摘要 利用有限元模拟理论，分析了在大厚度湿陷性黄土场地中，长柱的桩周土在天然状态和浸水状态下对基桩承载性状的作用，并对湿陷过程中桩的承载机理等进行研究，为同类地质上的工程应用提供了宝贵的技术参数。
关键词 湿陷性黄土；长桩；竖向承载力；试验研究
黄土作为一种常见的工程地基，在我国主要分布于北纬33°～47°之间，总面积约为63.5万km2，最大厚度达180～200 m。黄土在一定压力作用下，受水浸湿后结构迅速破坏而发生的显著下沉现象，称之为湿陷。实测或计算自重湿陷量大于7cm的湿陷性黄土为自重湿陷性黄土。
在工程实践中，Ⅳ级自重湿陷性黄土场地，采用灌注桩基础，占了很大比重。这种方法穿透了湿陷性黄土层，使基础传力于湿陷土层以下的持力土层上，相对来说比较安全可靠，但是缺点是投资大，经济性差。
为了降低工程投资，给某工程设计和以后的工程应用提供准确的技术参数，并指导同类工程实践，根据地质勘察报告，在Ⅳ级自重湿陷性黄土场地中，通过研究桩周土浸水前后桩承载性状、湿陷过程中的承载机理等，进行了长桩竖向承载力的试验研究。
1 主要试验依据
《建筑地基基础设计规范》、《建筑桩基技术规范》、《湿陷性黄土地区建筑规范》等。
2 试验场地岩土工程条件
2，1场地地形地貌
试验场地位于榆中县和平镇科技园内，园区地势西南高、北东低，高差约37米左右，坡降37‰，场地地形因平田整地而呈台阶状。地貌特征为上更新统砂砾卵石夹粘土(上覆风成黄土状粉土)构成的山前冲积一洪积平原。
2，2工程地质及水文地质
(1)试验场地地层结构
①黄土状粉土(Q3eol)：层厚42.3～38.1m。黄褐色、褐色，局部夹层状、透镜体状棕褐色粉质粘土层。呈大孔隙状，垂直节理发育，可塑～硬塑，稍密～中密，随深度含水量略为增加，稍湿～湿。
②卵石层(Q3al-pl)：未揭穿，青灰色，层顶标高1744.3～1738.39m，颗粒呈扁圆～亚圆状；粒径以2～8cm为主，最大20cm，偶见漂石，骨架颗粒约占60％左右，级配较好，粒间充填物为混砂及粘土，分选性差；其母岩成分为石英岩、花岗岩、灰岩，以灰岩居多，局部呈半胶结状；中密～密实，稍湿，最大钻掘深度5.2米。
(2)地质构造：位于祁连褶皱系的东延部分，第三纪、第四纪迭置凹陷。可断续看到山群硅质千枚岩逆于下侏罗系之上，为晚近期复活性断裂。盆地基底南深北浅，其上为第四系沉积物。
(3)地下水：区域水文资料显示，本场地地下水类型属潜水，赋存于卵石层下部，水位在自然地面以下约115米，水位线呈逐年下降状态，地下水对工程无影响。
2，3岩土工程评价
(1)黄土湿陷性评价：试验场地黄土属典型的陇西黄土，具高敏感性、大湿陷量、垂直节理发育。湿陷量计算结果：z=123.1～272cm；ZS=61.3～200.2cm。整个场地水平范围内属Ⅳ级自重湿陷性黄土场地，最大湿陷深度为40米。
(2)人工挖孔灌注桩桩基设计参数：勘察报告建议采用人工挖孔灌注桩基础，桩长为40米左右，以卵石层为桩端持力层。对于干作业桩(清底干净，D=800mm)各层土的极限端阻力和极限侧阻力见表1。
3 试验方案
3，1试验装置
(1)试验加载装置：加载反力装置采用锚桩钢梁反力系统，4×5000kN电动油泵驱动的油压千斤顶加载，荷载测量采用设置在电动油泵上的压力传感器直接测定。
试验加载设备最大加载能力达到20000kN。
(2)荷载与沉降量测仪器：试桩采用2个正交直径方向对称安置四个位移传感器，由RS—JYC地基基础静载荷测试仪自动记录测量试桩桩顶的变形。所有位移传感器均用磁性表座固定于由脚手架钢管构成的基准梁上。
(3)静载试验自动控制系统；本试验检测采用RS—JYC地基基础静载荷测试仪，全自动控制试验过程、全自动实时观测并自动记录测试数据。
该系统通过预先设置的加(卸)载分级、荷载量值、判稳标准等试验参数，控制设置在电动油泵上的压力传感器实现全自动加载、补载、卸载，自动维持荷载恒定并自动判稳进行下级荷载的测试。测试仪采集设置于试桩、锚桩上的位移传感器的变形数据，自动记录测试数据。
3，2试验桩布置
试验布置试验桩3根，布置锚桩8根。
试验桩基本参数见表2。
3，3试验方法及标准
单桩竖向抗压静载试验采用慢速维持法，即逐渐加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，稳定标准为连续两小时内，每小时沉降小于0.1mm，直到试桩破坏。然后分级卸载，全部卸载后，隔3～4h测读变形。 4 试验浸水过程
4，1浸水孔布置
A1、A2、A3试桩桩周各均匀分布5个直径150mm、深度为34m的注水孔，注水孔用纯净小砾石填充。桩周地面处开挖直径3.0m浸水坑，坑底铺设15cm厚砾石。坑内水头高度不小于30cm。
4，2浸水湿陷碟
(1)A1试桩浸水：A1试桩先加压到5000kN时进行浸水。浸水后，湿陷场地以试桩为中心呈高差渐变碟型而形成湿陷碟，直径约6.0m，中心最大湿陷量180cm，湿陷坑边缘高差63cm。共浸水约380m3。
(2)A2试桩浸水：A2试桩采用先浸水后加压的方式。浸水后，湿陷场地以试桩为中心呈高差渐变碟型而形成湿陷碟，直径约4.0m，中心最大湿陷量175cm。在湿陷坑西侧距桩中心7m产生一条宽度为12cm的弧形裂缝，长度为16.2m；在湿陷坑西侧距桩中心8m处产生一条宽度为10cm的弧形裂缝，长度为13.5m。共浸水约400m3。
(3)A3试桩浸水：A3试桩采用先浸水后加压的方式。浸水后，根据沉降观测显示桩周有近100cm沉降量，附近地表无明显塌陷，有不连续环形裂缝。共浸水约400m3。
5 单桩竖向承载力试验结果
通过对A1、A2、A3试桩进行了竖向抗压静载试验，各桩在桩周土浸水状态下，单桩竖向极限承载力试验结果如表3。
按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ25—90)规定：
自重湿陷性黄土场地的单桩承载力除不计湿陷性土层范围内的桩周正摩阻力，尚应扣除桩侧的负摩阻力。
在试验中由于浸水影响，桩周土发生自重湿陷而产生塌陷，可认为桩周局部范围内正摩阻力丧失，负摩阻力产生且作用于试桩上。计算单桩承载力时，不扣除正摩阻力和负摩阻力。而未发生自重湿陷的桩段，由于桩侧产生正摩阻力，这部分桩长范围内，应按照规范单桩承载力除不计湿陷性土层范围内的桩周正摩阻力，尚应扣除桩侧的负摩阻力。
试验完成后，在A1、A2、A3桩桩侧开挖的探井采取了原状土样进行室内土工试验。考虑探井开挖中所取原状土样与实际结果的误差，综合试验结果及浸水湿陷碟结果分析：
A1桩侧35m以上桩周土基本达到饱和状态，自重湿陷性基本消除，自重湿陷已充分发生；35m以下桩周土呈天然状态，有3m左右的土层具自重湿陷性；
A2桩侧35m以上桩周土基本达到饱和状态，自重湿陷性基本消除，自重湿陷已充分发生；35m以下桩周土呈天然状态，土层仍具自重湿陷性；
A3桩侧27m以上桩周土含水量较大，接近饱和状态，土体自重湿陷性基本消除，自重湿陷性发生较充分；27m以下桩周土呈天然状态，部分具自重湿陷性。
因此，扣除相应极限侧阻力、桩侧负摩阻力的单桩承载力计算结果如表4。
按《建筑桩基技术规范》计算：
极限承载力平均值
6 结论及建议
(1)桩周土在浸水状态下，A型桩单桩极限承载力标准值Quk=4600kN；
按《建筑地基基础设计规范》(GBS0007—2002)，桩周土在浸水状态下，单桩竖向承载力特征值Ra一2300kN。
(2)在本试验场地工程地质条件下，在已经考虑负摩阻力作用下，桩周土在浸水状态时，干作业人工挖孔灌注桩桩端极限端阻力标准值qpk=3000kPa。
(3)建议桩端进入持力层(卵石层)的深度不小于1倍桩径。
(4)试验在局部浸水状态下进行，试验结果对局部浸水场地具代表性。