湿陷性黄土地区桩基设计

摘要：我国分布有大面积的湿陷性黄土,以覆盖广、厚度大著称于世。湿陷性黄土中的桩基在浸水后产生的技术问题早已为工程界所重视，随着国家建设规模的扩大，在大厚度湿陷性黄土中的桩基越来越多。黄土的湿陷现实现象是一个复杂的物理、化学、地质学的变化过程，它受到多方面因素的影响和制约。做好湿陷性换土地区的桩基设计和处理意义重大。本文首先对湿陷性黄土进行了概述，然后提出了该地区桩基础设计的要求和桩基类型的选择，最后对其设计和处理要点进行了阐述。

关键词：湿陷性；黄土；桩基；负摩阻力

Abstract: the distribution of our country has large areas of collapsible loess, well known for its wide coverage, large thickness. Pile in collapsible loess after flooding technology problem has already been attention by engineering, with the expansion of national construction, the large thickness of pile foundation in collapsible loess is increasing. The loess collapsibility of real phenomenon is a complex changes in the process of physics, chemistry, geology, it affected and restricted by various factors. Collapsibility well in land area of the pile foundation design and treatment is of great significance. This paper on the collapsible loess were summarized, and then puts forward the requirements for pile foundation design and pile foundation types in the region of choice, finally the design and processing on the key points are expounded.

Key words: wet sex; The loess; Pile foundation; Negative friction resistance

中图分类号：U445.55+1文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

湿陷性黄土概述

我国是世界上黄土面积分布最广泛的国家之一，其中约占3/4的黄土为湿陷性黄土。其最主要的特性是在土的白重压力或自重压力与附加压力共同作用下受水浸湿而产生的大量而急剧的附加下沉，会在桩侧表面产生的负摩阻力。负摩阻力会成为附加于桩侧表面的下曳荷载。

湿陷性黄土中的负摩阻力与浸水时桩顶有无荷载有关，桩顶无荷载时，浸水湿陷引起的负摩阻力大，中性点低；桩顶在荷载作用下，浸水湿陷引起的负摩阻力小，中性点高。从理论上分析中性点位置的高低也与桩顶有无荷载有关。桩顶无荷载时，由黄土湿陷引起的桩土间相对位移比桩顶有荷载时要大，因此桩上部负摩阻力得以充分发挥，中性点位置较深。

湿陷性黄土地区桩基础设计的要求

桩基础是将上部荷载传递给桩侧和桩底端以下的土(或岩)层，采用挖、钻孔等非挤土方法而成的桩，在成孔过程中将土排除孔外，桩孔周围土的性质并无改善。试验研究资料表明，设置在湿陷性黄土场地上的桩基础，桩周土受水浸湿后，桩侧摩擦力大幅度减小，甚至消失，当桩周土产生自重湿陷时，桩侧的正摩擦力迅速转化为负摩擦力。

因此，在湿陷性黄土场地上，不允许采用摩擦型桩，设计桩基础除桩身强度必须满足要求外，还应根据场地工程地质条件，采用穿透湿陷性黄土层的端承型桩(包括端承桩和摩擦端承桩)，其桩底端以下的持力层，在非自重湿陷性黄土场地，必须是压缩性较低的非湿陷性黄土(岩)层；在自重湿陷性黄土场地，必须是低压缩性的非湿性土黄(岩)层。这样，当桩周的土受水浸湿，桩侧的正摩擦力转化为负摩擦力时，便可由桩底的下部非湿陷黄土(岩)层所承受，同时桩基地基也不致因浸水引起湿陷，以保证建筑物的安全与正常使用。

湿陷性黄土地区常用的桩基础类型

（一）锤击预制桩

该桩特点是不受气候条件限制，可随时施工，工艺简单，承载力大。20世纪90年代以来，为数不少的中、高层建筑采用这—类型处理地基。采用该技术的工程在工期、投资、承载力方面都达到了预期的效果。

（二）预制钢筋混凝土桩

不需考虑噪音污染和震动影响的环境；持力层上覆盖为松软地层，没有坚硬夹层的地区；持力层顶面起伏变化不大，桩长易于控制的工程；水下桩基工程；大面积打桩工程(由于打入桩设备和工序简单，工效高，在桩数较多的情况下，可抵消预制桩价格较高的缺点)。对于湿陷性黄土地区宜于使用。

（三）振动沉管灌注桩

可以穿越湿陷性黄土、黏性土、粉土、淤泥、松散中密的砂土及人工填土等土层，不宜用于持力层上的黄土层中夹杂有橡皮土、密实砂土、碎石土的地区。当地基中存在承压水，或有厚度较大、含水量和灵敏度高的软土层时更应谨慎使用。

图1振动沉管灌注桩示意图

（四）人工挖孔灌注桩

宜在持力层在地下水位以上及土层较薄的地区施工，邻近建筑物密集或桩数较少时尤为适用。有松砂、流砂层，连续极软弱土层，地下水涌量多且难以抽水的地层，孔内氧气缺乏或有有害气体时则不能选用。

（五）泥浆护壁机械钻孔灌注桩

对于湿陷性黄土地区的各种地层情况基本都适用，尤其是水下桩基施工有其突出的优势。

图2泥浆护壁机械钻孔桩灌注桩示意图

湿陷性黄土地区桩基础设计的要点

（一）桩基负摩阻力的机理及计算方法

1、桩基负摩阻力的机理

湿陷性黄土具有低含水量、高孔隙率和碳酸盐含量高等特征，因此具有遇水崩解、湿陷的特性，受水浸湿后会产生显著的附加沉降。由负摩阻力过渡到正摩阻力时存在一摩阻力为零的断面，称该断面为中性点。

图3桩基负摩阻力示意图

大量试验结果表明：开始浸水时桩身上即有负摩阻力的作用，但数值很小；随着湿陷量的增长，负摩阻力也逐渐增大；当整个湿陷性土层受水浸湿并产生湿陷后，负摩阻力到峰值；之后，尽管湿陷量继续增长但负摩阻力反而有所降低。这表明负摩阻力的最大值不是出现在浸水期间，而是出现在停水后土体自重固结阶段。

这已被现场试验结果所证实。它不同于一般地基由其它原因造成的桩基负摩擦力，它具有发展速度快、变化量大等特点，因此往往给结构带来严重的危害。

2、负摩阻力的计算

为确定桩负摩擦力强度的大小，就必须研究产生负摩擦力时桩与同工作特点、土沿桩身抗剪强度特征及桩侧应力状态。为方便起见，我们假定桩周负摩擦力是均匀分布的，对于分层地基，假定在同一土层内的负摩擦力是均匀分布的。

目前，计算桩基负摩阻力的方法有：①根据土的种类（或土的强度）确定桩基单位负摩阻力；②根据桩的类型确定桩基单位负摩阻力；③弹性理论分析法，即根据桩身截面位移与相邻土层位移相等建立线性方程组求解桩身负摩阻力分布；④有效应力法和基于有效应力法的派生方法。其中方法①及②为纯经验性的，精度较差，方法③适用于固结性土或胀缩性土，方法④是目前计算桩基负摩阻力最常用方法之一。

有效应力法包括两个方面的内容：（l）单位负摩阻力沿桩身的分布ƒn；（2）中性点深度ιn。

有效应力法计算出的单位负摩阻力ƒn随桩深增大而增大，而中性点处ƒn为零，因此在存在中性点的桩身摩阻力分布图上有ƒn的最大值。实测证明：由ƒn的最大值减小到ƒn为零要经历相当长的一段桩长。而如果把ƒn的最大值对应中性点深度是不合理的，有些情况下误差甚至是相当大的。那么有理由相信：即使对ιn的任一小量的缩小ƒn来作为最大值ƒn max对应桩深ιm，都是向正确反映事实的靠近。

基于这一点，采用经验公式：ιn—ιm=0.06ƒn max（1），式中ιn、ιm的单位为m，ƒn max的单位为kPa。

（二）湿陷性黄土地区桩基的处理设计

对与于负摩阻力的防治在工程设计中主要通过对基础处理和桩身处理，以减少地基和桩身沉降达到减少负摩擦力的目的。目前，工程中一般采用以下几种措施以减少可能产生的负摩阻力：

承柱桩法，增大桩断面来承受负摩擦力。

群桩法，增加桩数来体现群桩效应，减少负摩擦力。

涂层法，对于预制打入桩，打桩前中性点以上桩身涂1 mm厚的沥青，涂层产生剪应变，降低桩表面负摩擦力。

地基浸水法，使地基先浸水，增加孔隙水压力，降低桩侧摩擦力。

分段施工法，将桩基施工一段时间后，再继续其上部的结构施工，可以缓解负摩擦力的作用。

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，以减少由于软土沉降对桥台桩基产生的负摩擦力，达到减少负摩擦力的目的。

套管保护桩法。在中性点以上段罩上一段直径大于桩径刚套管，使该桩身不致受土的负摩擦力作。

下面详细介绍两种湿陷性黄土地区的装机处理设计方法：

1、水泥土搅拌桩法

水泥土搅拌桩一般用于增加软土地基的承载力，减少沉降量。

（1）桩径以及桩间距和桩长选择

桩长应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，水泥土搅拌桩应尽可能穿透软弱土层，到达承载力相对较高的持力层，尽量避免在深厚软土层中采用“悬浮”桩型。一般情况下，湿法的加固深度不宜大于20m，干法的加固深度不宜大于15m，桩径不宜小于500mm。

（2）单桩竖向承载力特征值计算

初步设计时可按下式估算

式中： ——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（）；

——桩身强度折减系数，湿法取0.30；

——桩的周长（m）；——桩长范围内所划分的土层数；

——桩周第i层土的侧阻力特征系数；——桩长范围内第i层土的厚度；

——桩端地基土未经修正的承载力特征值（）；

——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.5。

（3）复合地基承载力特征值的确定

初步设计时可按下式估算

式中：——复合地基承载力特征值（）；——面积置换率；

——单桩竖向承载力特征值（kN）；——桩的截面积；

——桩间土承载力折减系数；——处理后的桩间土承载力特征值（），可取天然地基承载力特征值。

2、土桩及灰土桩挤密法

（1）土桩加固原理

在湿陷性黄土地区多采用土桩挤密法。土桩挤密地基是由素土夯填的土桩和桩间挤密土体组合而成。桩孔内夯填的土料多为就近挖运的黄土类土，其土质及夯实的标准于桩间挤密土基本一致，因此它们的物理力学性质也无明显的差异。很显然，土桩挤密法的加固作用主要是增加土的密实度，降低土中孔隙率，从而达到消除地基湿陷性和提高水稳定性的工程效果。土桩是一种柔性桩，不但桩孔部分夯填土要承受上部荷载，挤密后的桩间土也将分担很大一部分荷载。其主要特点是不需大挖大填，土方量少。

（2）桩孔直径的确定

桩孔直径宜为300～450mm，并可根据所选用的成孔设备或成孔方法确定。

（3）桩径和排距

桩孔宜按三角形布置，桩孔间的中心距离，可为桩孔直径的2.0～2.5倍，也可按下式估算：

式中 ：——桩孔之间的中心距离，m；——桩孔直径，m；

——桩间土的最大干密度，；——地基处理前土的平均干密度，；——桩土经过成孔挤密后的平均挤密系数，对重要的工程不宜小于0.93，对一般工程不应小于0.90。

桩间土的平均挤密系数按下式确定：式中： ——在成孔挤密深度内，桩间土的平均干密度（），平均试样不应少于6组。

结语

综上，桩基础是一种传统的基础形式，是湿陷性黄土地区的最主要基础形式之一，但是由于地质条件和使用条件的复杂多变，桩型、尺寸和工艺的发展仍给我们不断提出了新的课题，即使常规问题也仍需不断深化认识，有待进一步探索完善。

参考文献

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[2]徐建红.自重湿陷性黄土地区桩基设计探讨[J].探矿工程，2006.9.

[3]陈运飞，张利强，沙元恒，王明明.湿陷性黄土地区公路桥梁桩基础设计探讨[J].公路交通科技，2009.6.