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摘要 本文介紹了三個濕陷性黃土地區單樁負摩阻力監測實例，試驗樁安置于浸水坑中，其直徑或邊長約等于樁長。觀測期間不停地往坑內注水，直到樁端土體飽和時停止注水，并繼續觀測樁身應變及地表沉降，至二者均穩定為止。共測試了9條樁三種樁型，其中4條樁樁頂無荷載，其余樁在浸水過程中維持設計荷載。樁身應變測試采用瑞士產滑動測微計，它是一種便攜式長標距高精度應變儀，可連續地監測相鄰二點之間的相對變形，二點間距為1m，儀器分辨率為0.001mm，即應變分辨率可達1。監測結果表明，濕陷值一般小于按室內試驗數據計算值，但負摩阻力大于規范值。
1.1黃土特征及其分布
黃土是一種第四紀沉積物，具有以下全部特征，當缺少其中一項或幾項特征的稱為黃土狀土，這些特征是：
(1)顏色以黃色、褐黃色為主，有時呈灰黃色；
(2)顆粒組成以粉粒（0.05～0.005mm）為主，含量一般在60%以上，幾乎沒有粒徑大于0.25mm的顆粒；
(3)孔隙比較大，一般在1.0左右；
(4)富含碳酸鈣鹽類；
(5)垂直節理發育；
(6)一般有肉眼可見的大孔隙。
黃土及黃土狀土分布范圍很廣，全世界約1300萬km²，占陸地總面積的9.3%^[1]，主要分布于南北美洲及歐洲中緯度干旱地區。我國黃土面積63.5萬km²，占世界黃土總面積的4.9%，主要分布在北緯34～45°之間，區域內氣候干燥，降雨量介于250～500mm，小于250mm的沙漠地區及大于750mm的地區基本上無黃土分布。
我國黃土主要分布于黃河中下游，而黃土狀土主要分布于新疆天山南北及松遼平原，海拔高程最低為200m，最高2400m。
我國黃土面積占世界黃土面積的比例雖然不大，但最具典型性^[2]，堆積厚度也****，黃河中游，特別是洛河和涇河流域中下游，****厚度達180～200m，而歐洲地區的黃土厚度小于10m。
并不是所有黃土都具有濕陷性，我國濕陷性黃土約占總黃土面積的60%，大部分分布于黃河中游地區，如隴東、陜北地區，隴西、關中、河南、山西地區，其厚度一般小于15m，****30m。
隨著我國西部大開發的進展，必須在黃土地區興建大型工程，如火電站及引水工程，這些工程的基礎處理，一般采用樁基礎。因此，由于黃土濕陷導致的樁身負摩阻力必須在設計中予以充分考慮。我所近15年來，參加了四個工程單樁負摩阻力監測，試驗樁位于圓形或長方形浸水坑中，坑徑或邊長一般等于或大于樁長，測試過程中不間斷地向試坑注水至樁端土體飽和度達80%為止，停水后繼續觀測至水位降至樁端，且地表停止沉降為止。

1.2負摩阻力監測對儀器設備的要求

   負摩阻力是由于土層沉降大于樁下沉量，導致下曳力作用于樁側面，增大了樁身荷載及下沉量，如考慮不周，有時會導致災害。土層沉降可以由于地面堆載，地下水位降低，黃土濕陷，凍土融化以及欠固結軟土或水力充填土的自重等多種原因引起。有許多估算負摩阻力的公式，有的考慮土的抗壓強度，有的考慮有效應力及抗剪強度，有的考慮標準貫入擊數，以及樁的類型和表面粗糙度等。不同公式算出的值有較大差異，因而實測具有重要意義。

   負摩阻力監測的主要目的是確定地層沉降期間樁身軸向應力分布規律，因而對測試原理及儀器的長期穩定性均有特殊要求。應力不能直接測量，而是通過測定應力作用下某種力學或物理參數的變化，如應變，聲波傳播速度等，然后根據材料的本構關系，進一步推算應力，因此除準確測定相應的敏感量以外，還需了解材料的本構關系。

   樁身摩阻力監測中，以往一般是沿軸向安裝多個鋼筋計、混凝土應力計或壓力盒。由于探頭與介質無法作到理想匹配，以及固定埋設的電測元件或多或少存在零點飄移，實測結果在很大程度上只能是定性的。以鋼筋計為例，它是以實測鋼筋上某一點處的應變來代替該斷面上樁身平均應變。然后乘以樁身平均彈模，求出該斷面軸向應力。這樣作存在一系列問題，首先，測點處的應變由于探頭或電阻片（包括防潮層、導線）的介入，局部受力狀態變化，實測應變不等于真實應變；其次，樁身平均彈模只是一個估算值，實際上它沿軸向變化很大，特別是現場灌注樁，而且彈模值還與加載量級和速率有關；再者，測點有限，間距一般為3～5m，甚至更大，相鄰點之間的測值用直線連接，依據不足；此外另點飄移，注水期間土體溫度變化都無法確定。即使提供了軸向力曲線及中性點位置，但實際上它只是測值中****值的位置，并不代表真正的中性點，因而也不可能確定負摩阻力分布曲線。

1.3線法監測原理及滑動測微計
八十年代初，瑞士聯邦蘇黎世工學院K.Kovari教授等提出了線法監測（Linewise observation）及相應的測試技術，如滑動測微計、三向位移計等^{[3、4、5、6、7]}。如前所述，鋼筋計，壓力盒等屬點法監測（Point observation），點法監測充其量只能獲得測點處的信息，測點之間如有某種不連續面或空洞（E值降低），則無法分辨出來。線法監測原理是連續地測定一條線（直線或曲線）上相鄰二點間的相對位移，這樣，不僅可合理地計算軸力、摩阻力、還可揭露樁身的所有缺陷。
滑動測微計主體為一標長1m，兩端帶有球狀測頭的位移傳感器，內裝一個線性電感位移計（LVDT）和一個NTC溫度計。為了測定測線上的應變及溫度分布，測線上每隔1m安置一個具有特殊定位功能的環形標，其間用硬塑料管相連，滑動測微計可依次地測量兩個環形標之間的相對位移，可用于多條測線，是一種便攜式高精度應變儀。（圖1）。
 
圖1滑動測微計
Sliding Micromeiler ISETH
 

圖2  線法（滑動測微計）與點法
  （鋼筋計）監測的基本區別
 
 
與傳統方法相比，新方法具有如下主要優點：

   (1)它連續地測定標距1m的樁身平均應變，樁身任何部位微小變形都反映在測值中，而傳統方法只能測定幾個點的應變，兩點之間的變形只能推斷，而且測點處的應變由于探頭的介入而產生局部應力畸變，其測值將偏離真實值。
(2)傳統方法是將被測元件予埋在樁身內部，不僅測點有限，而且易于損壞，更主要的是零點飄移無法避免，無法修正，新方法只在樁內埋設套管和測環，用一個探頭測量，簡單可靠，不易損壞；而且探頭可隨時在銦鋼標定筒內進行標定，可有效地修正零點飄移，特別適用于長期觀測。
(3)新方法所用探頭具有溫度自補償功能。溫度系數小于0.002mm/m/°C，而且附有一分辨率為0.1°C的溫度計，可隨時監測測段溫度，特別適用于觀測期有溫度變化的現場監測，以區分溫度應變及應力導致的應變，這是傳統方法無法作到的。浸水期，由于原地溫與水溫相差很大（例如冬季），浸水后地溫將降低好幾度。
(4)當用于垂直試樁時，不僅可提供摩阻力負摩阻力、端阻力等參數，還可評估樁身質量，缺陷部位，提供彈性模量等。用于水平試樁時，除提供臨介承載力Hcr及極限承載力Hu外，還可提供撓度曲線，其精度可達10^-5，比常用鉆孔測斜儀高一個量級。
 
2 溫陷性黃土地區負摩阻力測試
我所自83年從瑞士購入滑動測微計以來，約20個試樁工程采用了該儀器，其中有五個工程監測負摩阻力，除一個工程在沿海淤泥地基外，其余四個均處于黃土地區。

2.1蒲城電廠負摩阻力測試
蒲城電廠位于陜西渭北黃土原上，地層為黃土與古土壤分層交互分布，上部6m為馬蘭黃土（Q₃）下部為離石黃土（Q₂），總厚60m，屬大厚度黃土地基，地下水穩定水位為-62.8m。
試樁為鉆孔灌注樁，二種尺寸，各二根A型為φ1.2m，長40m，擴大端φ2.5m；B型為φ1.0m，長32m，擴大端φ2.2m。
試樁及錨樁均置于φ40m深1m的試坑中，坑底0.3m小卵石。坑內布置φ157mm，深32-40m，間距3m的注水孔140個，孔中填粒徑為2～8cm卵石。
為使樁基土層飽和，從90年11月15日開始注水，共注水79860m³，歷時40天，于12月25日停水。40m以上地層飽和度達90%。沉降觀測延續至91年1月29日，當最后5天平均濕陷量小于1mm時，符合《黃土規范》穩定標準，即停止觀測，****濕陷量為65mm，小于70mm，評定為非自重濕陷性黃土。特別值得指出的是，注水期間，地層不但不沉降，反而抬升，濕陷是停水后，隨著地下水位下降，土層固結而發生的。
試樁期間對A₁A₂B₁B₂四樁進行了全面的試驗，包括天然狀態下的垂直和水平靜載試驗，浸水期負摩阻力監測，飽和狀態下垂直和水平靜載試驗。試驗由建科院地基所主持，以下僅介紹浸水期負摩阻力監測^[8]。
(1)A₁、B₁由于樁頂分別施加了6000和4800kN軸向力,浸水期間樁頂沉降較大(分別為37.7mm、15.6mm)，因而中性點位置較高（分別為18m、11m），而A₂、B₂二樁由于頂部荷載為零，沉降只是由于浸水后土層下曳力引起，因而較小，中性點位置較低，而且隨水位下降而下移，A₂從15m下降至25m處，B₂由15m下降至21m。A₂、B₂中性點處的軸向力只在停水后才隨水位降低而增長。由于最后一次觀測時，水位仍停留在25m處，因此尚未達到****值。
(2)浸水初期，A₂、B₂不但未出現負摩阻力，反而產生拉應變，特別是A₂樁，在17、25、29、35m四處，高達1285με，這一現象可用浸水初期地表抬升來解釋，浸水后，土顆粒結構尚未破壞，而有效應力降低到（γ-1）H，樁身自重由于浮力也降低了，而樁端因擴大頭的鑲嵌作用，相當于一固定端座，這些因素導致樁身產生拉應力。A₂樁由于原有裂縫的存在，水滲入后產生“楔”作用，使裂紋擴張。停水后，水位下降，裂紋自上而下逐漸閉合。（圖3）
(3)圖4表明各種工況條件下B1樁實測應變，回
歸應變及正負摩阻力的變化曲線。數據處理方法將在下一節敘述。（圖4）
(4)浸水期間，樁身正負摩阻力及端阻力分布如表
1所示， B₁樁由于下沉量大大超過其他三根樁，因而
 

圖3  A₂樁浸水期實測應變
 
中性點最高，負摩阻力和單位負摩阻力較小。對于無樁頂荷載的A₂、B₂樁而言，單位正摩阻力略高于負摩阻力。


              
圖4a  B1樁實測應變曲線           圖4b  B1樁回歸應變曲線          圖4c  B1樁正負摩阻力曲線


表1  蒲城電廠浸水期間正負摩阻力及端阻力