劉小華 廖紅建 李明澤 劉少華 李杭州

收稿日期：2023-09-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51879212，41630639）；陜西省重點研發(fā)計劃項目（2019KWZ-09）；陜西省秦創(chuàng)原“科學(xué)家+工程師”隊伍建設(shè)項目（2023KXJ-178）。

第一作者：劉小華，男，博士生，從事黃土特性與應(yīng)用研究，liuxh2099＠stu.xjtu.edu.cn。

通信作者：廖紅建，女，博士，教授，從事巖土本構(gòu)關(guān)系、巖土工程減災(zāi)與防災(zāi)等研究，hjliao@mail.xjtu.edu.cn。

摘要? 城市車輛段上蓋開發(fā)工程中的大跨度樁基具有單樁豎向承載較大、樁間大跨度范圍內(nèi)土體受荷較小的特點。以西安地鐵某車輛段大跨度樁基為研究對象，制備人工濕陷性黃土作為相似材料，開展了濕陷性黃土地層大跨度樁基的室內(nèi)模型試驗，研究大跨度樁基在濕陷性黃土地層中的荷載傳遞機制與變形規(guī)律。結(jié)果表明：制備的人工濕陷性黃土與現(xiàn)場原狀黃土性質(zhì)接近，將其應(yīng)用于模型試驗時可以得到良好的效果;大跨度樁基在未浸水時，荷載沉降曲線為陡降型，樁身軸力在樁頂附近顯著下降，未達(dá)到極限承載力時，樁頂沉降、樁端阻力線性增大;在黃土浸水濕陷后，樁身軸力沿埋深方向呈“D”字型分布，隨著浸水時間的增加，樁頂沉降、樁端阻力先緩慢增加后顯著增加，中性點位置不斷向樁身下部移動。

關(guān)鍵詞? 濕陷性黃土;樁基;模型試驗;負(fù)摩阻力

中圖分類號： TU444? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-01-011

Model test? on bearing characteristics of long-span pilefoundation of collapsible loess foundation

LIU Xiaohua1，2，3， LIAO Hongjian2，3， LI Mingze3， LIU Shaohua3， LI Hangzhou3

（1.Guangzhou Metro Design ＆ Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， China;

2.School of Civil and Architecture Engineering，? Xian Jiaotong University City College， Xian 710018， China;

3.School of Human Settlement and Civil Engineering， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China）

Abstract? The long-span pile foundation in the development project of the superstructure of the urban depot has the characteristics of larger vertical bearing of a single pile， and the soil within the large span between the piles is lesser stressed. Taking the long-span pile foundation of a depot of Xian Metro as the research object， artificial collapsible loess is prepared as a similar material. An indoor model test of long-span pile foundation in collapsible loess layer was carried out. The load transfer mechanism and deformation law of long-span pile foundation in collapsible loess layer were studied. The results show that the prepared artificial collapsible loess is close in nature to the original loess on site， which can achieve good results in the application of model tests. When the long-span pile foundation is not flooded， the load-settlement curve is steep， and the axial force of the pile body decreases significantly near the top of the pile. When the ultimate bearing capacity is not reached， the pile top settles and the pile end resistance increases linearly. After the loess is flooded， the axial force of the pile body is distributed in a “D” shape along the direction of burial depth. With the increase of water immersion time， the pile top settlement and pile end resistance first slowly increased and then increased significantly， and the neutral point position continued to move to the lower part of the pile body.

Keywords? collapsible loess; pile foundation; model testing; negative friction resistance

隨著“一帶一路”倡議的持續(xù)推進(jìn)，我國西部地區(qū)超大型建筑物日益增多，濕陷性黃土場地中的樁基負(fù)摩阻力對建筑物的不利影響也越來越受關(guān)注。模型試驗是依據(jù)現(xiàn)場原位試驗的樁基埋深方式、承載受荷工況等，通過室內(nèi)模型的結(jié)果反推現(xiàn)場原位試驗結(jié)果的一種方法，一直是學(xué)者們研究樁基的極限承載力、負(fù)摩阻力、中性點位置的主要手段［1-3］。陸明生使用玻璃樁進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗，提出了修正Kerisel總應(yīng)力法計算側(cè)摩阻力，發(fā)現(xiàn)樁土界面土體應(yīng)變軟化會對結(jié)果產(chǎn)生誤差［4］。王兆輝和陳天鐳通過室內(nèi)模型試驗，探究了減小樁側(cè)負(fù)摩阻力的方法，認(rèn)為套管樁在減小濕陷性黃土地層中產(chǎn)生的負(fù)摩阻力時非常有效［5］。

在相似模型試驗中，選擇正確的相似材料決定著其與工程原型的相似程度［6-11］。在涉及濕陷性黃土地層的相似模型試驗中，若使用重塑的濕陷性黃土填筑模型，則會不可避免地破壞原狀黃土的濕陷特征和結(jié)構(gòu)特性，產(chǎn)生嚴(yán)重的試驗誤差。因此，正確選擇合適的濕陷性黃土的相似材料對相似模型試驗的成功至關(guān)重要。張延杰等人控制材料的物理參數(shù)、強度參數(shù)和濕陷系數(shù)，制備了人工濕陷性黃土［12］。胡再強等人將熟石灰摻入烘干后的黃土顆粒中，隨后通入二氧化碳形成了碳酸鈣膠結(jié)物，得到的人工黃土試樣具有較為完整的結(jié)構(gòu)性特征［13］。

地鐵上蓋物業(yè)開發(fā)的車輛段單體建筑占地面積大，其下的大跨度樁基具有單樁豎向承載較大、樁間大跨度范圍內(nèi)土體受荷較小的特點。然而目前針對帶上蓋物業(yè)開發(fā)的地鐵車輛段的研究大多局限于列車運行時的振動對既有工程結(jié)構(gòu)的影響以及處理措施上。這些研究認(rèn)為列車在運行過程中會對軌道產(chǎn)生振動，這些振動的頻率會隨著軌道向周圍的傳播而逐漸衰減。其中，從地面到站臺的衰減比從站臺到建筑樓層的衰減更大，傳播過程中振動頻率會下降，如果軌道上的建筑物建在距離軌道30 m以內(nèi)的咽喉平臺上方，則需要考慮減震措施，使用隔振支座會使軌道的振動頻率繼續(xù)下降［14-18］。除此之外，還有一些研究表明地鐵列車在運行時，在地下一層引起的振動大于地下二層，同時人體對中低頻振動更加敏感，需要對中低頻振動進(jìn)行重點減振［19-21］。在地鐵車輛段結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)尤其是整跨樁基受力方面的研究較少。Peng等人通過數(shù)值模擬研究了上部蓋板結(jié)構(gòu)對列車軌道沉降的影響，認(rèn)為軌道最大沉降可達(dá)4.63 mm［22］。

以上針對地鐵車輛段的研究并沒有給出在上部結(jié)構(gòu)的荷載下，樁基的受力和沉降規(guī)律。因此，本研究以西安地鐵某車輛段大跨度樁基為研究對象，開展了濕陷性黃土地層大跨度樁基的室內(nèi)模型試驗，并用人工制備的濕陷性黃土填筑模型，揭示了大跨度樁基在未浸水與浸水濕陷狀態(tài)下，濕陷性黃土地層中的荷載傳遞機制與負(fù)摩阻力變化規(guī)律。

1? 人工濕陷性黃土制備及土性分析

1.1? 人工濕陷性黃土制備

黃土的濕陷性對樁基承載特性有重要的影響作用，在模型試驗中確保土體具有濕陷性是準(zhǔn)確反映樁基承載特性的關(guān)鍵，因此，人工制備濕陷性黃土尤為重要。結(jié)合工程現(xiàn)場黃土的物理力學(xué)性質(zhì)，基于對濕陷性黃土物質(zhì)含量和結(jié)構(gòu)組成的分析，考慮黃土的大孔隙特征、以及顆粒之間的膠結(jié)作用，通過對各種礦物材料性能的分析和比選，選取重晶石粉、河砂、高嶺土、水泥、工業(yè)鹽和氧化鈣作為配比材料。

重晶石粉和河砂作為容重敏感材料能夠調(diào)整土樣的相對密度變化;河砂用于調(diào)整土樣的內(nèi)摩擦角和變形模量;水泥作為輔助性膠結(jié)性材料;高嶺土和工業(yè)鹽能夠在土顆粒之間起到膠結(jié)作用;生石灰在與二氧化碳和水反應(yīng)的過程中會形成碳酸鈣，這能夠形成濕陷性黃土的特殊結(jié)構(gòu)［23］。

基于工程現(xiàn)場黃土的濕陷性和力學(xué)特性特點，以及黃土中各種物質(zhì)含量的比例，根據(jù)原狀黃土內(nèi)黏粒、粉粒、砂粒的質(zhì)量百分比，并且考慮了原狀黃土的各個物理性質(zhì)（相對密度、液限、塑限、塑性指數(shù)、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)、濕陷系數(shù)），以及所需制備的人工濕陷性黃土各礦物成分的主要特征，結(jié)合上述各種礦物材料的特性，經(jīng)過反復(fù)配比試驗，與原狀黃土的物理力學(xué)特性進(jìn)行比較分析，從而確定了人工濕陷性黃土各成分的質(zhì)量比（見表1），制備出了不同性質(zhì)的人工濕陷性黃土，在此基礎(chǔ)上對比分析確定模型試驗所用的人工制備濕陷性黃土。

1.2? 人工濕陷性黃土性質(zhì)分析

開展不同配比的人工濕陷性黃土和原狀黃土的相對密度試驗、液塑限試驗、直接剪切試驗、固結(jié)試驗和濕陷試驗，結(jié)果如表2所示。人工濕陷性黃土的相對密度、孔隙比、含水率、液限、塑限、塑性指數(shù)、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)、濕陷系數(shù)均與原狀黃土接近。配比1的各項參數(shù)與現(xiàn)場取回的原狀濕陷性黃土的性質(zhì)參數(shù)最接近。

2? 模型試驗概況

以西安地鐵某車輛段大跨度樁基基礎(chǔ)為依托，通過相似比分析，考慮試驗場地的模型尺寸限制條件和經(jīng)濟成本，建立了室內(nèi)同比例相似模型，其中，幾何模型的相似比為1∶40。

2.1? 模型箱填筑控制

模型箱主體由高強度角鋼焊接成框，箱壁用高強度有機玻璃板封閉。經(jīng)過試加載發(fā)現(xiàn)，模型箱在外力作用下自身形變的大小可忽略不計，且模型箱的尺寸滿足模型試驗的邊界控制條件。

模型箱底部鋪設(shè)40 cm壓實重塑黃土作為持力層，上部鋪設(shè)35 cm人工制備的濕陷性黃土，其干密度為1.3 g／cm3，含水率為12％。配比選用重晶石粉（25％）、河砂（35％）、高嶺土（30％）、水泥（3％）、工業(yè)鹽（5％）、氧化鈣（2％），其中，配比值都為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此配比具有強烈濕陷性。模型共填筑75 cm，樁端埋入壓實重塑土層20 cm，剩余部分均處于人工濕陷性黃土層中，圖1為模型填筑示意圖。

2.2? 群樁基礎(chǔ)制作

試驗?zāi)Ｐ蜆哆x取有機玻璃制作而成，樁長65 cm，樁徑2 cm，彈性模量3.1 GPa。承臺采用亞克力板制作，尺寸為10 cm×10 cm×3.2 cm。群樁基礎(chǔ)由承臺和4根中心對稱的單樁組成，樁間距3d（樁徑）。

在單根模型樁表面對稱黏貼10個應(yīng)變片進(jìn)行樁身軸力測試，具體位置如圖2所示。由于模型樁身表面過于光滑，為了增大側(cè)摩阻力，模擬工程樁與黃土的相互作用，通過環(huán)氧樹脂黏合劑在樁身表面黏結(jié)一層砂粒。

2.3? 模型試驗方案設(shè)計

2.3.1? 未浸水狀態(tài)下大跨度樁基極限承載力試驗

參考《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》［24］，分級對樁基進(jìn)行加載，第一級加載1 kN，后續(xù)每次加載0.5 kN，共加載5 kN。

單級荷載穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)樁基在每級荷載施加0.5 h后，連續(xù)2 h內(nèi)沉降量不超過0.1 mm時，可施加下一級荷載。

終止加載條件：當(dāng)加載至設(shè)計要求的最大加載值時，或當(dāng)單級荷載下樁身沉降量大于上一級荷載下沉降量的2倍，且一天內(nèi)沉降量未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，即可停止加載。

2.3.2? 浸水狀態(tài)下大跨度樁基豎向靜載試驗

試驗分級加載至未浸水狀態(tài)下大跨度樁基極限承載力的50％，單級荷載穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與2.3.1節(jié)相同。

待樁體沉降達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，開始用灑水器向模型箱表層土體緩慢灑水，確保土體結(jié)構(gòu)的完整性。每次灑水至高出土層表面0.5 cm，待水面高度在5 h內(nèi)不下降時，即可認(rèn)為模型箱內(nèi)土體已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，此時停止注水。

2.4? 試驗數(shù)據(jù)處理原理

2.4.1? 樁身軸力計算原理

根據(jù)采集到的樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)和材料自身的強度參數(shù)，樁身某截面的應(yīng)力可按式（1）計算，

σz=εi×E（1）

式中：σz為土層埋深z處的樁身應(yīng)力，單位為kPa;εi 為校正后的樁身應(yīng)變值;E為模型樁的彈性模量，單位為kPa。

樁身某截面的軸力計算公式為

Nz=σz×A（2）

式中：Nz為土層埋深z處的樁身軸力，單位為kN;A為模型樁的橫截面面積，單位為mm2，A=0.25πD2；D表示模型樁樁徑。

2.4.2? 樁側(cè)摩阻力計算原理

樁在埋深z處截面的側(cè)摩阻力計算公式為

τz=-[SX（]dNz[]π×D×dz[SX）]（3）

式中：τz為土層埋深z處的樁側(cè)摩阻力，單位為kPa;dNz為厚度為dz微段的樁身軸力，單位為kN。

根據(jù)本試驗?zāi)Ｐ蜆娥べN應(yīng)變片的位置，樁側(cè)摩阻力的平均值計算公式為

τi=[SX（]Ni-Ni+1[]π×D×zi[SX）]（4）

式中：τi為模型樁樁體第i段的樁側(cè)摩阻力平均值，單位為kPa;Ni為模型樁樁體第i段的樁身軸力，單位為kN；zi為第i段的厚度。

3? 試驗結(jié)果分析

3.1? 未浸水狀態(tài)下樁基極限承載力特性分析

3.1.1? 荷載-沉降曲線分析

試驗過程如圖3所示，樁頂荷載最終加載至5 kN，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)繪制荷載-沉降（Q-S）曲線，如圖4所示。

在豎向荷載的作用下，Q-S曲線為陡降型。在豎向荷載為0～4 kN時，樁頂沉降值隨著豎向荷載的增大而線性增加;在豎向荷載為4～5 kN時，樁頂沉降值迅速增加，樁端土發(fā)生破壞。當(dāng)豎向荷載為4 kN時，沉降值為3.07 mm;當(dāng)豎向荷載為4.5 kN時，沉降值為5.07 mm;當(dāng)豎向荷載為5 kN時，沉降值為15.44 mm，超過了豎向荷載為4.5 kN時樁頂沉降量的2倍。樁基礎(chǔ)的極限承載力為4.5 kN?？紤]安全系數(shù)K=2，得到樁基礎(chǔ)的豎向承載力特征值為2.25 kN。

3.1.2? 樁身軸力與樁側(cè)摩阻力分析

圖5、圖6分別為樁身軸力和樁側(cè)摩阻力沿埋深方向的分布曲線。由圖5和圖6可知，隨著上部荷載的增大，模型樁同一位置處的樁側(cè)摩阻力和樁身軸力也逐漸增大;在樁身上部，軸力下降較緩，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度較小;在樁身下部，軸力減小程度較大，樁側(cè)摩阻力逐漸增加。

在上部荷載的作用下樁身產(chǎn)生了軸力，樁身受壓而向下沉降。樁身軸力通過樁側(cè)摩阻力傳遞到周圍土層中，樁頂荷載逐漸由周圍土體承擔(dān)，樁身軸力隨深度而遞減，產(chǎn)生樁-土相對位移，樁周土體受到樁側(cè)表面向下的正摩阻力，產(chǎn)生剪切變形。

3.1.3? 樁端阻力分析

圖7為樁端阻力、樁側(cè)阻力在上部荷載作用下的變化曲線。隨著上部荷載的增大，樁側(cè)阻力線性增大且占總豎向荷載值80％左右，樁端阻力線性增大且占總豎向荷載值20％左右。當(dāng)樁基承受的荷載超過了自身的極限承載力時，樁側(cè)阻力顯著下降，樁端阻力顯著增大，此時樁周土體已發(fā)生剪切破壞，承載能力下降。

3.2? 浸水狀態(tài)下樁基荷載傳遞特征分析

3.2.1? 浸水狀態(tài)下荷載-沉降曲線分析

圖8為浸水狀態(tài)下樁頂沉降隨時間的變化曲線。當(dāng)樁頂分級加載至樁基的豎向承載力特征值2.25 kN后，樁頂沉降值穩(wěn)定為1.83 mm。在開始浸水的前8 h，樁基沉降量較小，沉降量隨時間線性增加且增長緩慢;從第8 h到20 h，沉降量顯著增加。20 h之后樁基的沉降量未達(dá)到穩(wěn)定，呈現(xiàn)剪切破壞特征。

3.2.2? 浸水狀態(tài)下樁身軸力、樁側(cè)摩阻力與中性點分析

樁身軸力與樁側(cè)摩阻力分布曲線分別見圖9和圖10， 樁側(cè)摩阻力為0處即為中性點位置。 浸水4 h， 樁身軸力隨埋深的增加先增大后減小， 呈現(xiàn)出“D”字型分布; 樁側(cè)摩阻力在樁頂范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)值， 當(dāng)達(dá)到最大值后沿樁體埋深方向逐漸減小， 直至出現(xiàn)正摩阻力; 中性點位置在埋深0.08 m處。 隨著浸水時間的增長， 樁側(cè)負(fù)摩阻力存在的范圍逐漸向下擴展， 中性點位置也向樁身下部移動。 浸水20 h后， 模型箱內(nèi)黃土全部浸水飽和， 負(fù)摩阻力范圍達(dá)到最大， 中性點位置最深達(dá)到0.35 m， 中性點深度比為0.63。 黃雪峰等人提到的中性點的位置與樁身入土長度之比為0.34～0.85［25］，與本試驗得到的規(guī)律相同。

在模型箱表面開始浸水后，由于室內(nèi)模型箱中的人工黃土具有強烈濕陷性，遇水后會發(fā)生顯著下沉，因此，表面附近土層的濕陷沉降量開始大于樁基沉降量，樁側(cè)表面受到樁周土體向下的拉力，產(chǎn)生負(fù)摩阻力，樁身軸力也隨著埋深逐漸增大。隨著浸水時間的增長，模型箱表面的水分逐漸向下方滲透，模型箱下部的人工黃土逐漸發(fā)生濕陷變形，土體的沉降量逐漸大于樁身沉降量，因此，樁側(cè)負(fù)摩阻力的范圍也隨時間向下方擴張，樁身軸力也逐漸增大。由于下方土體所受到的上覆壓力隨著埋深而增大，但土體的濕陷性是隨著壓力的增大而減小的，因此，下方土體的濕陷性逐漸減弱，土體因濕陷而發(fā)生的沉降也逐漸減小，土體的沉降值逐漸小于樁身的沉降值，樁側(cè)摩阻力也就逐漸回歸正值。

3.2.3? 樁端阻力分析

通過樁端布置的土壓力盒進(jìn)行浸水期間樁端阻力測試，結(jié)果見圖11。浸水前加載至2.25 kN（單根樁的樁頂荷載為0.562 5 kN）時，單根樁的樁端阻力占豎向荷載的19.5％。隨著浸水時間的增長，浸水初期樁端阻力緩慢增大，浸水后期則顯著增大。當(dāng)浸水至8 h，樁端阻力占豎向荷載的35.6％;當(dāng)浸水至20 h，樁端阻力占豎向荷載的92％。浸水20 h之后在較大的樁端荷載和負(fù)摩阻力作用下，樁基產(chǎn)生較大的沉降，呈現(xiàn)出破壞的特征。

4? 結(jié)論

1）選取重晶石粉、河砂、高嶺土、水泥、工業(yè)鹽、氧化鈣為基本材料，以原狀黃土的相對密度、液限、塑限、塑性指數(shù)、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)、濕陷系數(shù)等參數(shù)為參考依據(jù)，通過改變材料配比制備出與原狀黃土物理力學(xué)性質(zhì)和濕陷性高度接近的人工濕陷性黃土。

2）在無浸水試驗中，樁身軸力在樁身上部下降較緩，在樁身下部減小程度較大。在未達(dá)到極限承載力時，隨著上部荷載的增大，樁頂沉降、樁端阻力線性增大且變化較小;接近極限承載力時，樁頂沉降、樁端阻力顯著增大。

3）在浸水初期，樁基沉降量隨時間變化較小且線性增加，樁頂在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生負(fù)摩阻力;浸水中后期，樁基沉降量隨時間迅速增加，中性點位置不斷向樁身下部移動;浸水飽和后，中性點位置位于土中樁身長度約一半處，豎向荷載基本由樁端阻力承擔(dān)，樁基的沉降量顯著增加且24 h未達(dá)到穩(wěn)定。表明在強烈濕陷的黃土地基中浸水對樁基承載力的影響顯著。

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（編? 輯? 李? 靜）