泥質(zhì)巖地區(qū)大直徑深嵌巖樁的承載特性

龔成中，何春林，龔維明，戴國亮

(1.淮陰工學(xué)院 建工學(xué)院，江蘇 淮安223001；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京210096)

隨著西部建設(shè)的加快發(fā)展，越來越多的嵌巖樁在公路橋梁的建設(shè)方面得到了廣泛使用。大直徑超長嵌巖樁的承載特性比較復(fù)雜，迄今為止有很多專家學(xué)者對其承載特性進(jìn)行了分析研究，包括理論分析、有限元數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)研究等，并得到了許多有益的結(jié)論[1－5]。泥質(zhì)巖在中國分布較廣，目前對泥質(zhì)灰?guī)r地區(qū)大直徑嵌巖樁在萬噸級荷載作用下以及大嵌巖比(hr／d≥3.0)情況下的承載特性研究還比較缺乏[6－8]，基于壩陵河大橋現(xiàn)場的2根樁基(SZ1、SZ2)靜載荷試驗(yàn)和北盤江大橋的1根樁基(SZ3)的靜載荷試驗(yàn)，對該泥質(zhì)巖地區(qū)大直徑深長嵌巖樁在萬噸級荷載作用下的承載特性進(jìn)行了研究分析。對大直徑深長樁嵌巖樁樁側(cè)、樁端阻力的分布與巖性、樁側(cè)位移的關(guān)系作了有益的分析。

1 工程概況及試樁地質(zhì)條件

鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)高速公路是GZ65公路在貴州省境內(nèi)的重要路段，也是貴州省規(guī)劃的“三縱三橫八支八聯(lián)”公路主骨架的重要組成部分。壩陵河大橋離擬建鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)高速公路起點(diǎn)約21km，地處黔西地區(qū)的高原重丘，而北盤江特大橋位于鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)公路第14合同段，大橋從北盤江大小盤江之間河段跨越北盤江大峽谷，地形條件復(fù)雜。該工程試樁主要參數(shù)見表1。

試樁的主要土(巖)層分布情況見圖1所示。SZ3巖體物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如表2所示。

圖1 試樁土(巖)層分布圖

2 自平衡試驗(yàn)方法

試樁采用自平衡測樁法[9－11]，其主要原理是在樁身平衡點(diǎn)位置安設(shè)荷載箱，沿垂直方向加載，即可同時測得荷載箱上、下部各自承載力。上段樁的側(cè)摩阻力跟下段樁的側(cè)摩阻及端阻力的合力互為反力，實(shí)現(xiàn)力的平衡(圖2)。工程荷載箱主要置于樁端附近，能比較可靠地測出樁端阻力與樁側(cè)阻力。加載采用慢速維持荷載法。測試前先檢測了樁身混凝土強(qiáng)度及其完整性(超聲波測試)，測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3 結(jié)果分析

3.1 樁頂荷載－位移曲線

采用精確等效轉(zhuǎn)換方法[12]，根據(jù)已測得的各土層摩阻力－位移曲線，轉(zhuǎn)換至樁頂，得到試樁等效轉(zhuǎn)換曲線；3根試樁的等效的樁頂荷載－位移曲線見圖3?？梢奡Z1、SZ2、SZ3 3根試樁等效轉(zhuǎn)換曲線皆為緩變型。明顯不同于一般工程的中小直徑的樁，無明顯陡降段出現(xiàn)。由于試樁變位較小，故取最大加載值即為其極限承載力。實(shí)測結(jié)果如下：SZ1極限承載力為102 812kN，相應(yīng)的位移為45.94mm；SZ2極限承載力為102 236kN，相應(yīng)的位移為36.16mm；SZ3極限承載力為117 232kN，相應(yīng)的位移為28.12mm。如以樁徑的s＝0.05D位移條件作為樁基極限承載力來看，上述樁極限承載力所需位移分別為125mm、125mm、140mm。實(shí)測的位移值遠(yuǎn)小于s＝0.05D。可見該次試樁樁基的極限承載力是偏于保守的。

圖2 自平衡測試示意圖

圖3 試樁等效轉(zhuǎn)換曲線

3.2 樁端巖石特性對端阻力的影響

試樁都是把荷載箱置于樁端附近，因此能比較準(zhǔn)確的測出樁端阻力和位移的關(guān)系曲線，試驗(yàn)結(jié)果可靠合理。實(shí)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 樁端阻力－位移曲線

從實(shí)測的結(jié)果來看，SZ1樁端巖層主要為微風(fēng)化砂質(zhì)灰?guī)r，實(shí)測的樁端極限阻力為55 000kN，相應(yīng)位移為8.97mm；SZ2樁端巖層主要為弱風(fēng)化的泥質(zhì)灰?guī)r，樁端極限阻力為53 570kN，相應(yīng)位移為13.14mm。而SZ3主要是微風(fēng)化的泥質(zhì)白云巖，樁端極限阻力為47 340kN(包括樁端上部1.5m樁側(cè)摩阻力)，相應(yīng)位移為7.95mm。從曲線上可以看出，微風(fēng)化的砂質(zhì)灰?guī)r與微風(fēng)化的泥質(zhì)白云巖，樁端阻力與樁端位移曲線兩者近似平行，曲線也近似成直線關(guān)系。端阻完全發(fā)揮所需位移較大。而弱風(fēng)化的泥質(zhì)灰?guī)r由于風(fēng)化關(guān)系，樁端阻力超過一定數(shù)值后，荷載－位移曲線呈現(xiàn)向下彎曲的趨勢。

3.3 試樁中不同巖層的樁側(cè)阻力

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，繪制出的樁側(cè)阻力分布圖見圖5(分級加載的樁側(cè)阻力僅繪制出部分荷載作用下的情形)。

在SZ1、SZ2試樁中，側(cè)壁巖層主要為泥質(zhì)灰?guī)r。SZ1實(shí)測的最大側(cè)阻力分布情況是：弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r為87.7kPa，微風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r為311.6kPa，微風(fēng)化砂質(zhì)灰?guī)r為404.5kPa；SZ2試樁中，實(shí)測的弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r為115.4kPa，與SZ1數(shù)值不同的主要原因是兩者側(cè)阻力發(fā)揮的位移是不一致的，而SZ2中微風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r為323.0kPa，與SZ1相差不大。

在SZ3試樁中，樁側(cè)巖層主要為泥質(zhì)白云巖。實(shí)測的最大側(cè)阻力分布情況是：強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖為45kPa，弱風(fēng)化泥質(zhì)白云巖為270kPa，而微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖為319kPa。

3.4 樁土界面相對位移與樁側(cè)阻力的發(fā)揮

由于向上變位較小，巖層摩阻力沒有充分發(fā)揮，根據(jù)實(shí)測摩阻力，同時考慮到位移協(xié)調(diào)原則，即荷載箱處上段樁變位取與下段樁變位相等原則，采取雙曲線函數(shù)擬合摩阻力－位移的τ－s函數(shù)。每層巖石采用同一曲線擬合，此時可擬合出的SZ1、SZ2、SZ3樁側(cè)摩阻力與樁側(cè)位移曲線見圖6所示。

從SZ1擬合曲線來看，弱風(fēng)化的泥質(zhì)灰?guī)r極限側(cè)阻力為155.3kPa，微風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r為488.5kPa，而微風(fēng)化砂質(zhì)灰?guī)r為607.1kPa，對應(yīng)的極限位移為8.97mm。

圖5 樁側(cè)阻力分布圖

從SZ2擬合曲線來看，弱風(fēng)化的泥質(zhì)灰?guī)r極限側(cè)阻力為310.5kPa，微風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r為428.4kPa，對應(yīng)的極限位移為13.14mm。

從SZ3擬合曲線來看，與泥質(zhì)灰?guī)r相比，弱風(fēng)化或微分化的泥質(zhì)白云巖樁側(cè)阻力的發(fā)揮所需要的側(cè)移較小，樁側(cè)極限側(cè)摩阻力約為324kPa。而強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖的側(cè)摩阻力約為71kPa，相應(yīng)樁側(cè)位移僅為3.45mm。

表3試樁各土層側(cè)摩阻力中，預(yù)估極限側(cè)阻力一欄為勘探報(bào)告書所提供的極限側(cè)阻力。實(shí)測結(jié)果與此對比表明，SZ1弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r、SZ3強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖實(shí)測的極限側(cè)阻力與預(yù)估承載力相差較大，這可能與巖土工程性質(zhì)有關(guān)，也可能是受到施工以及測試方法的影響，在工程施工中應(yīng)引起足夠重視。

表3 試樁各土層側(cè)摩阻力

4 結(jié)論

自平衡測試法在大噸位的樁基測試中，體現(xiàn)了安全可靠，不占場地的優(yōu)點(diǎn)。節(jié)省了大量的人力和物力，為大噸位的樁基承載力檢測提供了一種很好的解決方法。

實(shí)測的3根大噸位試樁的樁頂荷載－位移曲線皆為緩變型。與一般的中小直徑樁明顯不同。且在所需的極限荷載作用下，樁頂位移遠(yuǎn)小于s＝0.05D的條件要求，樁基承載力是偏于安全的。

從樁端阻力和位移關(guān)系來看，微風(fēng)化的砂質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)白云巖承載力能力較高，潛能較大。而弱風(fēng)化的泥質(zhì)灰?guī)r荷載位移曲線在荷載作用下明顯呈向下彎曲趨勢。

從擬合的樁側(cè)摩阻力－位移曲線來看，微風(fēng)化的或弱風(fēng)化的泥質(zhì)白云巖樁側(cè)阻力發(fā)揮所需的位移較小，而泥質(zhì)灰?guī)r樁側(cè)阻力的發(fā)揮所需的位移較大。

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