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湿陷性黄土场地上的桩基础

摘要：随着高层建筑和大型工业建筑的发展，有些浅埋基础与地基的承载力往往不能满足设计要求，因而自20世纪90年代以来，在湿陷性黄土地区采用灌注桩和预制桩基础的工程日益增多。
：桩基础

众所周知，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。

1．灌注桩和预制桩的应用
灌注桩和预制桩作为端承型桩，在湿陷性黄土地区都获得广泛应用，但二者的成型工艺各有特点，选用时应根据场地工程地质条件确定。
灌注桩有扩底和不扩底的灌注桩两种。桩孔直径一般为60—80cm，底端扩大头直径一般为90～120cm，最大直径达180em，入土深度一般为10—25m，最大人土深度达30m以上。二者可采用人工挖孔，也可采用钻机或其它设备成孔。
为了提高桩基的承载力，充分发挥和利用桩底端下部土(岩)层的潜力，通常采用扩底灌注桩。1966—1968年在陕西、甘肃等省的建筑物中，广泛采用爆扩灌注桩，此种桩型也属于扩底灌注桩。
桩孔直径为80一lOOcm的不扩底灌注桩，在工程实践中通常称为井桩。20世纪60—70年代，兰州连城铝厂、兰州279厂等建成投产后，有些车间地基受水浸湿发生严重湿陷事故，影响安全使用，采用井桩(直径为80cm，桩底端支承在卵石层，人土深度为28～32m)对原有基础进行托换后，使濒临报废的若干车间得以恢复生产，给国家挽回了巨大的经济损失。
采用桩基础成功的实例尽管很多，但也有由于设计、施工不周而出事故的工程。例如：兰州刘家峡化肥厂的造粒塔，建在Ⅲ级自重湿陷性黄土场地上，采用爆扩桩基础，该场地的湿陷性黄土层厚度为16m，爆扩桩底端设置在地面下8m，试产结束后，由于未将水引入排水系统，而是直接流人地面及该塔地基，导致该塔沉降不均，产生严重倾斜，后来采取措施重新加深爆扩桩基础，将其穿透湿陷性黄土层，支承在可靠的卵石层上，沉降的发展才得以制止，推后正式投产近3年。又如，兰州连城铝厂的电解车间，也是建在Ⅲ级自重湿陷性黄土场地上，湿陷性黄土层厚度近30m，爆扩桩基础的埋深为12m，在使用期间，地基次受水浸湿引起严重湿陷，并多次加固地基和上部结构，效果不佳，最后采用井桩对原有基础进行托换，使井桩底端支承在卵石层上，吊车梁的柱基沉降才得以稳定。
从上述工程事故实例不难看出，采用桩基础不穿透湿陷性黄土层，只要桩底端下部土层受水浸湿，湿陷事故是不可避免的。
预制桩是施工前在砼预制厂(或工地)按设计图将桩提前预制好，养护期满后将其运至施工现场，一般使用方桩，其边长多为35cm×35cm。45cm×45em，人土深度为15—30m，并可将其分为打人式预制桩和静力压入式预制桩两种。前者一般采用锤重为1.8～2.5t的打桩设备将桩送入土中设计深度，后者是采用160t一400t的全液压压桩设备将桩送入土中设计深度，在打桩或压桩过程中将土挤向周围，使其周围一定范围内土的性质获得挤密及改善。
但由于灌注桩和预制桩的成型及施工工艺不同，它们的摩擦力和端承力等都有差异。设计时应根据场地土的性质和工程要求对桩型进行合理的选择。

2．桩的摩擦力和端承力
自20世纪70年代以来，我国在湿陷性黄土地区先后采用悬吊法和在桩体内埋设滑动测微计等方法，对端承型桩的摩擦力和端承力进行了较系统的试验研究，试测结果表明，桩周的湿陷性黄土受水浸湿以前，桩顶上的荷载由桩侧的正摩擦力和桩底端土的反力共同所承受，桩周土受水浸湿以后，在自重湿陷性黄土场地，桩侧的正摩擦力显著降低，甚至消失，桩顶上的大部或全部荷载由桩身传给桩底端的持力层所承受。故单桩的侧摩擦力和端承力均应按饱和状态下的土性指标确定，饱和状态下的液性指数可按下式计算：
I= - WW - W (1)
式中I——土的液性指数；
S——土的饱和度，可取O．85：
e——土的天然孔隙比；
d——土粒的相对密度；
W——土的液限含水量(％)；
Wp——土的塑限含水量(％)。
在自重湿陷性黄土场地，当桩周土层受水浸湿产生自重湿陷时，其相对位移远远大于桩的下沉量，因而沿桩身侧面产生向下作用的负摩擦力，此负摩擦力相当于给桩施加一个向下的附加荷载(简称下拉荷载)，并与桩顶上的荷载全部由桩身传给桩底端的持力层所承受。．确定单桩承载力时，除不计算湿陷性土层范围内桩侧的正摩擦力外，并应扣除桩侧的负摩擦力。
桩身钢筋砼的压缩变形很小。通常忽略不计，建(构)筑物在使用过程中，桩侧之所以产生负摩擦力，主要是由于防水措施失效，管道长期漏水或地面经常积水等原因，致使桩周土体由浅至深受水浸湿引起自重湿陷，此外，采用桩基的自重湿陷性黄土场地，大面积地下水位上升亦能导致桩侧产生负摩擦力。
据测试结果，在湿陷性黄土层厚度、总湿陷量、自重湿陷量均较大的自重湿陷性黄土场地，不论预制桩或挖、钻孔灌注桩，当桩周土层充分浸水时，桩侧平均负摩擦力可达16—20kPa，甚至更大，具体数值见表1。
桩侧平均负磨擦力(kpa) 表l
自重湿陷量(cm)
挖、钻孔灌注桩
预制桩
7～20
10
15
>20
15
20

3.桩侧负摩擦力的计算深度
目前国内外，一般以桩身的中性点作为计算桩侧负摩擦力深度的下部界限，而桩身的中性点取决于桩和桩周土层的相对位移均相同的位置。
当桩的下沉量小于桩周土层的下沉量时，桩周土对桩侧往往产生向下作用的负摩擦力，反之，桩周土对桩侧产生向上的正摩擦力。一般认为，桩的承台底面以下，桩身的中性点以上，桩周土层的下沉量大于桩的下沉量，桩侧的摩擦力为负值，桩身的中性点以下，桩底端以上，桩周土层的下沉量小于桩的下沉量，桩侧的摩擦力为正值，在负摩擦力过渡为正摩擦力的相交处，桩与桩周土层的下沉量相等，且摩擦力为零，在工程实践中通常称此点为中性点，见图1。

图1 桩周正、负摩擦力和中性点随土层浸水深度的变化

由上述可见，桩身的中性点位置取决于桩和桩周土层的相对位移，并与土的湿陷性质、浸水时间、浸人土层中的水量和浸湿范围等因素有关，只有当桩周的湿陷性黄土层充分浸水引起的下沉量完全稳定后，桩身的中性点位置方可固定不动。
当桩底端支承在岩石或砂卵石层上时，桩基的下沉量一般很小，主要是桩周土层自重湿陷引起的下沉量，桩身侧面几乎都是负摩擦力，在此种情况下，可将岩石或砂卵石层顶面作为桩身的中性点，而桩的负摩擦力可按人土深度的全部长度计算。在其它情况下，为简便起见，可按桩的人土深度的0.8～0.9倍长度作为桩侧负摩擦力的计算深度。
端承型单桩承载力，宜直接按现场浸水载荷试验结果确定，且桩侧的正、负摩擦力均包含在承载力内。当无条件进行现场浸水载荷试验时，可按国家有关现行规范规定确定。