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黄土地区桥梁桩基设计与施工

相关技术问题报告人：冯忠居教授长安大学岩土与隧道工程研究所2009年6月汇报内容黄土的工程特性及对桩荷载传递规律的影响1黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性2黄土湿陷等级对桥梁桩基承载特性的影响3黄土地区桥梁桩基承载力确定方法4黄土地区桥梁桩基工程设计技术5一、黄土的工程特性及对桩荷载传递规律的影响

黄土是第四纪堆积的、以粉土颗粒为主、富含碳酸盐、具有大孔性、黄色的松软沉积物。黄土分为湿陷性黄土和非湿陷性黄土两类，其中湿陷性黄土的危害最大。黄土在一定的压力作用下受水浸湿，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质，叫做黄土的湿陷性。1、概述黄土地区桩基础在浸水后，不但正摩阻力完全消失，还会由于湿陷的过大沉降产生负摩阻力，该负摩阻力由桩端土承担，从而使桩的设计长度增大，施工难度加大，经济效益明显降低。从桩基设计的角度来看，湿陷性黄土具有的工程特点：（1）大孔隙。其孔隙比一般在1.0左右或更大。（2）含水率变化对承载力的影响十分明显。湿陷性黄土在天然含水量状态下，一般处于坚硬、硬塑和可塑状态，其承载力标准值一般都可大于100kPa，甚至可超过200kPa。但浸水后，则黄土地基的承载力大大降低，承载力标准值小于100kPa，甚至小于50kPa。（3）水对黄土结构的影响很大。由于黄土结构对水作用的特殊敏感性，干型黄土、湿型黄土与饱和黄土的动力性质具有明显的差别。2、黄土的工程特性黄土的工程特性及对桩荷载传递规律的影响

黄土地区的桥梁桩基，由于受到黄土湿陷性影响，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，桩侧将出现向下作用的负摩阻力。桩的负摩阻力的发生将使桩侧土的部分重力传递给桩，因此，负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩来说，若有负摩阻力发生，则桩的外荷载增大，桩的承载力相对降低，桩基沉降加大。3、湿陷性黄土对桩荷载传递规律的影响图1-1负摩阻力示意图

黄土的工程特性及对桩荷载传递规律的影响

在地面以下某一位置，土对桩无相对位移，该位置称为中性点，中性点处既无正摩阻力，又无负摩阻力，如图1-2所示。（2）中性点的确定图1-2

中性点位置中性点黄土的工程特性及对桩荷载传递规律的影响二、黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性1、桩的承载力性状(1)浸水前桩的承载力浸水前桩的极限承载力大于9600KN，这一结果明显大于芝川桥桩的极限承载力设计值8000KN。1、桩的承载力性状(2)浸水后桩的承载力当荷载达8000KN时曲线出现明显的反弯点，由此可以初步判断浸水后1#桩的极限承载力为8000KN。

黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性(3)浸水前、后桩承载力的变化桩浸水前、后的极限承载力差异明显，前者远大于后者；而在相同荷载下，桩在浸水前的沉降量远小于后者，这说明桩周浸水引起桩侧湿陷性黄土发生湿陷，其抗剪强度降低，对桩承载力有明显影响。黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性1、桩的承载力性状2、桩身轴力及桩端阻力发挥性状(1)浸水前桩的轴力及端阻力发挥性状在各级荷载作用下，随着桩入土深度的增加，桩身轴力逐渐减小，说明桩在传递竖向荷载过程中，大部分荷载转嫁给了桩侧土体，桩端承受的荷载很小，试桩显示出摩擦桩的力学特性。黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性(2)浸水后桩身轴力及桩端阻力发挥性状桩周黄土在浸水后其轴力的分布性状总体趋势是从地面向下逐渐减小，但沿桩长向下某些断面区间的轴力相对提高，出现这一情况的原因是在相应断面区间产生了负摩阻力的缘故。

黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性2、桩身轴力及桩端阻力发挥性状(3)浸水前、后桩轴力与端阻力的对比分析

桩周浸水前、后轴力的分布规律有较大的差异，在各级荷载作用下，前者是随着桩入土深度的增加轴力减小，而后者则是随着桩入土深度的增加，轴力不减反增，这是由于桩周土体浸水后发生湿陷产生负摩阻力所致。

浸水前后桩的轴力分布规律对比如图2-1所示。黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性2、桩身轴力及桩端阻力发挥性状黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性图2-1浸水前后桩的轴力分布规律对比3、桩的侧阻力发挥性状(1)浸水前桩的侧阻力发挥性状浸水前桩的侧阻力均为正摩阻力。加载较小时，侧阻力发挥较小，随着加载等级的增大，桩侧阻力逐渐增大，当加载达最大时，大部分土层的侧阻力达极限值。黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性(2)浸水后桩的侧阻力发挥性状浸水后桩的侧阻力部分出现负摩阻力，随着荷载的增大，桩的沉降变形量也增大，相应的负摩阻力减小。黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性3、桩的侧阻力发挥性状(3)浸水前后桩侧阻力对比分析桩在浸水前桩侧土层提供的都是正摩阻力，而浸水后桩侧在20.0m以上的大部土层产生了负摩阻力，20.0m以下的土层都为正摩阻力；浸水前、后在20.0m以下桩侧达极限摩阻力的土层不同，且后者较前者的多，这是由于负摩阻力引起的。

浸水前后桩的轴力分布规律对比如图2-2所示。黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性3、桩的侧阻力发挥性状黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性图2-2浸水前后桩的轴力分布规律对比4、桩浸水沉降变形特性(1)桩周土浸水沉降变形特性试验通过桩周浸水，研究负摩阻力的变化性状。(2)浸水桩的沉降变形特性在浸水期间桩的沉降变形量和其周围土的浸水特性一致，桩顶的沉降量较桩周土的沉降变形量小得多。黄土地区桥梁桩基浸水前后的受力特性三、黄土湿陷等级对桥梁桩基承载特性的影响湿陷性黄土地基的湿陷等级，即地基土受水浸湿、发生湿陷的程度，可以用地基内各土层湿陷下沉稳定后所发生湿陷量的总和(总湿陷量)来衡量。总湿陷量越大，对桥梁桩基等建筑物的危害越大，相应的设计、施工和处理措施要求也相应地越高。

1、概述

《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025－2004)对地基总湿陷量(cm)用下式计算：

式中：——第i层土的湿陷系数；

——第i层土的厚度(cm)；

——考虑地基土浸水机率、侧向挤出条件等因素的修正系数，基底下5m(或压缩层)深度内取1.5；5m(或压缩层)以下，非自重湿陷性黄土地基＝0，自重湿陷性黄土地基中取值见表3.1。

2、黄土湿陷性等级的判定黄土湿陷等级对桥梁桩基承载特性的影响黄土湿陷等级对桥梁桩基承载特性的影响地区β0陇西1.5陇东、陕北1.2关中0.7其他（如山西、河北、河南等）0.5表3.1

β0的取值

2、黄土湿陷性等级的判定

湿陷性黄土地基的湿陷等级可以综合考虑地基总湿陷量和计算自重湿陷量两方面因素，按表3.2判定。

黄土湿陷等级对桥梁桩基承载特性的影响表3.2湿陷性黄土地基的湿陷等级

湿陷类型

zs(cm)

s(cm)非自重湿陷性地基自重湿陷性地基

zs≤77＜

zs≤35

zs＞35

s≤3030＜s≤60

s＞60Ⅰ(轻微)Ⅱ(中等)——Ⅱ(中等)Ⅱ或ⅢⅢ(严重)——Ⅲ(严重)Ⅳ(很严重)2、黄土湿陷性等级的判定

目前在桩基承载特性研究中，对于负摩擦力的确定仍处于探索阶段，有许多问题还有待研究。结合近年来在黄土地区做的桩基现场试验资料，通过有限元数值仿真分析，分析自重湿陷性黄土湿陷性等级对于桩基的承载力特性的影响因素及负摩擦力的分布规律。黄土湿陷等级对桥梁桩基承载特性的影响3、计算与分析（1）湿陷系数δ对中性点的影响

设中性点深度h1与湿陷土层深度h0之比为α（α=h1/h0）。表3.3给出α随自重湿陷系数δ及湿陷土层深度h0变化表。图3-1分别显示桩径为1.2m，h0分别为5m、10m、15m时，自重湿陷系数δ对α（h1/h0）的影响。

（2）湿陷系数对P1/P0的影响

图3-2为湿陷性土层深度为10m时，不同的桩长、桩径对应的P1/P0与湿陷系数的关系曲线。其中，P0为未湿陷时桩的极限承载力，P1为发生湿陷后桩基对应的极限承载力，P1/P0

则是在负摩阻力作用下桩基剩余极限承载力与原极限承载力之比，该值反映了负摩阻力对桩极限承载力影响程度。黄土湿陷等级对桥梁桩基承载特性的影响3、计算与分析黄土湿陷等级对桥梁桩基承载特性的影响表3.3α与δ及h0关系表

δαh0(m)0.0150.0250.0450.08550.880.950.960.98100.95－0.970.970.98－0.990.99150.980.980.990.9933、计算与分析图3-1不同桩长下的δ－h1/h0曲线(a)h0=5m(b)h0=10m(c)h0=15m图3-2P1/P0与湿陷系数关系曲线(a)L=15m(b)L=35m(c)L=60m（3）成果分析

α随湿陷系数及湿陷厚度的增大而增大，说明湿陷系数越大，湿陷厚度越大，中性点深度与湿陷层深度越接近；桩长越长，α值越大，因为这些中性点位置都是在极限荷载下求得的，桩长越长对应的极限荷载越大，桩身的压缩就越大，其中性点位置就越靠下。

P1/P0随湿陷系数δ的增大而减小，说明当桩体参数相同时，δ越大，湿陷作用对桩的承载力的折减就越明显。黄土湿陷等级对桥梁桩基承载特性的影响3、计算与分析四、黄土地区桥梁桩基承载力确定方法

1.据规范查表确定黄土的承载力基本值

新黄土、老黄土、一般湿陷性黄土和饱和黄土的承载力确定，按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)查表确定。（1）一般湿陷性黄土承载力基本值按表4.1查得。（2）饱和黄土承载力基本值按表4.2确定。（3）近期堆积黄土承载力基本值按表4.3确定。（4）静力触探比贯入阻力Ps确定承载力按表4.4确定。（5）老黄土承载力按表4.5确定。表4.1一般湿陷性黄土承载力基本值[f]w(%)(kPa)wL/e≤1316192225221801701501301102519018016014012028210190170150130312302101901701503425023021019017037250230210190注：(1)含水量小于塑限时，可按塑限含水量确定。(2)含水量小于10%的土，因湿度过低的土，建筑物建成使用后，由于环境条件的改变，土的含水量将会有所增加，承载力将会随之降低。遇到此种情况时，按表中最小含水量确定。

表4.2饱和黄土承载力基本值

[f]w(%)(kPa)α(MPa-1)0.80.91.01.11.20.11861830.21731701660.31601571531500.41471441401361330.51331301261231190.61191161131101060.710610310097930.8908784800.97471681.05854表4.3近期堆积黄土承载力基本值[f]w/wL

(kPa)α(MPa-1)0.40.50.60.70.80.90.21491431381331281230.41371321271221171120.61261211161111061010.811511010510095901.0100959085801.2858095901.4706560表4.4静力触探比贯入阻力

确定承载力(MPa)0.30.50.70.91.11.31.51.71.92.12.32.52.72.93.13.3(kPa)5565758392100108116124132140148157165173182表4.5老黄土承载力确定(为规范建议值)层位号(ST)深度范围D(m)(第一层古土壤层底向下)(kPa)1D＜5300~40025≤D≤10400~500310≤D≤20500~800420≤D≤40800~1200540≤D≤601200~16006D＞601600

2.按回归公式确定黄土承载力

按照物理、力学指标之间的相关关系，确定黄土承载力的统计回归公式如下：（1）饱和黄土（2）新近堆积黄土黄土地区桥梁桩基承载力确定方法（3）河谷阶地新近堆积黄土黄土地区桥梁桩基承载力确定方法

2.按回归公式确定黄土承载力

3.用比贯入阻力Ps确定承载力

（1）适用于关中、豫、晋东南东部、晋东南西部和山东地区的经验公式：

适用范围：Ps=500～5000kPa（2）适用于陇西、青海、汾河流域和陇东地区的经验公式：

适用范围：Ps=1000～5500kPa（3）适用于晋、陕、宁北部和河西走廊地区的经验公式：

适用范围：Ps=1000～6500kPa黄土地区桥梁桩基承载力确定方法目前国内、外对桩基负摩阻力的计算主要有：

（1）大面积地面下沉的负摩擦力公式：

式中，—有效应力（kPa）。（2）粘性土的负摩擦力公式：

式中，—无侧限抗压强度（kPa）。

4.桩基工程负摩阻力计算

黄土地区桥梁桩基承载力确定方法（3）由于活荷载而引起的负摩擦力公式：

式中，—有效应力（kPa）。

（4）用三轴不排水固结强度计算负摩擦力公式：

式中，—三轴不排水剪测定的粘聚力；—土的平均有效应力，地基的垂直总应力减去孔隙水压力；—土的侧压力系数，，软土取0.5。黄土地区桥梁桩基承载力确定方法

4.桩基工程负摩阻力计算

（5）按有效应力法计算负摩擦力公式：

式中，自重湿陷性黄土值取0.20～0.35

。黄土地区桥梁桩基承载力确定方法

4.桩基工程负摩阻力计算

（6）用静力触探试验结果确定负摩擦力公式：

式中，—锥尖阻力（kPa）。（7）用标准贯入试验N值确定负摩擦力公式：（沙类土）（粘性土）五、黄土地区桥梁桩基工程设计技术由于黄土其特有的工程性状，使得桩基在设计与使用上受到很大的限制，目前国内、外都是在考虑黄土的湿陷性后，加大桩的设计长度，使桩端位于非湿陷性黄土层上，由此无形增加了桩的施工难度和工程造价。另外，我国公路桥梁技术规范中对黄土地区桩基础的设计理论中因选用桩设计参数不合理，使得桩的埋深过大或过小，从而引起不必要的浪费或工程隐患。因此，综合考虑黄土的各种工程因素后，方可进行黄土地区桥梁桩基工程设计。

1、概述结合湿陷性黄土的工程特性，对黄土地层中桩基的设计需要注意和考虑的问题如下。

（1）桩型的选择位于湿陷性黄土地区桥梁结构，对上部结构荷载大或地基浸水可能性大时，主要采用桩基础。将一定长度的桩穿透湿陷性黄土层，使上部结构的荷载通过桩端传到非湿陷性土层，此时即使地基受水浸湿，也可以避免湿陷的危害（若能使用端承桩更好）。在湿陷性黄土地区采用的桩基础按施工方法有沉桩、灌注桩、管桩基础、钻埋空心桩及爆扩桩等。2、设计技术黄土地区桥梁桩基工程设计技术

（2）设计中负摩阻力的考虑工程中应具体情况考虑负摩阻力验算桩基的承载力和沉降。此外，有关湿陷性黄土地区建筑的规范规定：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外，还应扣除桩侧的负摩阻力，同时规定桩侧负摩阻力的计算深度，应自桩的承台底面算起，到其下非湿陷性黄土土层顶面为止，桩侧负摩阻力的取值如表5.1所示。

表5.1桩侧负摩阻力值(kPa)自重湿陷量

zs(cm)挖、钻孔灌注桩沉桩7～201015＞201520黄土地区桥梁桩基工程设计技术2、设计技术也可按下式计算负摩阻力：

式中：——竖向有效应力，

——土的有效重度；

——土的侧压力系数；

——计算处土的有效内摩擦角；

——系数，自重湿陷性黄土＝0.20～0.35。

（3）湿陷性黄土地区中桩基设计工作流程及原则1）对湿陷性黄土地区地基首先判明它是否具有湿陷性，进而区别其属于自重湿陷性黄土或非自重湿陷性黄土。黄土地区桥梁桩基工程设计技术2、设计技术否是否是是否数据采集与传递湿陷性判别参照常规桩基设计探索性现场试验地基抗震性评价自重或非自重湿陷性判别地基预处理降水与排水措施控制沉陷量与改善建筑物对不均匀沉陷得适应性工程处理措施设计桩型、桩截面及桩长的假定单桩设计承载力确定其它桩基技术参数确定桩基沉降量的计算及控制有无水平力的作用是否存在拔力或负摩阻力水平承载力的设计安全否容许抗拔阻力设计及负摩阻力计算安全否桩的构造设计桩承台及有无结构设计图5-1黄土地区桩基础设计步骤2）结合桥梁结构物的重要性，必要时进行室内模型试验和现场试验。3）设计中除了必须遵循一般地基的设计原则外，还需针对黄土的湿陷与振陷特征并结合具体工程情况，在设计中考虑某些工程措施，例如对地基进行预处理，防水与排水以及采取结构措施以改善结构物对不均匀沉降的适应性。4）设计中应特别注意控制沉降。在工程具体条件下(例如加载途径、黄土类型、浸水及排水情况、可能发生的动荷载、结构物的整体性和刚度等)，通过适当的分析和计算，做到桩基的沉降和不均匀沉降可控。同时需注意，由于黄土的振陷，承台底面与土之间可能脱空，导致桩在承台底面以下一段范围内发生水平断裂。黄土地区桥梁桩基工程设计技术2、设计技术5）黄土地层中单桩承载力的确定。在确定单桩竖向承载力设计值时，通常有三种考虑方法，一是将负摩阻力作为负的承载力；二是将负摩阻力作为一种不利因素，以原有的安全储备补偿；三是将负摩阻力作为附加荷载。第三种方法概念较明确，目前在实际工程中应用较广。

式中:Qa——单桩竖向承载力设计值；

Qn——负摩阻力引起下曳荷载；

Rpu,Rsu——分别为桩端极限阻力及负摩阻力作用区段以外的极限正摩阻力；

K——安全系数；黄土地区桥梁桩基工程设计技术2、设计技术

（4）消除负摩阻力的技术减少负摩阻力常采用的措施：

1）在桩基外设保护桩（隔离桩）。防止基础外填土或堆载引起的负摩阻力，保护桩承担全部负摩阻力与填土的侧向推力。2）涂层法。即在桩表面涂沥青、树脂、再生橡胶等物，减少负摩阻力。

3）预钻孔法。即在插入桩前先钻孔，直径比桩径稍大，深度达到中性点。中性点以下则不用预钻孔，而是打入或者其他常规方法设桩以保持桩的正摩阻力。

黄土地区桥梁桩基工程设计技术2、设计技术4）塑料膜滑动隔离法。用双层筒形塑料薄膜预先置于中性点以上的钻孔内，然后在薄膜内浇筑混凝土。

5）套筒法。在桩外设置与