马帅帅 杨军
河北交通职业技术学院 河北通宇建筑工程有限公司
摘 要：鉴于膨胀土特殊的工程性质，膨胀土中桩基础的受力情况也随着土体含水率的变化而变得更加复杂。该研究预先将一定数量的钢筋应力计和压力传感器分别安置在试验桩体钢筋笼的两侧和底部，预先估计桩体的承载力，然后进行静载荷试验，将估计的桩体破坏荷载平均分为八级，逐级加压，待每级荷载作用下桩体稳定后，再读取钢筋应力计的读数，桩体轴力通过公式计算出来，并找到其分布规律。
关键词：膨胀土;桩体轴力;分布规律;试验研究;
作者简介：马帅帅（1986—）,女,硕士研究生,研究方向：道路桥梁工程。;
基金：2022年度河北省教育厅—河北省高等学校科学技术研究项目“干湿循环作用下膨胀土地基上桥梁桩桩侧摩阻力分布规律研究”（ZC2022009）;
0 引言
大陆20余个省份均有膨胀土的分布，河北境内的膨胀土分布区域主要为邯郸-邢台-石家庄沿太行山脉地带，呈现出明显的区域性[1]。土体中杂乱分布的裂隙，对建筑物尤其对地基、基坑及边坡等都有严重的破坏作用，特别是所产生的变形破坏作用往往具有长期潜在的危险性。通常在干燥状态下，膨胀土质地坚硬，其强度跟软岩的强度相当，其不良工程性质不容易被人们觉察，全球每年因此遭受的经济损失高达150亿美元之多，而受灾最严重的国家中，中国也位列其中。
为了减小膨胀土对建筑物的不良影响，在建设大型、重要的构造物时，通常会考虑采用桩基础进行基础设计。通常情况下，只有桩基础在桩体产生足够大的位移量时，桩端阻力才能发挥作用，所以，如果桩基础位移较小时，桩基础的轴向力是由桩侧摩阻力来提供的[2]。桩侧摩阻力的大小主要和桩周围土体与桩之间的摩擦力以及土体与桩身接触面之间所产生的正应力的大小有关系。膨胀土遇水膨胀产生膨胀力，作用到桩基础上就体现在对桩基础会产生上举力，而失水收缩后膨胀力消失，此时又会产生下拉力（负摩阻力）。从以上分析可以看出，使桩基础在膨胀土中的桩—土作用要比在一般土中复杂得多，桩体轴力的变化也相应地变得复杂，因此，有必要对桩体轴力在膨胀土中的分布规律进行研究。
1 试验工程概况
该试验工程位于南水北调中线邯郸段，是典型的膨胀土的分布地区，根据地质勘查报告中钻孔取样结果可见，试验桩所处区域膨胀土分层明显，每层土体厚度不一，土体颜色呈灰绿色与红褐色。该次试验共设两根长9 m、直径0.6 m的试验桩，桩间距10 m，南北方向排列。经桩侧钻芯取样，桩体从上到下贯穿了2 m厚的灰绿色土层、2 m厚的红褐色土层和5 m厚的灰绿色土层共计3个土层，没有地下水存在。
2 物理力学性质试验
膨胀土基本物理力学性质试验所用的土样取自2根试验桩旁边1 m处，自上而下钻孔垂直各取出14个土样，取样间距为70 cm。为保证土样的原始含水率不变，取出的土样立即用事先准备好的铁皮筒进行密封并编号记录。膨胀土室内基本物理性质指标的测定试验操作过程严格按照《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019)[3]和《公路土工试验规程》（JTG3430—2020)[4]的规定进行，对采集到的土样进行密度、含水率、自由膨胀率和无荷膨胀率，以及液、塑性指数等物理力学性质指标的测定，试验结果详见表1。
3 室外静载荷试验
3.1 试验准备
3.1.1 应力元件安装
该次试验用到的应力元件有钢筋应力计和土压力传感器。首先将安装钢筋应力计的两根钢筋按图1所示尺寸分段截开，然后将每段钢筋跟钢筋应力进行焊接相连作为钢筋笼的两根主筋使用，最后将其作为两根主筋焊接到钢筋笼上即可。每根桩桩底安装的4个土压力传感器的位置如图1中（1-1断面）所示，先在钢筋笼底部规定位置焊接传感器的环形钢板托架，再把压力传感器固定在托架上，最后把钢筋应力计和土压力传感器的信号电缆线沿钢筋笼内侧理顺并绑扎成束以免下沉钢筋笼时信号线受损。钢筋应力计和土压力传感器安装示意图见图1。
表1 膨胀土的物理性质指标 下载原图
图1 应力元件安装示意图 下载原图
3.1.2 成孔
成孔机械选用冲击钻机，在空旷平整的场地上钻孔，孔径0.6 m，孔深9.3 m，共施工2根试桩孔，间距10 m,2根试验桩呈南北纵向分布。钻孔深度达到9.3 m后把孔底的虚土清理干净。
3.1.3 吊放钢筋笼
用吊车将事先按要求制作好的带有应力元件的钢筋笼垂直缓慢吊装放入孔中，对中桩心，防止偏斜。钢筋笼吊装过程中不能刮擦孔壁，否则成桩质量甚至应力元件将会遭到破坏。
3.1.4 吊装导管
为保证成桩质量，使桩体密实，防止混凝土离析，该试验采用导管浇筑混凝土。首先将导管下沉至距钻孔底部50～80 cm处，在孔口将导管固定，放置管塞，为灌注混凝土做好准备。
3.1.5 灌注混凝土
灌注混凝土时，应始终控制导管埋入混凝土面以下，一边灌注混凝土一边向上提导管，同时还要防止钢筋笼上浮。灌注完成后，用土覆盖桩顶进行自然养护。此时，孔内总桩长为9.3 m，其中有效桩长为9.0 m，浮浆段0.3 m（测试前凿除）。
3.1.6 读应力元件初读数
在试验桩灌注结束后24 h之内，对预埋的应力元件进行初读数并记录。
3.1.7 清除桩头
试验桩桩体混凝土养生至强度达到设计值后，将桩顶30 cm的浮浆段凿除并打磨平整。
3.2 静载荷试验及应力测试
单桩静荷载试验严格按照《公路工程基桩检测技术规程》（JTG/T3512—2020)[5]进行操作，采用慢速维持荷载方法，将事先预估的最大试验荷载360T，等分为9个等级，每级40T，首次直接加载2级（80T），以后每次都增加1级荷载。每级荷载施加以后，在每级荷载加载后的第5 min、15 min、30 min、45 min和60 min都要进行钢筋应力计和土压力传感器的读取，1 h后每隔0.5 h读一次读数，直至桩体稳定。
3.3 试验结果与分析
3.3.1 静载荷试验数据分析
2根试验桩静载荷试验得到的数据见表2～3。
表2 1号桩静载试验数据 下载原图
表3 2号桩静载试验数据 下载原图
通过单桩静载荷试验得到的数据，综合分析Q-S、S-log Q、log Q-log S三种曲线，确定了两根试验桩的极限承载力为2 800 k N。
3.3.2 桩身轴力试验数据分析
1号、2号试验桩钢筋应力计参数值及轴力计算值分别见表4～5。1号、2号试验桩的桩身轴力分布曲线图详见图2～3。
通过对现场2根试验桩进行静载试验及应力测试，分析试验数据得出如下结论：
(1）膨胀土中1、2号两根试验桩极限承重为2 800 k N，不同荷载作用下两根试验桩的轴力在桩基础的埋深方向上的变化趋势相同。
(2）桩顶所受竖向荷载增大，深度增大，桩深不同截面轴力减小，两桩轴力随桩深不同截面变化趋势相同。
(3）同一根试验桩从上往下贯穿了三个不同的土层，不同土层的膨胀程度不一样，桩体经过的土层不同，作用到桩体的侧摩擦阻力也就不相同，使得桩体不同位置的轴力随深度的增加而减小的程度并不完全相同，从而造成了不同程度的轴力衰减。
表4 1号桩桩身轴力数据 下载原图
/kN
表5 2号桩桩身轴力数据 下载原图
/kN
图2 1号桩轴力变化规律图 下载原图
(4）当荷载较小时，荷载主要由桩侧摩阻力承担，传至桩端的荷载很小，而随着荷载等级的加大，传至桩端土上的荷载及其所占加载比例均呈增长趋势。
4 结语
鉴于膨胀土特殊的工程性质，膨胀土中桩基础的受力情况也随着土体含水率的变化而变得更加复杂。本研究对河北邯郸地区典型的膨胀土进行了室内物理力学性质试验和现场的静载荷试验，得出了膨胀土中桩体轴力的分布规律。
图3 2号桩轴力变化规律图 下载原图
参考文献
[1] 范臻辉.膨胀土地基胀缩特性及桩—土相互作用研究[D].长沙：中南大学, 2007.
[2] 岳宏智.桥梁桩基础竖向承载力研究[D].济南：山东大学, 2009.
[3] 土工试验方法标准:GB/T50123—2019[S].北京：中华人民共和国城乡建设部, 2019.
[4] 公路土工试验规程:JTG3430—2020[S].北京：中华人民共和国交通运输部, 2020.
[5] 公路工程基桩检测技术规程:JTG/T3512—2020[S].北京：中华人民共和国交通运输部, 2020.
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