次提出了应用快速维持荷载试验法进行试桩的规定。1990年冶金工业建设灌注桩基础设计与施工规程，对桩侧摩阻力和端阻力，在分析比较国内试桩的基础上，提出了建议值。1989年上海地基基础设计规范，根据该地区丰富的静力出探资料与静载试桩对比资料，在国内第一次把静力触探引入到地基规范。至于抗拔单桩承载力方面，1985年，在制定我国干船坞设计时，对抗拔桩的破坏机理、承载力和桩的优化入土深度都一一进行了研究，并放入规范。对桩的轴向承载力的安全系数，在近年来对桩的轴向承载力进行可靠度分析的基础上，在国内首次采用了分项安全系数。

50年代以前，建筑物的水平力一般由斜桩来承受，直桩不考虑水平力的作用。50年代后，考虑了土的抗力，但是多采用苏联安格尔斯基的方法。60年代以后，由于采用了钻孔桩多为竖直的，考虑桩的水平承载力势在必行，铁路和公路桥梁首先采用了m法、C法，港工桩基规范也采用了m法和张有龄法。但上述方法均为单一参数

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法，对桩在地面处的挠度、转角和桩身弯矩及其所在位置与试桩实测值只能凑合到较近似的程度而不能全部符合。80年代吴恒立教授提出了综合刚度原理的双参数法，改进了上述各法的缺陷和不足，但必须要有试桩资料。70年代美国石油协会广泛采用P-Y曲线来设计海上平台的桩基。挪威在海上平台的桩基设计中也采用了P-Y曲线；80年代我国也对P-Y曲线进行了研究，并引入到海上桩基工程的设计。P-Y曲线法保证了桩土之间的变形协调，适用于线性与非线性，静载与循环荷载，避免了现行单一参数法的缺陷，只要有土工指标，在不作试桩的情况下，均可获得与桩的实际受力相近的成果。 二、桩基设计现状

如今，桩型及施工工艺的不断推陈出新、千变万化，量变的结果导致了质变，无论是在桩基的有关理论概念上抑或是桩的效用上都产生了许多实质性的变化，桩的应用及成桩工艺比过去更为多样化和复杂化。特别是在桩基设计和施工领域中提出了许多暂新的甚至是离经叛道的概念，例如疏桩理论，桩基逆作法，热加固成桩等等。在桩的应用上，除了承受竖直荷载外，还用以承受斜向的甚至是水平的荷载，而在有些情况下，桩仅用于改善桩周围土的承载力，而不是由桩直接承担结构物的荷载。

随着桩基技术的改良和发展，桩已不只是单独地被应用，在许多情况下，它与其他地基础形式或工艺联合应用，例如化学灌浆排桩联合护壁等，以适应上层建筑的超重载荷、深基坑开挖等的需要。此外桩的发展趋向表明，桩身的超高强度、大桩径、超长、无公害沉桩工

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艺以及完美的施工控制技术等已成为未来桩基改良和发展的内容。

桩基设计及施工规范化已受到工程界的高度重视，有关各种桩系的规范正在陆续制定和推出，规范的巨大作用和重要的工程意义已在现代的桩基工程中获得充分证明。桩基工程的施工监测和检测应工程的需要已形成一项相当丰富有效的技术，此外，还出现了一个新兴的建筑机械行业——桩工机械行业，该行业方兴未艾，正进一步向大型化发展。

§2 课题研究背景

尽管桩基设计及施工在世界范围内发展迅速，然而由于现在对桩的承载能力要求的不断提高，随之也出现了一些问题，比如较为严重的黄土湿陷，桥梁设计规范中一直没有明确的设计要求，而我国现在正在进行西部大开发，因此湿陷性黄土地区桩基的设计问题成为迫切需要解决的问题。

所谓的湿陷性是指黄土在自然状态下受到地表水的侵蚀，黄土中的易溶盐类（如碳酸盐等）溶解，颗粒间的胶合作用力遭到破坏，土粒在水中悬浮。再次沉积过程中，土粒碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，土粒就停留在最初的位置上不再下沉，形成蜂窝状结构。该结构为水的进一步侵蚀创造了条件，使空隙之间连通、扩展，形成大孔隙、陷穴。在外荷载作用下，土体结构遭到破坏，发生大量而剧烈的变形，强度也随之降低。

湿陷性黄土不仅具有湿陷性，而且有直立性、膨缩性、崩解性、难压实、受含水量影响比较大等特点。在天然含水量状态下，湿陷性

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黄土具有较高的强度和较小的压缩性，能支撑垂直边，天然陡壁多呈近90°的边坡，即具有直立性。膨缩性是指湿陷性黄土遇水膨胀,干燥后收缩,多次反复形成裂纹并剥落,影响路基稳定。所谓崩解性指湿陷性黄土浸入水中,很快就会崩解,进而影响路基强度和稳定。由于湿陷性黄土最大干密度、最佳含水量较高，较难达到规范要求的碾压密实条件。湿陷性黄土对含水量影响相当敏感，含水量小，则容易扬尘。含水量大于最佳含水量，则容易翻浆，适宜压实的含水量为最佳含水量的+0.5%～-2%。

黄土湿陷又分在自重压力下发生的自重湿陷和在外荷载作用下发生的非自重湿陷。非自重湿陷比较普遍,对工程建筑的重要性也较大。黄土是否具有湿陷性,应按室内压缩试验判定,即在一定压力下测定其湿陷系数δＳ,当δＳ≥0.015时,认为该黄土为湿陷性黄土;当δＳ<0.015时,则为非湿陷性黄土。对湿陷性黄土,根据基底下各土层累计的总湿陷量和计算自重湿陷量的大小等因素,又分为Ｉ级(轻微)、Ⅱ级(中等)、Ⅲ级(严重)和Ⅳ级(很严重)。湿陷等级愈高,对结构的负面影响愈大。天然条件下,黄土被浸湿有两种情况,一是地表水下渗,另一是地下水位升高,一般前者引起的湿陷性要强些。黄土湿陷量的大小与黄土的地质年代、成因、矿物(包括粘土矿物)成分、粘度结构、受水浸湿程度、湿陷性黄土厚度有关。通常,黄土的天然含水量愈小,所含可溶盐特别是易溶盐愈多,孔隙比愈大,干容重愈小,则湿陷性愈强。

我国是世界上黄土分布面积最大的国家,在黄土地区修筑铁路、公路或进行其它工程建筑,经常会遇到黄土的湿陷性问题,建筑在湿陷

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性黄土地基上的桥涵,尤其是部分小桥涵,由于种种原因导致基底进水,触发了黄土湿陷,从而导致桥涵不均匀沉陷以致结构破坏是屡见不鲜的。因此,必须查清建筑地区黄土是否具有湿陷性及湿陷性的强弱,以便有针对性地采取相应措施。

我国黄土分布面积约64万kｍ2,广泛分布于西北、华北、山东、内蒙及东北等地区,主要分布于黄河中游的陕、甘、青及山西、河南等地,这些地区黄土分布面积广,厚度大,地层发育全面而连续,有黄土高原之称。各地区黄土厚度不同,以黄土高原厚度最大,陕甘地区黄土厚达100～200ｍ,其它地区黄土厚度一般从几米到数十米,很少超过30ｍ。并非所有黄土都具有湿陷性,我国湿陷性黄土一般分布在中更新世(Ｑ2)上部、晚更新世(Ｑ3)及全新世(Ｑ4)等地层中。一般老黄土(午城黄土及离石黄土大部)无湿陷性,而新黄土(马兰黄土及新近堆积黄土)及离石黄土上部有湿陷性。因此,湿陷性黄土多位于地表以下数米至十余米,很少超过20ｍ厚,在这一带地区及土层中修建工程建筑物,就应充分考虑湿陷性的影响，尤其是湿陷性黄土作为桥涵建筑物地基,严重影响工程建筑物的正常使用和安全,能使建筑物开裂甚至破坏。

§3 主要研究内容

随着西部大开发战略的实施,该地区正陆续修筑一大批高速公路,不少工程在实施过程中出现了不同程度的湿陷破坏事故。高速公路路基及其构造物对沉降变形和差异沉降均具有较高的要求,因此在湿陷性黄土地区的高速公路建设中,为确保公路路基及其构造物的安全和正常使用,黄土地基的湿陷性必须引起高度重视,并在结构物设计时

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给以科学考虑。目前,公路部门没有专用的有关湿陷性黄土地基处理方面的设计规范,国标《湿陷性黄土地区建筑规范》(ＧＢＪ25-90)也因公路的地基特性、结构特点、构造物使用要求等和工业民用建筑之间存在很大的差异而无法直接应用,公路湿陷性黄土地基的设计与施工基本上处于无章可循的状态。参照国内外有关湿陷性黄土地基的有关规范、规程要求,借鉴黄土地区已建或在建公路项目在湿陷性黄土地基设计与施工方面取得的经验,对高速公路湿陷性黄土地基的结构物设计进行详细的陈述。

本课题首先着重分析建造在湿陷性黄土地基上的二连浩特～河口国道主干线禹门口～阎良高速公路的芝川河特大桥桩的现场试验数据，并将其与理论计算进行比较，从理论上得出因黄土湿陷性引起的桩的负摩阻力对桩设计长度的影响，并较准确地推导出较为适用的负摩阻力的理论计算公式及负摩阻力作用下桩的极限承载力。从而得出一套更接近实际的理论计算公式，为今后的计算提供理论依据。

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第二章 黄土地区桩基试验分析

这里主要依托处于湿陷性黄土地区的芝川河特大桥，通过该地区的黄土湿陷性对桩的影响详细讨论负摩阻力及其相关计算公式。 一、工程概况及地质情况

芝川河特大桥是二连浩特～河口国道主干线（GZ40）禹门口～阎良高速公路上的一座特大桥梁，该桥起点桩号K27+081.00，终点桩号左半幅为K30+115.190，右半幅为K30+120.843，桥梁总长：左半幅3034.190m，右半幅3039.843m。主桥为12联主跨50m预应力混凝土T梁，跨径分割为12×（4×50）m，引桥为四联跨径30m预应力连续箱梁，跨径为3×（5×30）+6×30m。桥梁下部结构采用桩基础，每幅承台下布置9根60余米、直径1.5m的桩基。

芝川河特大桥位于韩城市芝川镇东少梁，居河自北向南由芝川河特大桥下通过，于下游1km处汇入黄河。总体地势，东西两侧高，中间低平，两端黄土梁标高分布为464.0m和421.0m，中间滩地标高359.0m，相对高差达百余米。

K27+000～27+210黄土台塬段分布于居河东岸，塬面开阔而平坦，地形稍有起伏，标高464.0m。与高漫滩呈陡坎或陡坡相接，高差约100m，上部地层为黄土，层厚约29.4m，下部地层为冲积细砂、粉土，层厚30m，坎前分布有坡积物；k27+455～k30+160高漫滩段分布于居河两侧，呈带状，宽约2245m，标高360.7～359.7m，滩面平坦，由粉土、砂类土组成，夹有淤泥质土和粉质粘土，厚16.0～33.6m，居河分布有卵石、砾石，厚度达10余米，其下为细砂、粉质粘土，厚

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约25m，底部为细砂，夹有薄层粘性土和卵石；k27+210～k29+455黄土台塬段分布于居河右岸，由于沟谷切割，塬面破碎，呈不规则的条带状或块状分布，与高漫滩的高差约28～62m，上部为黄土，层厚约35m，下部为粉质粘土和砂土。 二、试验方案设计

本试验是对5合同段桩基的承载性状进行分析，其里程范围为k29+455～30+160范围，该地属湿陷性黄土，层厚约为15m，下部为粉质粘土和细砂。

实验中拟做两根试桩,两根桩均采用旋转钻孔，桩径为1.2m，孔径

为1.26m。桩径均为1.2米，桩长35米。实验中用三根锚桩。锚桩的直径为1.2米，桩长35米。试桩中钢筋的布置同工程桩。所不同的是：自桩底1.0米起，每一米需在对称方向上布置两个钢筋应力计。（钢筋应力计沿桩长方向布置于主筋上。）另外，在桩头以下120cm这段桩身所用混凝土强度不低于40号。为加强桩顶的混凝土抗压能力，在桩顶面以下5cm处开始布设三层间距为10cm的钢筋网。

根据岩土工程勘察报告，由经验公式初步估算出试桩的极限承载力，约800吨。两锚桩的设计抗拉拔力为500吨。 三、试验目的

湿陷性黄土地区的桩基研究是我国现如今在进行西部大开发迫切需要解决的问题。分析黄土层在各级荷载作用下桩土之间的作用机理、湿陷地区干燥状态及浸水状态单桩竖向承载力变化情况，判明各种情况下工程用桩的桩侧摩阻力、桩底反力，验证考虑黄土湿陷桩的

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合理加长参数，进一步优化桩基础设计，获得在设计荷载作用下桩基产生的沉降变形，为桥梁上部结构的施工控制提供合理的控制指标，确保芝川河大桥的设计、施工的合理性。同时研究湿陷性黄土湿陷范围及负摩阻力的大小与分布，为陕西等省桥梁桩基设计与施工提供一套合理的设计技术指标，确定黄土地区的合理桩深，为设计部门提供在同类地质条件下更为可靠的基础计算参数。 四、试验测试内容

试验测试内容包括桩顶沉降、桩身截面应力应变及钢筋应力。 桩顶沉降测试是测读每级荷载作用下桩顶的沉降变形量。试验中以两根工字钢作为基准梁，上置磁性表架以固定百分表，并为每个百分表设置一个摄像镜头，采用远程读数系统，通过切换器上直接采集百分表读数形成桩顶位移测试系统，试桩顶上共设置4只百分表；锚桩顶面位移可采用精密水准仪进行检测。

在测试过程中先直接在桩顶加荷载，使桩承受荷载，进行一次测读，接着将桩浸水，当达到一定试验要求时再加载进行一次测读，并将试验数据记录整理。

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五、试验数据

表 2-1 5标2号桩浸水状态侧摩阻力成果表 第1页共2页 埋深(m) 800kN 1600 kN 2400 kN 3200 kN 4000 kN 4800 kN 5600 kN 6400 kN 7200 kN 800 0kN 8800 kN l.00 –1.66 –5.56 –7.80 –8.39 –12.88 –8.54 –2.99 –1.74 –6.61 1.52 4.70 2.00 –1.66 –5.56 –7.80 –8.39 –12.88 –8.54 –2.99 –1.74 –6.61 1.52 4.70 2.00 –11.54 –9.30 –24.13 –7.37 –54.36 43.18 39.53 35.45 29.14 19.62 23.32 3.00 –11.54 –9.30 –24.13 –7.37 –54.36 43.18 39.53 35.45 29.14 19.62 23.32 3.00 -18.13 –16.20 –8.93 –38.82 –23.10 –9.64 –4.45 1.34 2.62 6.61 19.85 4.00 -18.13 –16.20 –8.93 –38.82 –23.10 –9.64 –4.45 1.34 2.62 6.61 19.85 4.00 28.89 43.46 55.75 66.91 13.22 8.01 1.79 3.59 7.25 17.11 16.93 5.00 28.89 43.46 55.75 66.91 13.22 8.01 1.79 3.59 7.25 17.11 16.93 5.00 0.51 11.35 37.06 12.10 15.40 30.89 26.21 37.59 44.99 48.40 20.38 6.00 0.51 11.35 37.06 12.10 15.40 30.89 26.21 37.59 44.99 48.40 20.38 6.00 -0.11 -6.15 -20.97 -7.20 -26.10 -2.18 45.47 50.39 54.67 52.44 28.26 7.00 -0.11 -6.15 -20.97 -7.20 -26.10 -2.18 45.47 50.39 54.67 52.44 28.26 7.00 13.03 15.96 30.47 4.30 0.96 0.96 5.69 1.50 1.18 3.14 2.03 8.00 13.03 15.96 30.47 4.30 0.96 0.96 5.69 1.50 1.1 3.14 2.03 8.00 0.24 0.33 2.33 5.16 16.53 1.11 6.94 5.36 3.12 3.95 13.54 9.00 0.24 0.33 2.33 5.16 16.53 1.11 6.94 5.36 3.12 3.95 13.54 9.00 10.21 21.52 2.15 9.16 10.92 11.82 10.12 19.57 23.43 6.87 5.17 10.00 10.21 21.52 2.15 9.16 10.92 11.82 10.12 19.57 23.43 6.87 5.17 10.00 15.79 23.51 19.52 34.09 48.16 35.63 39.87 45.97 49.56 71.04 78.89 11.00 15.79 23.51 19.52 34.09 48.16 35.63 39.87 45.97 49.56 71.04 78.89 11.00 -2.18 -11.78 -20.25 -31.11 -13.37 -9.46 -5.04 -21.56 -25.49 -8.01 -6.58 12.00 -2.18 -11.78 -20.25 -31.11 -13.37 -9.46 -5.04 -21.59 -25.49 -8.01 -6.58 12.00 -0.24 -2.93 28.80 35.27 19.07 10.53 14.13 20.37 22.52 9.92 18.32 13.00 -0.24 -2.93 28.80 35.27 19.07 10.53 14.13 20.37 22.52 9.92 18.32 13.00 2.63 2.49 7.78 0.81 8.78 21.26 14.22 12.72 14.82 2.26 5.38 14.00 2.63 2.49 7.78 0.81 8.78 21.26 14.22 12.72 14.82 2.26 5.38 14.00 16.21 15.50 21.89 55.76 33.85 24.98 35.87 38.92 38.77 39.87 14.84 15.00 16.21 15.50 21.89 55.76 33.85 24.98 35.87 38.92 38.77 39.87 14.84 15.00 -1.04 -6.28 -8.67 -20.31 13.20 9.78 3.05 0.63 2.49 0.69 6.84 16.00 -1.04 -6.28 -8.67 -20.31 13.20 9.78 3.05 0.63 2.49 0.69 6.84 16.00 -4.86 13.13 9.71 17.48 18.22 17.09 29.97 32.04 38.29 30.67 29.12 17.00 -4.86 13.13 9.71 17.48 18.22 17.09 29.97 32.04 38.29 30.67 29.12 17.00 5.03 13.08 14.77 30.09 33.06 35.15 26.35 35.66 39.49 55.99 36.40 18.00 5.03 13.08 14.77 30.09 33.06 35.15 26.35 35.66 39.49 55.99 36.40 18.00 7.43 10.79 12.75 12.85 56.19 23.37 30.38 21.76 20.38 7.33 0.78 20.00 7.43 10.79 12.75 12.85 56.19 23.37 30.38 21.76 20.38 7.33 0.78 20.00 2.64 6.62 20.12 25.83 39.47 50.23 59.32 63.26 71.20 60.46 62.70 22.00 2.64 6.62 20.12 25.83 39.47 50.23 59.32 63.26 71.20 60.46 62.70

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续表2-1 第2页共2页 22.00 7.30 12.92 18.14 33.91 33.84 32.24 41.23 46.85 51.19 47.50 18.19 24.00 7.30 12.92 18.14 33.91 33.84 32.24 41.23 46.85 51.19 47.50 18.19 24.00 1.80 12.84 10.93 17.10 23.20 32.10 30.62 22.35 22.06 23.14 55.39 26.00 1.80 12.84 10.93 17.10 23.20 32.10 30.62 22.35 22.06 23.14 55.39 26.00 3.48 2.23 9.09 21.14 16.13 21.51 33.94 51.82 63.72 57.94 58.96 28.00 3.48 2.23 9.09 21.14 16.13 1.51 33.94 51.82 63.72 57.94 58.96 28.00 0.09 0.14 5.50 4.52 16.02 17.91 33.70 54.88 67.83 76.09 82.52 30.00 0.09 0.14 5.50 4.52 16.02 17.91 33.70 54.88 67.83 76.09 82.52 30.00 0.02 4.22 0.12 20.63 17.35 27.72 31.23 43.44 52.14 58.84 63.54 32.00 0.02 4.22 0.12 20.63 17.35 27.72 31.23 43.44 52.14 58.84 63.54 32.00 3.49 6.35 9.54 16.58 17.46 31.15 41.56 67.46 84.13 101.18 102.79 34.00 3.49 6.35 9.54 16.58 17.46 31.15 41.56 67.46 84.13 101.18 102.79

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表2-2 5标2号桩原始状态侧摩阻力成果表 第1页共2页

1.00 33.26 25.13 36.48 33.25 39.26 20.63 13.11 38.26 34.62 27.20 24.27

2.00 33.26 25.13 36.48 33.25 39.26 20.63 13.11 38.26 34.62 27.20 24.27 2.00 25.67 24.56 24.22 26.78 2.09 41.39 22.79 2.39 14.36 18.43 24.20 3.00 25.67 24.56 24.22 26.78 2.09 41.39 22.79 2.39 14.36 18.43 24.20 3.00 9.21 22.00 23.15 26.14 54.25 39.78 5.97 46.50 50.48 14.67 14.17 4.00 9.21 22.00 23.15 26.14 54.25 39.78 5.97 46.50 50.48 14.67 14.17 4.00 16.03 23.10 22.17 25.59 27.76 38.34 10.50 43.66 23.77 33.04 14.84 5.00 16.03 23.10 22.17 25.59 27.76 38.34 10.50 43.66 23.77 33.04 14.84 5.00 23.45 20.73 21.30 25.11 27.59 37.06 20.15 9.02 24.28 10.95 15.69 6.00 23.45 20.73 21.30 25.11 27.59 37.06 20.15 9.02 24.28 10.95 15.69 6.00 4.90 19.63 20.53 24.71 27.50 45.81 13.40 21.26 7.02 21.47 2.80 7.00 4.90 19.63 20.53 24.71 27.50 45.81 13.40 21.26 7.02 21.47 2.80 7.00 12.73 25.14 27.94 37.64 27.48 14.69 23.19 45.85 61.38 95.66 118.74 8.00 12.73 25.14 27.94 37.64 27.48 14.69 23.19 45.85 61.38 95.66 118.74 8.00 11.87 4.91 11.23 10.93 27.53 22.69 6.15 20.06 30.52 14.38 24.03 9.00 11.87 4.91 11.23 10.93 27.53 22.69 6.15 20.06 30.52 14.38 24.03 9.00 11.09 4.24 18.83 24.01 20.53 4.36 29.75 16.15 6.52 1.24 22.16 10.00 11.09 4.24 18.83 24.01 20.53 4.36 29.75 16.15 6.52 1.24 22.16 10.00 22.67 35.14 18.46 23.94 35.00 84.28 41.83 42.27 83.05 18.13 126.01 11.00 22.67 35.14 18.46 23.94 35.00 84.28 41.83 42.27 83.05 18.13 126.01 11.00 8.37 15.54 18.20 10.76 3.47 32.82 38.79 39.10 7.62 61.80 5.45 12.00 8.37 15.54 18.20 10.76 3.47 32.82 38.79 39.10 7.62 61.80 5.45 12.00 7.92 17.27 20.91 37.23 53.19 32.69 5.26 12.02 6.16 46.71 12.40 13.00 7.92 17.27 20.91 37.23 53.19 32.69 5.26 12.02 6.16 46.71 12.40 13.00 -0.83 12.28 15.08 24.21 28.94 32.72 3.90 12.25 4.74 4.74 0.57 14.00 -0.83 12.28 15.08 24.21 28.94 32.72 3.90 12.25 4.74 4.74 0.57 14.00 8.36 14.20 18.00 24.46 29.44 32.92 33.58 30.16 31.50 18.32 33.60 15.00 8.36 14.20 18.00 24.46 29.44 32.92 33.58 30.16 31.50 18.32 33.60 15.00 8.05 13.93 18.14 24.79 30.03 33.28 32.65 29.14 65.29 79.68 30.32 16.00 8.05 13.93 18.14 24.79 30.03 33.28 32.65 29.14 65.29 79.68 30.32 16.00 7.82 13.76 18.37 25.20 30.68 33.81 18.77 40.69 5.09 20.21 28.04 17.00 7.82 13.76 18.37 25.20 30.68 33.81 18.77 40.69 5.09 20.21 28.04 17.00 7.66 13.68 18.71 25.69 31.41 34.50 132.59 125.46 161.96 140.69 177.12 18.00 7.66 13.68 18.71 25.69 31.41 34.50 132.59 125.46 161.96 140.69 177.12 18.00 8.75 9.03 12.22 14.05 15.76 35.86 38.68 19.83 18.02 18.46 19.87

15

续表2-2 第2页共2页 20.00 8.75 9.03 12.22 14.05 15.76 35.86 38.68 19.83 18.02 18.46 19.87 20.00 3.79 14.59 25.42 29.19 38.24 14.37 46.19 72.73 80.11 99.87 82.58 22.00 3.79 14.59 25.42 29.19 38.24 14.37 46.19 72.73 80.11 99.87 82.58 22.00 11.01 47.67 56.64 77.85 85.05 97.57 143.58 141.90 161.43 161.75 174.31 24.00 11.01 47.67 56.64 77.85 85.05 97.57 143.58 141.90 161.43 161.75 174.31 24.00 20.86 9.00 10.97 18.11 32.26 34.28 48.64 33.07 14.18 25.01 9.68 26.00 20.86 9.00 10.97 18.11 32.26 34.28 48.64 33.07 14.18 25.01 9.68 26.00 10.55 12.42 33.45 35.34 44.18 58.37 58.77 76.28 92.29 97.84 122.57 28.00 10.55 12.42 33.45 35.34 44.18 58.37 58.77 76.28 92.29 97.84 122.57 28.00 7.00 15.75 12.49 31.58 40.33 50.92 58.33 79.08 88.07 114.36 135.38 30.00 7.00 15.75 12.49 31.58 40.33 50.92 58.33 79.08 88.07 114.36 135.38 30.00 1.76 1.76 20.71 13.87 13.93 26.05 60.45 53.60 70.85 79.54 93.38 32.00 1.76 1.76 20.71 13.87 13.93 26.05 60.45 53.60 70.85 79.54 93.38 32.00 5.15 12.16 20.67 27.62 31.16 43.20 53.76 46.99 71.12 83.33 100.50 34.00 5.15 12.16 20.67 27.62 31.16 43.20 53.76 46.99 71.12 83.33 100.50 34.00 3.41 10.15 10.18 16.96 27.11 33.89 54.26 64.444 71.19 88.12 94.93

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表2-3 5标2号桩原始状态轴力成果表 第1页共1页

埋深(m) 1600kN 2400 kN 3200 kN 4000 kN 4800 kN 5600 kN 6400 kN 7200 kN 8000 kN 8800kN 9600 kN 0.00 1600.00 2400.00 3200.00 4000.00 4800.00 5600.00 6400.00 7200.00 8000.00 8800.00 9600.00 2.00 1400.91 2141.37 2810.54 3733.47 4560.21 5303.80 6195.73 6897.43 7707.1 8544.40 9397.55 3.00 1183.57 1922.06 2649.87 3455.36 4077.94 4941.09 6102.45 6637.83 7422.57 8327.07 9335.75 4.00 1184.77 2005.00 2671.88 3548.61 4328.55 5000.00 6185.28 6778.00 7548.19 8450.00 9300.00

5.00 1073.26 1832.03 2581.17 3362.51 3962.68 4713.62 6079.42 6511.45 7333.06 8309.15 9285.31 6.00 1026.04 1850.10 2535.35 3361.82 4098.68 4792.88 6104.77 6552.67 7349.13 8334.00 9239.00 7.00 899.23 1663.63 2361.87 3006.90 3728.52 4615.60 5969.97 6389.67 7184.46 8178.77 9110.93 8.00 929.00 1715.33 2338.16 3057.65 3687.23 4556.52 5958.91 6205.30 7110.01 7951.06 8633.45 9.00 832.31 1518.68 2183.23 2900.27 3586.90 4401.26 5769.35 6024.62 6908.13 7731.19 8466.67 10.00 925.37 1585.89 2216.00 2985.07 3611.93 4447.75 5752.42 5962.00 6830.83 7667.80 8447.74 11.00 765.78 1382.25 2032.98 2724.50 3320.30 4092.75 5370.29 5645.37 6399.68 7173.01 8150.64 12.00 886.47 1566.09 2186.62 2859.00 3457.22 4265.00 5490.02 5870.00 6471.21 7340.00 8061.38 13.00 730.26 1360.77 1985.80 2618.34 3213.91 4000.90 5167.49 5604.16 6251.26 6903.53 7725.56 14.00 880.53 1526.13 2083.76 2758.79 3345.74 4042.00 5176.44 5634.91 6427.38 6966.58 7665.76 15.00 690.79 1279.27 1829.24 2485.46 3092.44 3718.58 4868.73 5256.81 5966.16 6611.39 7305.89 16.00 816.76 1370.99 1829.03 2625.25 3237.88 3702.00 4816.38 5396.44 6038.16 6546.46 7221.30 17.00 629.34 1174.71 1655.93 312.07 2898.47 3454.22 4607.83 5030.47 5622.43 6326.12 6999.03 18.00 718.00 1189.38 1671.95 2291.69 2813.68 3364.95 4525.21 4728.30 5366.41 6178.71 6700.86 20.00 510.80 993.22 1448.21 2014.82 2511.44 3178.31 4214.10 4568.83 5221.52 6030.28 6541.08 22.00 480.33 875.89 1327.97 1780.04 2203.86 2768.95 3842.63 3983.90 4577.25 5227.11 5876.96 24.00 336.45 492.53 872.47 1153.93 1519.81 1984.22 2687.90 3272.55 3835.54 4398.94 4985.75 26.00 224.07 420.12 784.23 1008.30 1260.37 1708.51 2296.68 2576.76 3164.94 3725.10 4397.30 28.00 139.24 320.20 515.19 724.08 905.04 1239.03 1824.03 1963.27 2422.71 2938.22 3411.51 30.00 82.97 193.55 414.73 470.08 580.69 829.53 1354.94 1327.25 1714.39 2018.52 2322.69 32.00 68.85 137.70 275.16 385.47 495.03 687.27 853.11 907.89 1128.26 1375.78 1595.66 34.00 27.39 81.64 81.91 136.42 218.06 272.57 436.38 518.29 572.53 708.68 763.47

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表2-4 5标2号桩浸水状态轴力成果表 第1页共1页

埋深(m) 800kN 1600 kN 2400 kN 3200 kN 4000 kN 4800 kN 5600 kN 6400 kN 7200 kN 8000 kN 8800kN l.00 800.00 1600.00 2400.00 3200.00 4000.00 4800.00 5600.00 6400.00 7200.00 8000.00 8800.00 2.00 662.14 1486.90 2349.55 2776.27 3544.84 4206.69 5061.13 6065.18 6905.29 7582.91 8065.25 3.00 675.89 1532.87 2414.01 2845.65 3651.32 4277.32 5085.84 6050.83 6850.66 7570.34 8026.36 4.00 914.51 1588.30 2291.75 3098.64 3399.86 4007.59 4803.74 5754.98 6595.24 7359.40 7679.12 5.00 682.20 1238.77 1843.35 2560.50 3293.57 3943.21 4789.31 5726.08 6536.91 7221.82 7542.97 6.00 678.07 1147.48 1545.33 2463.19 3169.74 3694.78 4578.51 5423.77 6175.12 6832.54 7379.09 7.00 678.98 1196.94 1713.96 2521.11 3187.28 3904.70 4212.78 5018.51 5735.42 6410.81 7151.84 8.00 574.19 1068.59 1468.87 2486.50 3387.56 3896.95 4167.00 5006.44 5725.94 6385.56 7135.50 9.00 572.23 1065.90 1450.10 2445.02 3378.66 3763.99 4111.21 4963.34 5700.86 6353.76 7026.63 10.00 490.15 892.82 1432.83 2371.36 3283.58 3676.14 4029.84 4805.96 5512.43 6298.49 6985.06 11.00 363.17 703.74 1275.83 2097.21 2997.01 3288.84 3709.21 4436.25 5113.82 5727.13 6350.56 12.00 380.68 798.47 1438.66 2347.39 3073.09 3396.37 3749.77 4609.63 5318.80 5791.59 6403.45 13.00 382.60 822.03 1207.07 2063.74 2988.39 3243.04 3636.13 4445.80 5137.72 5711.77 6256.10 14.00 361.45 802.04 1144.54 2057.18 2817.38 3172.43 3521.73 4343.51 5018.54 5693.56 6212.81 15.00 231.11 677.42 968.49 1608.76 2616.47 2900.18 3233.25 4030.54 4706.73 5372.87 6093.45 16.00 239.50 727.90 1038.18 1772.09 2537.81 2794.04 3208.73 4025.49 4686.68 5367.34 6038.46 17.00 278.63 622.27 960.08 1631.48 2400.36 2647.50 2967.67 3767.79 4378.78 5120.69 5804.27 18.00 238.16 517.08 841.28 1389.48 2117.64 2381.59 2755.74 3480.99 4061.15 4670.36 5511.56 20.00 178.39 430.31 738.75 1286.10 1532.40 1929.69 2511.44 3306.01 3897.22 4611.39 5505.29 22.00 157.17 377.03 576.90 1078.33 1214.95 1525.75 2034.33 2797.21 3324.63 4125.18 5001.07 24.00 98.50 273.12 430.99 805.58 942.81 1266.48 1702.73 2420.39 2912.92 3743.14 4854.78 26.00 84.02 169.88 343.12 668.08 756.22 1008.30 1456.43 2240.66 2735.48 3557.05 4409.32 28.00 56.00 151.92 270.03 498.03 626.53 835.33 1183.49 1823.89 2223.01 3091.06 3935.13 30.00 55.30 150.76 225.83 461.66 497.72 691.27 912.47 1382.56 1677.50 2479.09 3271.45 32.00 55.15 116.85 224.86 295.76 358.22 468.33 661.32 1033.20 1258.20 2005.90 2760.45 34.00 27.10 65.80 148.12 162.38 217.78 217.78 327.08 490.63 581.57 1192.18 1933.76

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静载荷试验纪录表（浸水后静载试验） 表2-5

加载级数 累计荷载（kN） Δt 1 800 沉降差 累计沉降 Δt 2 1600 沉降差 累计沉降 Δt 3 2400 沉降差 累计沉降 Δt 4 3200 沉降差 累计沉降 Δt 5 4000 沉降差 累计沉降 Δt 6 4800 沉降差 累计沉降 0 5 15 变化时间（min）及相应沉降（mm） 30 60 90 120 0 0.130 -0.022 -0.041 -0.095 -0.065 -0.048 0 0.131 0.109 0.068 -0.027 -0.092 -0.140 5 15 30 45 60 90 120 0.219 -0.003 -0.005 -0.001 0.001 0.001 -0.007 0.079 0.076 0.071 0.070 0.071 0.071 0.064 5 15 30 45 60 90 120 0.233 0.028 0.026 0.000 0.003 0.002 0.004 0.297 0.326 0.352 0.352 0.355 0.357 0.362 5 15 30 45 60 90 120 0.329 0.021 0.007 0.006 0.005 0.033 0.002 0.691 0.712 0.718 0.724 0.730 0.762 0.764 5 15 30 45 60 90 120 0.359 0.005 0.008 0.006 0.004 0.026 0.006 1.124 1.129 1.136 1.142 1.146 1.172 1.179 5 15 30 45 60 90 120 0.357 0.004 0.006 0.008 0.003 0.023 0.002 1.535 1.539 1.545 1.554 1.556 1.579 1.582

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静载荷试验纪录表（浸水后静载试验） 续表2-5

加载级数 累计荷载（kN） Δt 7 5600 沉降差 累计沉降 Δt 8 6400 沉降差 累计沉降 Δt 9 7200 沉降差 累计沉降 Δt 10 8000 沉降差 累计沉降 Δt 11 8800 沉降差 累计沉降 5 15 变化时间（min）及相应沉降（mm） 30 45 60 90 120 0.516 0.014 0.006 0.006 0.006 0.000 0.010 2.097 2.111 2.117 2.123 2.129 2.129 2.139 60 120 180 240 300 360 420 480 540 660 0.056 0.050 0.117 0.160 0.160 -0.004 -0.044 -0.123 -0.078 -0.040 2.860 3.094 3.294 3.537 3.846 3.948 3.816 3.520 3.365 3.216 5 15 30 45 60 90 120 0.383 0.041 0.018 0.047 0.008 0.020 0.017 3.600 3.640 3.659 3.706 3.714 3.734 3.751 5 15 30 45 60 90 120 150 180 240 0.653 0.066 0.058 0.043 0.024 0.219 0.066 0.051 0.040 0.021 4.405 4.471 4.529 4.572 4.596 4.815 4.881 4.933 4.972 5.027 60 120 180 240 300 360 420 480 540 690 0.209 0.459 0.200 1.675 0.152 0.061 0.182 0.332 0.751 0.708 8.158 8.870 9.578 11.590 12.473 12.609 13.150 13.629 16.414 19.010

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静载荷试验纪录表（浸水前静载试验） 表2-6

加载级数 累计荷载（kN） Δt 2 1600 沉降差 累计沉降 Δt 3 2400 沉降差 累计沉降 Δt 4 3200 沉降差 累计沉降 Δt 5 4000 沉降差 累计沉降 Δt 6 4800 沉降差 累计沉降 Δt 7 5600 沉降差 0 5 变化时间（min）及相应沉降（mm） 10 15 30 45 60 90 120 0 0.2730 -0.0042 -0.0005 -0.0080 -0.0080 -0.0070 -0.0120 -0.0117 0 0.273 0.2688 0.2683 0.2602 0.2523 0.2452 0.2333 0.2215 5 10 15 30 45 60 90 120 150 180 0.3197 -0.0013 0.0000 0.0305 0.0087 0.0110 0.0068 0.0018 -0.0037 0.0050 0.5413 0.5400 0.5400 0.5705 0.5792 0.5902 0.5970 0.5988 0.5950 0.6000 5 10 15 30 45 60 90 120 150 180 0.3585 0.0073 0.0038 0.0127 0.0090 0.0317 0.0105 0.0018 0.0190 0.0012 0.9585 0.9658 0.9695 0.9823 0.9913 1.0230 1.0335 1.0353 1.0543 1.0555 5 10 15 30 45 60 90 120 150 180 0.3640 0.0128 0.0085 0.0047 0.0355 0.0045 0.0263 0.0112 0.0017 0.0058 1.4195 1.4323 1.4408 1.4455 1.4810 1.4855 1.5118 1.5230 1.5248 1.5305 5 10 15 30 45 60 90 120 150 180 0.3765 0.0052 0.0055 0.0033 0.0372 0.0260 0.0033 0.0013 0.0058 0.0042 1.9070 1.9123 1.9178 1.9210 1.9583 1.9843 1.9875 1.9888 1.9945 1.9988 60 90 120 150 180 210 240 270 300 360 0.0735 0.0885 0.0938 0.0885 0.0570 0.0503 0.0510 0.0302 0.0107 -0.0385

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静载荷试验纪录表（浸水前静载试验） 续表2-6

加载级数 累计荷载（kN） 累计沉降 Δt 8 6400 沉降差 累计沉降 Δt 9 7200 沉降差 累计沉降 Δt 10 8000 沉降差 累计沉降 Δt 11 8800 沉降差 累计沉降 Δt 12 9600 沉降差 累计沉降 2.6668 2.7553 变化时间（min）及相应沉降（mm） 2.8490 2.9375 2.9945 3.0448 3.0958 3.1260 3.1368 3.1000 60 120 180 300 360 420 450 480 510 540 -0.0158 -0.0318 -0.0002 -0.0010 0.0543 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3.4305 3.3380 3.3165 3.3070 3.3603 3.65 3.65 3.65 3.65 3.65 5 15 30 60 90 120 180 210 270 300 0.1148 0.0023 0.0115 0.0030 0.0048 0.0175 0.0023 0.0000 0.0000 0.0000 3.7615 3.7848 3.7963 3.8068 3.8115 3.8290 3.8838 3.8838 3.8400 3.8400 30 60 120 180 240 300 360 420 480 540 0.0153 0.0318 0.0095 0.0420 0.0470 0.0235 0.0585 0.0805 0.0330 0.0145 4.3565 4.3948 4.4145 4.5338 4.6020 4.6583 4.7373 4.8433 4.9290 4.9485 15 30 60 90 120 150 180 210 240 300 0.0423 0.0200 0.0595 -0.0278 -0.0315 -0.0153 -0.0020 0.0010 0.0000 0.0008 5.4008 5.4208 5.4445 5.4168 5.3853 5.3700 5.3680 5.3690 5.3690 5.3713 15 30 60 90 120 150 180 210 240 270 0.0115 0.0478 0.0137 0.0485 0.0205 0.0263 0.0175 0.0042 0.0065 0.0075 5.8080 5.8558 5.8908 5.9393 5.9598 5.9860 6.0035 6.0078 6.0143 6.0218

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六、试验数据分析

㈠桩周土及桩的浸水沉降分析

桩周土在浸水前其变形微乎其微，在很大的荷载作用下，其变形也可忽略，此时桩在浸水前其沉降变形也较小，即使在极限荷载作用下，其沉降也不大。而在浸水后，桩侧土有明显的沉降，虽然在浸水沉降过程中有所回弹，但最终还有较大沉降变形。同时无论在浸水前还是浸水后，桩周土沉降在桩周由于受桩侧正摩阻力的影响沉降量较小，而在稍远离桩周的地方，由于没有桩的正摩阻力影响，其沉降变形相对较大。

桩的沉降的大体趋势与桩侧土的沉降趋势相同，同样也有反弹，但最终仍有一定的沉降。在沉降过程中，桩沉降速度整体较桩侧土的沉降速度快，沉降量也较土的沉降量大；而在浸水后，由于桩侧黄土的湿陷性，部分黄土产生较大沉降变形，沉降变形较未浸水速度快了许多，使得桩产生一定的下拉力。在该部分黄土之下的其他层桩的沉降速度仍较其周围土快。

㈡浸水前后桩的沉降变形及其极限承载力分析

由上试验数据可知，桩在浸水前随着所加荷载的逐渐增大，桩的沉降变形也随之增大，而且随荷载等级而均匀增大，没有太明显的突变，即使当荷载达到9600kN时，桩的沉降仍然比较缓和，无突变，表明桩还没有达到其极限承载力。当然在极个别点有沉降反弹现象发生，可能是因温度的影响而产生的。所以说在未浸水前，35m桩的极限承载力大于芝川河特大桥的设计极限承载力8000kN。

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桩在浸水后随着所加荷载的逐渐增大，桩的沉降变形同样也随之增大，然而当荷载达到8000kN时，桩发生沉降明显，有很大的突变，说明此时桩已经达到其极限状态。故其浸水前后极限承载力差异明显，前者远大于后者；而在相同的荷载作用下，浸水前桩的沉降远小于浸水后的沉降，这说明桩周浸水引起桩侧的湿陷性黄土发生湿陷，抗剪强度降低，严重影响到桩的承载力。同时我们还可以推测不仅仅是桩的抗剪强度降低引起桩的沉降变形增大，还应有黄土湿陷对桩产生负摩阻力的作用，不过，不能简单通过桩的沉降变形来确定桩的负摩阻力，而要通过桩的轴力及桩的侧摩阻力随深度的变化来确定其负摩阻的大小。

㈢浸水前后桩的轴力变化分析

由表中数据可知，浸水前随着荷载的增大，桩的轴力逐渐增大；对同一荷载等级，随着桩的埋深变大，桩的轴力逐渐减小。在桩底，桩的轴力正好等于桩底支承力，很符合桩的力学平衡条件。而且在桩顶承载力的传递过程中，荷载较小时，荷载主要由桩侧摩阻力来承担，即使当荷载达到最大8000kN，仍然有90℅以上的承载力由桩侧土与桩之间的正摩阻力来承担，剩下小部分由桩端阻力来承受。也说明在该地区桩顶承载力主要由桩侧的正摩阻力来抵消，因此大部分设计以摩擦型桩为主。

在浸水后随着荷载的增大，桩的轴力的也逐渐增大；对于同一级荷载，随着桩的埋深的变大，桩的轴力总体趋势是逐渐减小，然而在荷载等级较低时，桩的轴力在距桩顶3m左右的范围内有所增大，随

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着荷载的增大，轴力增加量逐渐减小，而且产生轴力增加的范围也逐渐缩小，通过轴力与桩侧摩阻力之间的关系我们可知此时桩侧摩阻力方向向下，与桩顶荷载方向相同。这种现象的产生也正是我们要考虑的湿陷性黄土浸水后因湿陷所产生的桩的负摩阻力。根据这个负摩阻力影响的范围只有3m左右，可定量地分析该地区负摩阻力的影响相对正摩阻力及桩端阻力比较小。 ㈣浸水前后桩侧摩阻力的变化分析

为更直观地表现出黄土地区桩的负摩阻力的影响，根据试验列出桩的侧摩阻力数据。很显然在浸水前桩的侧摩阻力均为正值，即侧摩阻力均用来承担来自桩顶的荷载。对同一级荷载，随着埋深的增加，桩侧摩阻力逐渐减小；随着荷载的增加，同一埋深处桩的侧摩阻力逐渐增大直至桩顶荷载达到设计的极限荷载。当加载至最大9600kN时，桩26m以上大部分土层达极限值，而26m以下则仍未达极限值。桩侧土层达极限状态侧阻力值在29.75～99.87kPa之间，未达极限状态的侧阻力值最大达177.12kPa。

在浸水后，桩侧明显出现负摩阻力，其分布范围大都在距桩顶3m左右的范围内，负摩阻力值在-2.18～-38.82kPa之间变化，正极限摩阻力在29.39～86.7kPa之间，浸水后因负摩阻力的作用，桩侧所承受来自顶端的荷载相对减小，故桩端阻力相对增大，也说明该桩在浸水后所能承受的最大荷载也降低，即极限承载力减小。

综上所述，浸水前后因桩侧有无黄土湿陷对轴力、端阻力、侧阻力均有明显影响。浸水前桩的轴力逐渐减小，端阻力也较小，荷载较

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小时甚至就没有端阻力，桩侧摩阻力均为正值，而且桩侧土的抗剪强度也较高，桩所能承受的最大荷载较大；而浸水后，桩的轴力在距桩顶较近的范围内明显增大，桩的侧摩阻力在相应段内出现负摩阻力。桩侧的抗剪强度降低，桩的极限承载力也减小。

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第三章 黄土地区桩基负摩擦力的机理

在对实验数据进行理论分析之前，必须明确对黄土的湿陷性有一定的认识，并且能够根据地质条件及地质资料确定出要分析地区黄土的湿陷性能参数。下面将对黄土湿陷原因、黄土的性能等予以介绍。

§1湿陷性黄土性质湿陷原因及地基的处治

黄土由固态、液态、和气态三相组成，其三相组成间重量和体积的比例关系，可以反映出土的一系列物理性质，这些性质常用一些指标来表示：如颗粒组成、土粒比重、含水量、容重、孔隙比、孔隙率、饱和度、液限、塑限、塑性指数、液性指数等。研究黄土的物理性质指标及其湿陷性质的关系，在工程上具有一定的实际意义。 一、黄土的性质 ㈠黄土的物理性质 1．土的颗粒组成

土的颗粒是指那些岩石、矿物和非晶体化合物的零散碎片或碎屑。颗粒本身既可以是矿物质的结晶构造，也可以是非结晶构造，如二氧化硅和氢氧化铁。不同地质时代的黄土，其颗粒组成不同，第四纪早期的黄土比晚期黄土的粘粒含量高，而细砂含量则较低。陇西和陕北的砂粒含量大于粘粒含量，而豫西的砂粒含量却小于粘粒的含量，即由西北向东南方向砂粒减少而粘粒增多，这与我国黄土湿陷性由西北向东南递减的趋势大体相关。研究表明，随着粘粒含量的增加，黄土由湿陷性的过渡到非湿陷性的。一般可以认为：粒径大于20微

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米的颗粒完全没有胶结能力；5～20微米的颗粒基本没有胶结能力；2～5微米的颗粒为半胶结材料；小于2微米的胶粒、铁铝胶体、无定形硅酸盐和有机物遇水都是可塑性胶结材料。 2．土粒比重

黄土的土粒比重一般为2.51～2.84，平原地区的黄土则大多数在2.62～2.76范围内。比重的大小与土的颗粒组成有关，当粗粉粒和砂粒含量较多时，比重常在2.69以下；如粘粒含量多，则比重多在2.72以上。由于黄土的颗粒组成与其液限、塑限有一定的关系，因而可以建立塑性指数与比重之间的对应关系。表3-1是我国西北地区湿陷性黄土的土粒比重与塑性指数的统计关系。 3．土的干容重与孔隙比

干容重是衡量黄土密实程度的一个重要指标，与土的湿陷性也有较明显的关系。一般，干容重小，湿陷性强；反之，则弱。湿陷性黄土干容重的变化范围一般在1.14～1.69克/厘米3之间，其所以变化范围大，除土本身密实程度有差别外，还与土中各种矿物成分的含量 有关。当黄土在形成过程中，由于前期固结压力大，土已被压密，干容重超过某一数值后，黄土就由湿陷性的转化为非湿陷性的。

湿陷性黄土的密实程度也常用孔隙比或孔隙率来表达。湿陷性黄土孔隙比的变化范围为0.85～1.24，大多数在1.0～1.1之间。孔隙 比与干容重成反比关系，例如，平原地区的大多数黄土状亚粘土，其土粒比重都在2.70上下，如以1.5克/厘米3作为一般湿陷性黄土 干容重的上限值，则其相应的孔隙比0.8可以作为划分湿陷性与非湿

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湿陷性黄土土粒比重G与塑性指数Ip的统计关系 表3-1

Ip G <7 2.67 7～10 2.69 10～13 2.71 13～17 2.72 >17 2.73～2.74 陷性的界限。 4．含水量和饱和度

湿陷性黄土的天然含水量在3.3～25.3％之间变化，其大小与场地的地下水位深度和年平均降雨量有关。在大多数情况下，黄土的天然含水量都较低。土的天然含水量与湿陷性关系较大，含水量越低，则湿陷性越强烈，随着含水量的增大，湿陷性逐渐减弱。一般黄土的天然含水量超过25％时，就不再具有湿陷性；而其压缩性则恰恰相反。当一项工程投入使用后，由于场地排水、蒸发条件的变化，常使土的含水量较勘察时为大，并导致土的湿陷性退化和压缩性增大。即使各种管道设施良好，没有渗漏，基础沉降也可能长期不稳定，这种现象在原始含水量较低、孔隙比较大的自重湿陷性黄土地基中容易产生，勘察设计时应适当考虑这一特点。 ㈡土的化学性质

黄土的化学性质对了解黄土的湿陷性具有一定的意义，但目前这方面的研究还比较少。

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黄土的成分中主要为二氧化硅、倍半氧化物和碳酸盐类，二氧化硅存在于由粗颗粒到胶粒的各级粒组中，为主要成分。钙、镁呈固态或液态存在于黄土中，为重要胶结物。能被盐酸溶解的Al2O3和Fe2O3在土中以镁铝胶体的形式存在，一部分能被盐酸溶解的SiO2在土中以无定形硅酸盐的形式存在，都属胶体物质。

另外黄土的酸碱特征、黄土中胶体颗粒的离子交换特性、黄土有机质等都对黄土受荷承载能力有重要影响，这里不再详述。 ㈢湿陷性黄土的力学性质

湿陷性黄土的力学性质主要包括压缩性、湿陷性、抗剪强度和透水性，其中以湿陷性、压缩性最为重要，湿陷性、压缩性主要表现形式为压缩变形和湿陷变形两种。压缩变形由公路路基及其构造物的荷载引起,随时间增长而逐渐衰减,并很快趋于稳定,当基底压力不超过地基土的容许承载力时,地基的压缩变形很小,一般能满足公路及其构造物对沉降变形的要求；湿陷变形则是地基被水浸后所引起的一种附加变形,往往具有局部性和突发性,而且湿陷变形很不均匀,对公路路基及其构造物的危害严重。陇西地区是黄土高原黄土湿陷性最强烈、最典型的地区,黄土湿陷具有湿陷层厚度大、湿陷等级高、湿陷性敏感、伴生不良地质现象发育等特征,对公路工程建设的危害和潜在威胁很大。 二、黄土湿陷的原因

对黄土湿陷的原因和机理的各种不同论点，可以归纳为内因和外因两个方面。内因主要是由于土本身的物质成分（指颗粒组成、矿物

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成分和化学成分）和其结构，外因则是水和压力的作用。

针对国内外学者对黄土湿陷机理的研究，归纳了几种假说：即毛管假说、溶盐假说、胶体不足假说、水膜楔入假说、欠压密理论、结构学说。这些理论中欠压密理论之所以易于为人接受，主要因为它没有涉及到具体的机理和作用，而是把复杂的物理化学作用笼统地归结为欠压密状态，避开了某些争论不休而暂时还不能作出结论的假说。事实上，黄土的高孔隙率的产生不是简单的物理压密不足形成的，它与黄土形成过程中的风化成土以及盐类淋溶、凝聚作用分不开，后者将改变土的表面活性，影响土的液限和塑限。因此，黄土欠压密状态的形成不仅与物理压密过程有关，也受到风化成土过程中胶体化学变化的影响。

综上所述，可知黄土的湿陷现象是一个复杂的物理、化学变化过程，湿陷的原因和机理不是目前已提出的哪一个假说所能完全解释清楚的，它受到多方面因素的制约和影响。

黄土具有湿陷性，主要是由于它的特殊结构组构，因此，影响黄土湿陷性的因素，首先是与组构有关的几个方面，如微结构、颗粒组成和矿化成分等，这也是各地区黄土湿陷性不同的主要原因，就同一地区而言，显著影响湿陷性的因素是土的物理性质，其中起主要作用的是孔隙比和含水量。 三、黄土湿陷地基的处治方法

湿陷性黄土地基的处治包括地基处理、防水措施和结构措施共三大技术措施。根据公路的地基特性和结构特点,其地基处治应选择以

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防水措施为主,地基处理为辅,确有必要时采取结构措施,多措施综合应用的技术路线。

㈠黄土地基发生湿陷,除土性本身的原因外,外部条件主要是水,预防湿陷性黄土产生路基湿陷病害的主要措施是防水。因此设置完善的防、排水系统,最大限度地降低地基受水浸湿的可能性是防止黄土湿陷破坏的首选措施,也是最经济的技术措施。

㈡以防水措施为主时,地基处理措施也不容忽视。对于一般的黄土地基,在完善防、排水系统的前提下,采取简单经济的表层处理措施就可有效减少下部层的湿陷机率；而对于桥涵及防护构造物,当地基沉降变形或强度满足不了构造物要求时,就必须对地基进行处理。 ㈢对于位于厚层湿陷性黄土地基上的桥涵及防护构造物,一般地

基加固处理难以满足设计变形或强度要求时,就应采取结构措施。

湿陷性黄土地基的湿陷厚度、湿陷类型、湿陷等级等差别很大,公路不同构造部位(路堤、路堑、桥涵构造物)对地基压缩变形和湿陷变形的要求也不尽相同,地基处理究竟到多大范围或多大程度才能既不浪费又能获得明显技术经济效果,就成为湿陷性黄土地基处理设计中面临的一个首要问题。

一般路基的地基鉴于高速公路均应按要求设置较为完善的地表、地下排水系统,地基受水浸湿的可能性相对较小,路基适应变形能力也较好,因此其地基处治的主要目的是使基底的承载力和路堤施工后的剩余压缩变形满足要求的前提下,通过表层或浅层整片(段)处理加固表层土体,达到提高承载力和消除部分湿陷量的目的。

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一般路基地基的处理厚度设计要求为:

①对于非自重湿陷黄土地基,处理厚度2.0ｍ。

②对于Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷黄土地基,处理厚度2.0～3.0ｍ,Ⅳ级自重湿陷黄土地基,处理厚度4.0～5.0ｍ。

③对于一些新近堆积黄土和素填黄土,当其地基的压缩变形和湿陷变形都无法满足要求的情况下,可考虑将路基以下的全部湿陷性土层进行处理。

桥涵构造物位于沟谷底部,黄土地基受水浸湿的可能性相对较大,构造本身对地基承载力的要求高,对压缩变形和湿陷变形的适应性差,因此湿陷变形控制、压缩变形控制和强度(承载力)控制具有同等重要的意义。构造物地基的设计要求为:

①在非自重湿陷黄土地基上,应将基础下湿陷起始压力小于附加压力与上覆土的饱和自重压力之和的所有土层进行处理和处理至基础下的压缩层下限为止。

②在自重湿陷黄土地基上,应处理基础以下的全部湿陷性土层。 ③处理后的地基承载力应满足构造物的要求,且其下卧层的顶面的承载力不小于下卧层顶面的附加应力与土自重压力之和。

高速公路湿陷性黄土地基的处治方法应根据公路的构造部位、地基处治的厚度、施工环境条件、施工工期和当地材料来源,并经技术经济比较确定。近几年来,在公路湿陷性黄土地基处理方面,传统的土垫层法、重夯法等仍在广泛采用；而新兴的地基处理技术如强夯法、冲击碾压、ＤＤＣ法等也开始大规模使用,并取得了良好的技术经济

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效果。其中冲击压实技术应用于大面积湿陷性黄土地基浅层加固处理和黄土路基的补强加固时具有快速高效的技术优势；强夯法则主要用于Ⅲ级以上厚层自重湿陷性黄土地基、非饱和高压缩性新近堆积黄土地基和人工松填黄土(素填黄土)地基的加固处理,有效处理深度一般不大于8ｍ；ＤＤＣ法则主要适用于加固较大面积的厚层高压缩湿陷性黄土或厚层饱和湿软黄土地基以及深层有采空洞穴或软弱下卧层的不良地基。

在湿陷性黄土地基上设置土垫层是一种具有悠久历史的地基处理方法,但也是目前该地区桥涵及防护构造物基础下湿陷性黄土最普遍采用的一种处理方法。土垫层有素土垫层、灰土垫层、砂砾垫层之分,其中3∶7灰土垫层应用最广。3∶7灰土垫层具有较高的承载能 力和良好的隔水性能,随着龄期的增加,其压缩模量和强度还会不断增长,隔水性和水稳性也会进一步加强,从而为构造物基础提供良好的持力层,并可大大减少其下部土层浸水湿陷的概率。为充分发挥灰土垫层的承载和隔水功能,设计施工中应注意以下几个问题:①石灰必须采用优质石灰,并与土料按设计比例拌和均匀,加水至最佳含水量充分闷料。灰土垫层必须分层压(夯)实,分层厚度不大于15ｃｍ,按重型击实标准的压实度不小于95%。②灰土垫层的总厚度对于非自重湿陷黄土地基不宜小于1.0ｍ,并使其下各天然土层所受的压力小于湿陷起始压力；对自重湿陷黄土地基垫层的总厚度不宜小于2.0ｍ,并应保证其下卧层的顶面的承载力不小于下卧层顶面的总压力；灰土垫层下最好再设置一层1～1.5ｍ厚的素土垫层或采用重锤将其基底

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夯实。③为有效防止地表水下渗和地基湿陷后土体的侧向挤出,灰土垫层每边超出基础边缘外的宽度不应小于其厚度,并不小于150ｃｍ。④灰土垫层施工过程及完工后,绝对禁止受水浸泡。

冲击压实是从南非ＬＡＮＤＰＡＣＡＲ○公司引进的一种岩土压实新技术。该技术通过近5年的工程实践,已在国内14个省市公路、机场路基工程中应用,并在晋、陕、甘、青等地的湿陷性黄土地基处理和湿陷性黄土路基压实补强上取得了较好的技术经济效果。冲击压实技术目前在黄土地区主要用于处理湿陷性黄土地基和黄土路基的补强。冲击压实处理湿陷性黄土地基,即直接在路堤基底、零填路基或路堑路床进行冲击碾压作业。

§2 负摩阻力的产生与发展规律及处治措施

在公路桥梁工程建设中,桥梁墩台钻孔灌注桩处于深层湿陷性黄土地基，并在上部结构静活荷载的共同作用下,结果桩侧湿陷性黄土由于受到周围荷载的作用,导致湿陷性黄土产生湿陷变形和桩底下沉及位移,桩产生向下的摩擦力。也就是说,如果不存在桩基负摩擦阻力,桩基承载力就满足要求,桩基就不会发生持续不均匀沉降。因此,研究桥台桩基负摩擦阻力是否存在,采取什么措施达到消减桥台桩基负摩力就很有必要。

有些设计人员认为桩的负摩阻力的影响是一个沉降的问题,而不是一个破坏的问题,因而忽视了它的影响,但由于负摩阻力的作用可能导致基础的上部结构的不均匀沉降,不少结构物因负摩阻力而产生

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过大的沉降、倾斜或建筑物开裂等工程事故,需要花费大量资金进行加固,甚至无法使用而拆除。日本东京湾某建筑在竣工后仅四年,就由于极大的差异沉降而被拆除,使人们对负摩阻力的问题引起极大关注。在一般情况下,桩受轴向荷载作用后,桩相对于桩侧土体作向下位移,使土对桩产生向上作用的摩阻力,称为正摩阻力。但是,当桩周土体因某种原因发生下沉,其沉降速率大于桩的下沉时,则桩侧土就相对于桩作向下位移,而使土对桩产生向下作用的摩阻力,即称为负摩阻力。桩的负摩阻力的发生将使桩侧土的部分重力传递给桩,因此,负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分,反而变成施加在桩上的外荷载,对入土深度相同的桩来说,若有负摩阻力发生,则桩的外荷载增大,桩的承载力相对降低,桩基沉降加大,这是在桩基设计中应予以注意的一个问题。

桩基负摩擦力发生的条件桩基负摩擦力能否产生,关键取决于桩和桩侧黄土的相对位移发展情况。因此桩基负摩擦力发生的条件有下述几个方面:

1)桩基穿过欠固结的软土或新填土,而支承于较坚实的上层土时,由于土的自重作用,使土产生固结。

2)在桩周的地表面有大面积堆载时,引起地面沉降,使桩侧土压密固结,对桩产生负摩擦力。

3)由于地下水位降低,例如在土层中抽取地下水,或采用排水固结法处治软土,此时土层孔隙水压力减小,有效应力增加,引发地基土新的固结下沉。

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4)自重湿陷性黄土下沉和冻土融化下沉。

5)在饱和粘土地基中,群桩施工完成后,孔隙水压力消散,隆起的土体逐渐固结下沉,若桩端持力层较硬,则会引起负摩擦力。

6)地基中液化土层发生变化时,引起地基土层大面积下沉,产生桩基负摩擦力。

由此可见,对于桥台桩基工程,当桩穿过可压缩性土层而支承在坚硬的持力层上时,一般都有可能发生负摩擦力。桩基负摩擦力的发生深度一般说来,负摩擦力并不发生于整个软弱土层中。当水泥混凝土桩基成桩后,随着桥台地面以上路堤填筑荷载的不断增大,桩侧软弱土层逐渐压缩,桩身表面从上而下的正摩擦力慢慢减少,随即产生负摩擦力,变成桩基上部为负摩擦力,桩基下部为正摩擦力。摩擦力为零的位置为中性点,此点为桩基在该处的位移量与其周围土的下沉量相等之点,它是土与桩之间不产生相对位移之点。中性点以上土的下沉量大于桩的下沉量,桩承受负摩擦力;中性点以下桩的下沉量大于土的下沉量,桩承受正摩擦力作用。

目前,减少桩基负摩擦力的措施一般有以下几个方面: ①支承桩柱法。该法通过增大桩柱断面来承受负摩擦力； ②群桩法。该法通过增加桩数来体现群桩效应,以减小负摩擦力； ③涂层法。若是预制打入桩,打桩前在中性点以上桩身涂1ｍｍ厚的沥青,涂层产生剪应变,降低桩表面的负摩擦力；

④地基浸水法。该法使地基先浸水,增加孔隙压力,降低桩侧摩擦力；

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⑤解负摩擦力的作用；

⑥软土地基处治,为了避免桩基沉降,消减桩基负摩擦力,在钻孔灌注桩施工之前,先在桥台软土地基地段实施处治,以减少由于软基沉降对桥台桩产生的负摩擦力,达到消减负摩擦力的目的；

⑦套管保护桩法,在中性点以上桩段罩上一段半径大于桩径钢套管,使该段桩身不致受到土的负摩擦力作用,该法会较大增加工程投资；

⑧允许桩基增加少许沉降量而重新选择持力层。对于桩基工程,利用负摩擦力处理建筑物病害也是最有效的方法之一。尤其是桩的负摩擦力对于倾斜的建筑物纠倾起到了重要作用,例如用注水法使软土产生负摩擦力,或降低水位使土体固结,促使桩基下沉,从而使建筑物得到纠倾。

以上提供的处治方法仅是一般的经验总结，而在工程实践中，要根据实际工程地质状况、环境、气候条件等综合因素来选择一种适合该工程施工的合理处理方法，以尽量减少负摩阻力的影响。

§3 桩基负摩阻力的影响因素及负摩阻力对桩设计的影响 一、桩基负摩阻力的影响因素

考虑到产生桩的负摩阻力的条件，便可得出影响桩的负摩阻力的因素，其中包括土的自重作用使土产生固结、湿陷性黄土下沉和冻土融化下沉、地下水位的变化、桩周的地表面有大面积堆载引起地面沉降、地基中液化土层发生变化引起地基土层大面积下沉等，而在众多

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影响桩的下曳荷载（即负摩阻力）的因素中，在黄土地区，黄土的应力历史及固结特性、作用于地面的超载的大小及性质、桩土界面上剪应力的发挥程度，桩尖支承条件、桩材的压缩性和沉桩方法对基土性质的影响以及时间效应和群桩效应等。欠固结黄土层固结沉降的时间效应是众所周知的，因此负摩阻力的产生和发展要经历一个时间过程。这一过程的长短取决于桩侧土固结完成的时间和桩自身沉降完成的时间。当后者先于前者完成时，则负摩阻力达到峰值后稳定不变；反之，当桩的沉降迟于桩侧土完成时，则负摩阻力在达到峰值后又会有所降低。固结土层愈厚，土的渗透性愈低，负摩阻力达峰值所需时间愈长。由于中性点位置也同样存在时间效应。一般地说，对土层比较复杂的桩基，要从理论上确定中性点的位置是有困难的。

另外，影响负摩阻力的因素还有群桩效应。主要是群桩中的土体受着包围它的桩群的支托，固结下沉受到限制，因而负摩阻力不能充分发挥，当群桩中各桩表面单位面积所分担的土体重量小于单桩的负摩阻力极限值时，则会导致群桩的负摩阻力降低。此外，外围桩对于地面堆载附加应力起遮挡作用，也会使群桩的负摩阻力降低。如何确定群桩的下曳荷载是工程实践中为人们密切关注的问题。但群桩效应涉及的因素较多，诸如群桩基形、桩数、桩距、地基土土质、沉桩方法以及承台刚度等，因而目前对负摩阻力的群桩效应问题，只能利用一些经一定简化处理而得的实用解答来解决。 二、负摩阻力对桩设计的影响

桩基设计必须满足地基土的抗力和桩身强度两方面的要求，因此

39

设计中对负摩阻力的考虑主要是看其对地基土抗力、桩身强度及负摩阻力对桩长的影响，其主要表现概括如下：

⑴作用于桩侧表面的总负摩阻力有可能使桩的负荷太大，从而使桩基的沉降过大或桩身结构受到破坏。

⑵正如前面已指出过的，由于桩承担了一部分土体重量，即负摩阻力减小了桩端标高处有效覆盖压力，这可能导致桩端阻力降低。

⑶当建筑物的部分基础或同一基础中部分桩发生负摩阻力，将出现桩群的不均匀沉降，致使上部结构破坏。

⑷负摩阻力对桩的作用可达到中性点的标高处。在挪威，认为如果把中性点以下桩的弹性压缩都考虑在内的话，可假设中性点是位于周围土沉降为5mm的标高处；对打到基岩的桩，一般认为应假设中性点位于桩端处。

⑸桩群四角的桩分担负摩阻力比桩群内部的要大，一般认为，应该把沿桩周围的各根桩设计成可以承受相当于

Q0=slpτu

的荷载；而对于桩群中间的各桩，应按承受负摩阻力的荷载进行设计，其值相当于桩周围填土的总重量，即

Q0=q填·s2

在上两式中，

S —桩的间距；

lp —打到岩层的桩的总长度或到中点性的距离，即lp＝ls 或lp

＝ln；

40

τu—地基土的不排水抗剪强度； q填—桩周单位面积填土重。

⑹在正常固结的软粘土中，如果桩长是20～25m，其负摩阻力常常与桩的容许荷载值相等，在此情况下，应估计到端承桩会转变为摩擦桩。

41

第四章 黄土地区桩基理论计算

在了解黄土的湿陷特性后就可据具体的工程项目确定桩基设计的相关参数，根据相应的参数进一步进行理论研究。 §1负摩阻力对桩有效长度的影响 一、桩长的设计

我们要考虑在黄土地区桩长的确定方式，首先必须先明确不计黄土湿陷时桩长的确定。

㈠在不计黄土湿陷性引起桩的负摩阻力的影响的情况下来确定桩长度。

F＝8000kN

R Z F＝8000kN为桩的极限承载力,首先根据所给承载力初步拟定桩的直径为1.2m，并配有能满足强度要求的钢筋。根据力学平衡方程式有：Z0,即

F-Fp－R=0

在此考虑最不利的纯摩擦桩情况，即R=0,故F＝Fp， （4-1-1）

42

h Fp＝0fp•Udz （4-1-2） 其中：

fp－单位表面积的正摩阻力，用公式fp＝ktgφ确定，＝γz； σσvvγ－土的容重；

hZ－计算点深度； K－土的侧压系数； U－桩的周长。 φ－土有效内摩擦角。

联立式（4-1-1）、（4-1-2）可得： h＝

2F

ktgφγ1.2π这里取φ＝27º，k＝0.95-sinφ＝0.496，γ＝19.5，所以有： h＝

28000

0.496tan2719.51.2π ＝ 29.3m

因此在不考虑负摩阻力的情况下，承载8000kN的荷载需要29.3m的桩长。

在试验中当荷载为9600kN时，试桩仍没有达到其极限状态，要使桩承受9600kN的荷载，理论上需要的桩长为：

h＝

29600

0.496tan2719.51.2π ＝32.2m<35m ㈡中性点的位置计算

在西部地区的黄土湿陷性地区进行桩基础的设计必须考虑负摩

43

阻力的影响，但桩身负摩阻力并不一定发生于整个压缩土层中。其深度就是桩侧土层对桩产生相对下沉的范围，它与桩侧土的压缩、固结、桩身弹性压缩变形及桩端下沉等直接有关。桩侧土的压缩与地表作用荷载及土的压缩性质有关，并随深度逐渐减少，而桩在外荷载作用下，桩端的下沉量为一定值，桩身压缩变形随深度相应减少，因此当到一定深度后，桩侧土的下沉量有可能与桩身的位移量相等，桩土无相对位移，摩阻力等于零，该断面称之为中性点。中性点是摩阻力变化、桩、土相对位移变化和轴向压力沿桩身变化的特征点。中性点以上桩的位移小于桩侧土的位移，轴向应力随深度递增；中性点以下桩的位移大于桩侧土的位移，轴向压力随深度递减。如下图所示： P0 0 τ0 0 Δ 0 P0 p 0 S h1 h2 h Z

（a） （b） （c） （d） （e）

图4.1 负摩阻力图示

上图中图（a）表示中性点示意图，图（b）表示摩阻力τ0沿深度变化情况，图（c）表示桩土的相对位移随深度变化，图（d）表示出轴力随深度变化情况，图（e）说明了中性点位置的确定方式。中性点位置一般可根据桩的沉降δ（z）与桩侧土沉降S（z）相等的条件

44

确定：

δ（z）＝S（z）

桩的沉降δ（z）包含桩的弹性压缩δe（z）和和桩的贯入沉降δp（z）。对于l/d较小的桩，δe（z）可忽略。现介绍一种实用的确定中性点位置的方法，见图4.2：

下面这种确定黄土湿陷性对桩长度的影响方法是在假定考虑湿陷性的情况下29.3m的桩仍能够承受8000kN的极限承载力。其计算步骤如下：

一般设单位面积负摩阻力：

fn＝K0tgφ （4-1-3） σ0式中：－有效上覆应力。 σ0 σ＝γihi （4-1-4） 0则： Fn=0fnUdz= U0K0γ1tgφzdz （4-1-5） 令 K0γ1tgφ＝α1 （4-1-6）

h0h0 h0 F 中性点 h1 湿陷性土层厚

R Z

图4.2 中性点计算示意图

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h2

2

zdz则式（4-1-6）代入式Fn＝U0α＝αUh （4-1-7） 111h112 同理可得：

Fp＝hUα2zdz＋Uα2zdz h01h1h22222＝α 1Uh1h0＋α2Uh2h1 （4-1-8）

1212式中：U－桩周长； Fn－桩周负摩阻力； Fp－桩周正摩阻力。 再令χ=

R RFp则χ= 0 纯摩察桩 1 桩周正摩阻力

这里仍只考虑R=0的情形，一般可用下公式计算： 据力学平衡条件有：Z0

F+Fn -Fp－R=0 （4-1-9） 将（4-1-7）、（4-1-8）代入（4-1-9）得：

2222 F+α1Uh12－[α1Uh1h0＋α2Uh2h1]=0 （4-1-10）

121212 其中：

α1 ＝K0γ1tgφ （4-1-11） α2 ＝K0γ2tgφ （4-1-12） U ＝1.2π （4-1-13）

将（4-1-11）、（4-1-12）、（4-1-13）代入（4-1-10）可得：

2F+γ1·h02=γ1·(h12- h02)+ γ2·(h22- h12)

1.2π·k0·tanφ 46

2800022 ＋21h0＝21（152－h0）＋19.5（29.32152）1.2π0.496tan27两边整理得： h0＝2.6m

因此可知：受湿陷性的影响，桩的负摩阻力影响长度为2.6m，即中性点的位置为距桩顶2.6m的位置，而要使桩能满足承载要求，必须给原桩长以一定的加长，以抵消负摩阻力引起的正摩阻力的削减。

在加长时，我们考虑的不仅是用加长段的正摩阻力来抵消负摩阻力的大小，而且还要给原桩的极限承载力以一定力的补偿。假定加长长度为Δl，进一步考虑不受桩的埋深的影响可保守地近似用下公式来计算：

2UfnzdzUfpzdz （4-1-14）

00h0Δl 化解并整理得：

Uγ1tgφ·h02＝0.5U·γ2tgφ·Δl2

Δl＝ ＝

2γ1h0 γ22212.6 19.5 ＝3.8m

因此从理论上来计算需加长的桩长为3.8m，而在实际设计过程中，因考虑到对黄土的湿陷性还不能足够定性地进行分析，故给了一定的安全系数，对芝川河大桥的湿陷性桩基，当承载8000kN的极限承载力时，选用加长至35m的桩来达到承载要求，已经有足够正摩阻力储备。

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在工程实际中，随着承载力的增大，桩的沉降随之相对增大，桩和黄土之间的相对运动段将会减小，即负摩阻力影响长度远不及此处所考虑的大。通常在设计过程中，设计单位根据黄土湿陷性较为严重的地区，将在桩的原有长度的基础上加长10～15m来抵消因负摩阻力的影响而造成的应力损失。在芝川河大桥的现场试验过程中采用35m的桩长来承载8000kN荷载的试验是完全可以满足承载要求的。故设计院所考虑的湿陷性黄土产生的负摩阻力对桩长影响的设计参数是较为合理的。

上面的推导过程有一定的近似性，在实践中影响中性点深h1的因素较多，主要有：

⑴桩底持力层的刚度，一般说来持力层越硬，中性点h1就越深，柱桩的h1大于摩察桩；

⑵桩周土层的变形性质和应力历史。桩周土层压缩性越高，欠固结度越大，土层越厚，中性点深度h1就越大；

⑶如负摩阻力系由沉桩后外部条件引起的或在桩顶荷载作用下沉降已完成的情况下，h1较大；当堆载强度和面积、地下水降低幅度和面积越大，则h1越大；

⑷桩的长径比越小，截面刚度越大，则h1越大。

另外，由于负摩阻力系由桩侧土层的固结沉降所引起的，因此负摩阻力的产生和发展要静力一时间过程。

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§2 负摩阻力计算

在上节介绍了桩长的确定以及设计单位如何考虑黄土湿陷引起的负摩阻力对桩长的影响，本节将进一步推算出负摩阻力的大小及考虑负摩阻力影响后桩的极限承载力。 一、负摩阻力的确定

桩的负摩阻力强度与基桩沉降及桩侧土压缩沉降、沉降速率、稳定历时等有关因素有关，且它随时间的变化也较复杂。为确定桩负摩阻力强度大小，就必须研究产生负摩阻力时桩与土共同特点、土沿桩身的抗剪强度特征及桩侧的应力状态。为简便起见，各种负摩阻力计算方法均假定：桩周负摩阻力是均匀分布，对于分层地基，也假定在同一土层内的负摩阻力是均匀分布的。同时也假定：对于同一土类，作用于桩周单位面积的负摩阻力和正摩阻力在数值上大致相等。

这里按照有效应力法来确定桩的负摩阻力的大小。《建筑桩基技术规范》中推荐用此方法，具体按下列公式计算：

fn＝K0σvtgφ （4-2-1）

＝βσv （4-2-2）

v

＝γZ （4-2-3） σ

式中：fn－桩的负摩阻力强度（kPa）； γ－土的有效重度（kN/m3）； Z－计算深度（m）； σv－土的垂直有效应力； β－系数，β＝0.2～0.5。

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系数β主要由土质条件确定，同时与桩型（材料、表面状态，桩端形式及尺寸等）、沉桩方法、支承条件等因素有关，一般由试验确定。《建筑桩基技术规范》中给出的β值见下表4-1。 负摩阻力系数β 表4-1

土类 β 土类 β 饱和软土 0.15～0.25 砂 土 0.35～0.50 粘性土、粉土 0.25～0.40 自重湿陷性黄土 0.20～0.35 下面我们用查表与直接代公式两种方法进行计算：

1.从上表可看出在湿陷性黄土地区β的取值范围为0.20～0.35，根据有关资料对于芝川河大桥所处的湿陷性黄土地区β取0.25，将该值代入式（4-2-2）、（4-2-3）中有：

fn＝βσv

Z ＝βγ＝0.25×21×2.6 ＝13.65kPa 2.直接代公式

由式 （4-2-1）知： fn＝K0σvtgφ

据地质资料可知φ＝27 º，又据规范有K0＝0.95-sinφ＝0.496，将其代入上式得：

fn＝0.496×21×2.6×tan27 º ＝13.80kPa

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两种算法计算结果相差不超过2℅，近似取中间值有：fn＝13.73kPa。因此负摩阻力的计算值为13.73kPa。

§3 桩的极限承载力与容许承载力的计算

由于桩产生的负摩阻力，桩周土体的一部分重量将被传到桩上去，形成下拉荷载；又由于有荷载传递给桩，土体中的垂直有效应力就随土体重量的减小而减小，这就引起了两种作用：

㈠、桩或墩上的荷载增加；

㈡、桩端高程处侧限有效应力降低，使极限承载力也降低。 因此，桩上作用的下拉荷载既可以和桩顶荷载一样，作为桩上的一种外荷载，或可视为桩上的恒载。 1.下拉荷载的计算

在综合有效应力法和经验法基础上，建议按以下方法计算桩侧土自重湿陷影响而使地面产生大于桩的沉降时所出现的负摩阻力极限值。

下拉荷载的计算公式：

NF=Ufnili （4－2－4）

i1n式中：NF-桩的下拉荷载；

i－土层编号；

n－产生负摩阻力的土层数，均在中性点以上； fni－第i层土的负摩阻力强度； li－中性点以上各土层的厚度。

51

F hi+1 hi 湿陷黄土层厚

R Z

图4.3 下拉荷载计算图式

按式（4－2－1）算出的下拉荷载不应大于单桩所分配承受的桩周下沉土重（可按相邻桩距之半计算，其深度为中性点）。下面计算芝川河大桥桩长35m，桩径1.2m时桩的下拉荷载：

NF＝Ufnili

i1nh ＝1.2π× ＝67kN

13.8×2.6 22.考虑负摩阻力的单桩承载力计算

桩身负摩阻力的产生使桩侧土支承力减小， 必将影响桩的承载能力，考虑负摩阻力作用时，单桩竖向受压极限承载力可按下式计算：

P + NF≤PF + PB （4-2-5） 式中：P－桩顶竖向荷载（kN）； PF-桩侧极限正摩阻力（kN）； PB-桩底极限阻力（kN）。

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在计算过程中，一般认为桩的重量可与桩排去的土重相抵消，故可不考虑。至于正摩阻力，当桩的下端的持力层比较密实时可把持力层内的正摩阻力考虑进去，例如日本港湾建筑物设计标准就采用了这种方法；当持力层较松软时，则一般不取用正摩阻力，而只把它当作额外的安全储备。

从式（4-2-5）可知，要求出桩顶极限承载力，必须先确定出桩侧极限正摩阻力和桩底极限阻力。

⑴极限正摩阻力的确定

桩侧极限正摩阻力可按规范进行查询，见下面规范表：

钻孔灌注桩桩周的极限摩阻力τi 表4－2

土 类 极限摩阻力τi（kPa）

回填的中密炉渣、粉煤灰 40～60 流塑粘土、亚粘土、亚砂土 20～30 软塑粘土 30～50 硬塑粘土 50～80 硬粘土 80～120 软塑亚粘土、亚砂土 35～55 硬塑亚粘土、亚砂土 55～85 粉砂、细砂 35～55 中砂 40～60 粗砂、砾砂 60～140 砾石 120～180 砾石、卵石 160～400

根据芝川河大桥桩的地质资料可以知道该土应介于软塑粘土与硬塑粘土之间，这里取τ1 ＝50kPa，τ2＝60 kPa 。

PF=U·τi hi

i12 ＝1.2π×（50×12.4＋60×20）

53

＝6989.9kN ⑵桩底极限阻力

对于PB这里用下公式进行计算：

PB＝A ·σR (4-2-6) 式中：A－桩截面面积；

σR－桩底极限承载力，用下公式计算：

σR＝2m0λ{[σ0]+k2γ2(h-3)} （4-2-7） [σ0]－桩尖处土的容许承载力（kPa ），通过查表可得； h－桩尖的埋置深度（m），对于有冲刷的基础， 埋深

由一般冲刷线起算；对无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算；h的计算值不大于40m，当大于40m时，按40m计算，或按试验确定其承载力；

k2－地面土容许承载力随深度的修正系数； γ2－桩尖以上土的容重（kN/m3）； λ－修正系数。

同样根据芝川河大桥的地质资料及相关规范，所取参数如下： m0=1.0 ,k2=1.5,γ2=19.5 kN/m3,λ=0.7,[σ0]=300 ,h=20，并将之代入公式（4-2-7）可得：

σR＝2×1.0×0.7×{300+1.5×19.5×(20-3)} ＝1116.2 kN PB＝A ·σR

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＝πr2·σR

＝π×0.62×1116.2＝1262.4kN 将NF、 PB、PF代入式（4-2-5）中可得：

P≤PB＋PF－NF＝6989.9+1262.4-67＝8185.3 kN 因此该35m桩的极限承载力为8185.3 kN。

然而在设计过程中，设计单位所设计的桩的容许承载力用下公式进行计算：

P + NF≤（PF + PB） （4-2-8）

如该桩的容许承载力应为：

P≤0.5×(6989.9+1262.4)-67＝4059.15 kN

可见设计过程中采用了安全系数2已给桩的承载能力足够的安全储备，避免因特殊荷载作用使得结构物破坏。

综上所述,在现实过程中我们遇到不外乎桩基的设计及对已有桩的评价分析,具体分析方法与过程可以用以下流程图来表示。

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12

不考虑负摩阻力在纯 h＝2F 摩擦条件下计算桩长 ktgφγ1.2π F+F假定能满足极限荷载，考虑负摩阻力计算负摩阻n -Fp－R=0

力对桩长的影响长度 不考虑桩埋深对桩侧阻2h0UfzdzΔl力影响时计算桩的加长 0n0Ufpzdz P2F=U·τi hii1 据公式计算计算桩侧正计算桩底桩的下拉荷摩阻力 极限阻力

计算桩顶极限荷 P≤PB＋PF－NF NnF=Ufnili PB＝A ·σR i1图4.4桩的设计过程

56

h不考虑负摩阻力在纯 ＝2Fktgφγ1.2π 摩擦条件下计算桩长 停止 否 L算是否小于L原 是 F+F假定能满足极限荷载，考虑负摩阻力计算负摩阻n -Fp－R=0 力对桩长的影响长度 h0Δl不考虑桩埋深对桩侧阻20Ufnzdz0Ufpzdz 力影响时计算桩的加长 L算＋Δl是否小于L原 否 停止 是 P2F=U·τi hi i1 据公式计算计算桩侧正计算桩底桩的下拉荷摩阻力 极限阻力 计算桩顶极限荷 P≤PB＋PF－NF NnF=Ufnili PB＝A ·σR i1

图4.5 检验已有桩的性能

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第五章 结束语

§1 计算结果与试验数据对比分析

理论计算与试验数据对比分析可以通过桩长、负摩阻力的影响长度、极限承载力、极限正摩阻力以及负摩阻力这几个方面分别进行阐述。

一、设计桩长

从上章的设计计算过程可知，在极限承载力为8000kN的情况下，不考虑黄土的湿陷性（即未浸水）时，只需29.3m长的桩就可满足设计要求，当考虑黄土湿陷性时，通过计算知桩需加长3.8m，即桩长为33.1m即可满足桩要求的承载力要求。可见设计单位在设计过程中采用35m长的桩来补偿桩的负摩阻力对桩的影响已足可满足桩的承载要求，并有一定的安全储备。所以设计院提供的在湿陷性黄土地区一般根据具体情况加长参数的设置是有理论基础的。 二、负摩阻力的影响长度

在不计负摩阻力的情况下，29.3m的桩长就足以承受桩的极限承载力8000kN，当将负摩阻力计入时，假定29.3m的桩仍能承受8000kN的极限承载力，此时负摩阻力对桩的影响长度为2.6m，实际用来承受桩顶荷载的极限荷载的桩长为远小于29.3m，这就要求给桩一定的加长来弥补因负摩阻力产生的反向荷载及失去的正摩阻力。通过公式：20Ufnzdz0Ufpzdz来计算桩的应加长段，可得需加长3.8m。该桩长的计算公式没有考虑因桩的埋深的不同而引起桩侧摩阻力是很

58

h0Δl具保守性的，可见在原有29.3m的桩长的基础上加长3.8m（即33.1m）足以满足桩的承载要求的，与设计单位所设计的35m桩长相比较为近似而且是偏于安全的。 三、极限承载力

试验过程中未浸水时当桩顶荷载超过8000kN时，桩的沉降还没有明显突变，即未达到桩的极限承载力，甚至当桩顶荷载在9600kN时仍没有较为明显的反应，说明桩承载力不小于9600kN。在理论计算过程中，由上章桩长设计中的h＝32.2m<35m,所以桩还没有达到它本身真正能承受的荷载，因此在试验过程中，在9600kN的大荷载作用下仍没有发现桩有大的沉降突变。可见试验结论与理论计算是完全符合的。

浸水后，当桩顶荷载小于8000kN时，桩顶沉降比较平稳，而当桩顶荷载超过8000kN时，桩产生明显沉降，说明此时桩达到极限承载力，这与理论计算的在浸水状态下桩顶的极限承载力为8185.3kN极为接近，也从理论上证实了该桩满足极限承载力。 四、桩侧正摩阻力

未浸水时，当加载至最大9600kN时，桩26m以上大部分土层达极限值，而26m以下则仍未达极限值。桩侧土层达极限状态侧阻力值在29.75～99.87kPa之间。而在理论计算中通过规范较为保守地取桩侧的极限承载力50～60kPa，理论值基本为试验值的平均，在某种程度上可认为桩侧摩阻力理论计算与试验结果符合较好。

在浸水后，桩侧明显出现负摩阻力，当加载至最大8000kN时，

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正极限摩阻力在29.39～86.7kPa之间，此时理论上仍然取50～60kPa的极限承载力，该值与试验平均值相近，故可认为较为合理。 五、桩侧负摩阻力

在浸水后，桩侧明显出现负摩阻力，其分布范围大都在距桩顶3m左右的范围内，负摩阻力值在-2.18～-38.82kPa之间变化。在上章中用两种方法计算出桩的负摩阻力均为13.6kPa左右，该理论值也能较接近试验的平均值，因此用该理论值做进一步计算能很好符合桩的实际情况。从负摩阻力方面来说理论计算足以满足试验要求，所以由此而得的桩的极限承载力也有一定的可靠性。 六、桩的沉降与负摩阻

未浸水时桩及桩周土沉降变形一样比较小，而且桩的沉降速度相对桩周土较快，不会产生负摩阻力，试验数据证实了实际与理论相符。

当浸水时由于桩周土的抗剪强度降低，桩的沉降较未浸水时大，桩侧土变形也较大。荷载不大时，桩周土的变形相对桩要大些；荷载较大时，由于较大的荷载使桩下沉的速度加快，桩周土相对桩不仅下沉量减小，而且相对下沉段的长度也减小。这就与试验中桩侧的负摩阻力随着荷载的增加有逐渐减小的趋势相吻合。

§2 主要研究结论

上节中已经通过理论与实际的结合得出桩的承载力、负摩阻力及其对桩长影响等等，这里就不再赘述这些已有结论。

然而通过桩的设计长度、负摩阻力对桩长的影响、负摩阻力的大

60

小、极限承载力、桩侧的正负摩阻力在理论与试验中的对比可以发现，两者符合的相当好，这不仅证实了在芝川河特大桥的桩基试验中用35m的桩长来满足桩的极限承载力的可靠性，并能补偿负摩阻力带来的影响，而且还说明我们在求解过程中所采用的理论计算方法有较高的适用性，这是我们得出的最主要的结论。

因为在芝川河特大桥中已经很好地验证了该套计算方法的合理性，下面将系统地阐述一下在进行桩基设计或工程实例分析时的具体步骤。

一般在实际中我们可能会遇到两种情况：一种是图4.4所示设计满足一定承载要求的桩基础；另一种是图4.5所示的情况，即对已设计的桥梁桩基进行验证，判断其桩长、桩径、极限承载力、特殊地区的特殊受力情形（如黄土的湿陷性）等等是否满足设计条件要求。

对第一种问题首先根据地质资料确定相关的地质参数，并据其极限承载力首先不计桩的负摩阻力而考虑在纯摩擦的情况下确定桩的长度，然后假定桩即使有负摩阻力的作用仍能满足桩的极限承载力要求，进一步算出此时桩所受负摩阻力影响的长度，接着较为保守地不计桩的埋深对桩侧阻力的影响用公式计算桩实际需要加长的长度。最后在考虑一定的安全系数后确定出桩的长度。

对第二种情况，同样根据地质资料首先确定有关地质参数，并测出桩径、桩长，根据上表的步骤先计算理论上要达到现有桩的承载力要求的桩长，再与现有桩长比较，如果大于现有桩长，则说明以前设计的桩长不能满足设计要求，如果小于现有桩长，则同上情况接着

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算负摩阻力的影响长度，再算出需加长桩的长度，再判断总长度是否满足要求等等，这里不再赘述。

这种简单而适用的理论计算方法为我们今后的计算提供了一定的参考。虽然在本工程项目中该理论符合的较好，但其中也有较多的近似，比如首先假定考虑桩的负摩阻力时桩长仍能满足在不考虑时的极限承载力，以此时所计算负摩阻力对桩长的影响代替实际中负摩阻力对桩长的影响，其中有较高的近似性，所以说这种计算方法还需要经多个工程的进一步证实，但它给出了一种研究的思路，是否真正适用还有待进一步考证。

对这个研究问题，今后的研究内容可以从编一套适用的程序着手，通过人机直接对话来分析桩基础相关特性，从而为设计、检测提供更多的方便。

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