復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基礎(chǔ)承載特性研究

李希迪

摘要：軟巖地質(zhì)在橋梁樁基礎(chǔ)工程中廣泛存在，其具有巖性復(fù)雜、夾層風(fēng)化、承載能力差異大等特征，而現(xiàn)行規(guī)范中未明確復(fù)雜軟巖地質(zhì)中的樁基承載能力計(jì)算方法。本文按以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算單樁豎向極限承載力的思路，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基承載特性進(jìn)行探究，并針對(duì)不同地質(zhì)情況給出了相應(yīng)樁基設(shè)計(jì)原則，對(duì)同類地質(zhì)的橋梁樁基設(shè)計(jì)、施工具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：軟巖;樁基礎(chǔ);承載特性;軟弱夾層

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.25.078

0引言

隨著橋梁結(jié)構(gòu)跨度的增大，往往下部結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載較高，其基礎(chǔ)形式一般以中、微風(fēng)化巖層作為持力層的嵌巖樁基礎(chǔ)方案。樁基礎(chǔ)通過(guò)樁的側(cè)面和端部接觸將荷載傳遞給樁周土體或深層巖層，因樁基具有很大的側(cè)向和豎向剛度，其承載性狀一般由樁周土（巖）體決定。對(duì)于某些特定復(fù)雜軟巖地質(zhì)，可能出現(xiàn)巖層埋深較大、軟弱夾層交替出現(xiàn)、巖石裂隙極發(fā)育、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度較低等現(xiàn)象。

若要滿足嵌巖樁基巖以下連續(xù)巖層厚度不小于3D和基巖單軸抗壓極限強(qiáng)度的規(guī)范、設(shè)計(jì)要求，且考慮到軟弱夾層、發(fā)育裂隙會(huì)削弱持力層端阻力的發(fā)揮，往往要大幅增加樁基長(zhǎng)度或擴(kuò)大樁基直徑以獲得足夠的承載力。綜合施工工期、經(jīng)濟(jì)效益、結(jié)構(gòu)安全等因素，必須對(duì)復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基礎(chǔ)承載特性展開(kāi)探究，從設(shè)計(jì)方面提出樁基礎(chǔ)安全合理的解決方案。

1軟巖的力學(xué)特征

軟巖一般是由固體相、液體相、氣體相組成的多相體，固體相是由大小不等、性狀不同的礦物顆粒以不同的排列方式組合構(gòu)成軟巖的主要成分;在顆粒之間的空隙中存在液相的水溶液和氣體，三相相互作用的形態(tài)決定了軟巖的力學(xué)性質(zhì)。

軟巖往往成巖時(shí)間短、成巖作用差、巖性變化大，其最大力學(xué)特征具有較強(qiáng)的遇水軟化性、膨脹性，同時(shí)具有脫水脆性破壞的特征。在荷載作用下表現(xiàn)出承載力低、變形大等工程特性，已有硬質(zhì)巖石相關(guān)工程的設(shè)計(jì)規(guī)范不能直接應(yīng)用于軟巖工程中。

軟巖巖芯易受擾動(dòng)、應(yīng)力狀態(tài)變化和試驗(yàn)條件等因素影響，其單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果往往不具備代表性和實(shí)時(shí)性，不同規(guī)格的軟巖試樣對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響巨大。在勘察設(shè)計(jì)中必須根據(jù)巖芯風(fēng)化度、完整度、堅(jiān)硬度、尺寸進(jìn)行強(qiáng)度折減。

以廣東省廣花平原具有代表性的軟巖地層下四三系地層為例，巖性主要以泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，上覆發(fā)育沉積層較厚，基巖的埋深較深且風(fēng)化程度差異較大，裂隙極發(fā)育，存在軟弱夾層。巖土物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析表明，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層飽和單軸抗壓強(qiáng)度為2.8～7.4MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為37MPa;微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層飽和單軸抗壓強(qiáng)度為45～155MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為9.0MPa。根據(jù)強(qiáng)度值，強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖應(yīng)劃為極軟巖類。

2復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基承載特征

根據(jù)樁基軸向荷載傳遞理論，樁基極限承載力為土（巖）體的極限抗力或樁體承受的極限荷載，對(duì)于軟巖地質(zhì)，極限承載力一般由土（巖）層抗力決定。確定樁基承載能力的手段主要有以下幾種：（1）原位測(cè)試;（2）室內(nèi)模型試驗(yàn);（3）數(shù)值分析;（4）經(jīng)驗(yàn)公式（規(guī)范）。其中原位測(cè)試是最直接、最權(quán)威的檢測(cè)方法，但受制于成本和現(xiàn)場(chǎng)條件較難實(shí)施;室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析易受巖樣代表性和選取邊界條件影響無(wú)法精確推斷相應(yīng)參數(shù);規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式也有適用性不全面等不足之處。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）認(rèn)為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk由總極限側(cè)阻力Qsk、總極限端阻力Qpk兩部分組成：

或發(fā)育裂隙的嵌巖樁，應(yīng)以?shī)A層的端阻力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算豎向極限承載力，且須根據(jù)相關(guān)極軟巖基荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)《規(guī)范》的極限端阻力極值進(jìn)行修正：按1500～3800kPa的上下限，以插值法計(jì)算天然單軸抗壓強(qiáng)度2.5～5.0MPa巖基對(duì)應(yīng)的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。而對(duì)于軟巖地質(zhì)樁基極限側(cè)阻力《規(guī)范》中未給出計(jì)算推薦值，需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)自平衡法載荷試驗(yàn)或根據(jù)巖芯模型試驗(yàn)確定。

3工程實(shí)例分析

某橋梁工程為雙向六車道高速公路主線橋，設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙肢墩大挑臂蓋梁，30米標(biāo)準(zhǔn)跨徑小箱梁，橋面全寬33米;基礎(chǔ)形式為對(duì)稱布置群樁和“工”字形整體式承臺(tái)。其樁基直徑為1.8m，單樁承載力特征值為21500kN，地質(zhì)資料揭示微、中風(fēng)化持力層下臥極軟強(qiáng)風(fēng)化夾層，超前鉆孔芯樣如圖1所示，現(xiàn)擬探究該地質(zhì)條件下滿足承載力要求的樁長(zhǎng)。

。

若嵌巖樁按端承樁考慮，即不考慮樁側(cè)阻力發(fā)揮，巖層<3-4>單軸抗壓強(qiáng)度雖滿足持力層的要求，但其厚度小于3D且下臥軟弱夾層，須以巖層<4-4>作為持力層，按嵌巖1.5D計(jì)算，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為55.2m。

若嵌巖樁按摩擦端承樁考慮，巖層<3-4>層底累計(jì)極限摩阻力已大于承載力特征值，樁基極限端阻力取值為軟弱夾層<3-2>的極限端阻力3245.6kN，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為39.9m。

若按摩擦樁考慮，即不考慮樁端軟弱夾層的阻力發(fā)揮，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為42.86m。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在復(fù)雜軟巖地質(zhì)條件下，對(duì)樁基采取不同的設(shè)計(jì)原則往往計(jì)算樁長(zhǎng)差異較大。

4復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討與施工建議

一般嵌巖樁受荷后，最先出現(xiàn)的是嵌巖段的側(cè)阻力，其次是端阻力，最后才是樁土摩阻力。對(duì)于軟巖樁基礎(chǔ)，持力層往往埋深較大，樁側(cè)阻力發(fā)揮了不可低估的作用，尤其是風(fēng)化程度較高軟巖，其粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)承載力有顯著影響，甚至當(dāng)深度超過(guò)某一臨界值時(shí)，樁端阻力趨于零，此時(shí)嵌巖樁已成為純粹的摩擦樁?？紤]到樁端以下可能存在的極軟夾層或裂隙發(fā)育的影響，樁基礎(chǔ)必須根據(jù)地質(zhì)情況合理確定軟巖樁側(cè)阻力、端阻力的分配比例，盡量讓側(cè)阻和端阻充分發(fā)揮作用，達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益，建議原則如下：

（1）若樁端以下3D范圍不存在軟弱夾層或發(fā)育裂隙，可根據(jù)持力層埋深靈活選用端承樁或摩擦端承樁合理確定樁長(zhǎng)。

（2）當(dāng)樁端以下存在軟弱夾層但無(wú)法確定樁端承載條件或承載能力過(guò)低時(shí)，須按最不利情況考慮甚至不考慮樁端阻力作用發(fā)揮，宜按摩擦樁設(shè)計(jì)。

（3）當(dāng)樁端以下存在確定承載能力的軟弱夾層時(shí)，應(yīng)根據(jù)承載力特征值對(duì)各巖層累計(jì)側(cè)阻力和端阻力進(jìn)行復(fù)核，以經(jīng)濟(jì)性為原則按摩擦樁或摩擦端承樁設(shè)計(jì)。

軟巖巖性大多十分復(fù)雜，實(shí)際施工反映的地質(zhì)情況可能會(huì)與地質(zhì)鉆孔揭示地質(zhì)不一致。圖2為微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層對(duì)應(yīng)成孔渣樣，觀察渣樣較破碎，含泥量較高，輕掰即斷，曬干后由嚴(yán)重龜裂現(xiàn)象，與微風(fēng)化巖描述不符。建議施工過(guò)程中要及時(shí)組織具備豐富地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)工程師對(duì)渣樣進(jìn)行判斷，必要時(shí)在原位重新進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)探。

實(shí)際施工實(shí)踐證明，軟巖地質(zhì)中采用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)速度較快，且能采用干鉆法減少泥漿排放，環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益明顯，在工期緊張、作業(yè)面多等條件下具備可推廣性。

5結(jié)語(yǔ)

軟巖測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度往往不能客觀反映實(shí)際強(qiáng)度，尤其對(duì)軟弱夾層或裂隙發(fā)育層須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)掌握其特性。因此對(duì)于復(fù)雜軟巖地質(zhì)的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前須加強(qiáng)地質(zhì)勘察，合理確定各土（巖）層的折減系數(shù)以及抗力參數(shù)，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)效益和施工難度確定樁承載特性和樁基長(zhǎng)度。軟巖巖性變化通常較復(fù)雜，施工中須密切關(guān)注進(jìn)尺情況，宜隨施工進(jìn)度實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]谷倉(cāng)勇.確定軟巖地基樁基承載力參數(shù)的新方法與運(yùn)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，3（1）：4748.

[2]劉松玉，季鵬，韋杰，等.大直徑泥質(zhì)軟巖嵌巖樁的荷載傳遞性質(zhì)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20（4）：5861.

[3]湛鎧瑜.中風(fēng)化極軟巖樁的極限端阻力和極限側(cè)阻力研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014，44（8）：2125.