丹江口庫區(qū)鄖縣漢江二橋嵌巖樁基巖承載力特性試驗研究

邊智華，余美萬，周建軍

（1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.三峽大學三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室，湖北宜昌 443002）

丹江口庫區(qū)鄖縣漢江二橋嵌巖樁基巖承載力特性試驗研究

邊智華1，余美萬1，周建軍2

（1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.三峽大學三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室，湖北宜昌 443002）

丹江口庫區(qū)鄖縣漢江二橋地基為白堊系至下第三系的一組軟巖和極軟巖，具有膠結(jié)較差易擾動的特點，橋梁基礎為嵌巖鉆孔灌注樁，在詳勘階段進行了巖塊物理力學性質(zhì)試驗和現(xiàn)場巖體力學試驗，其中采用的樁側(cè)摩阻力試驗為巖體力學試驗的新方法。通過現(xiàn)場試驗研究基巖荷載與沉降變形的關系，得出樁端阻力和樁側(cè)摩阻力的容許值，彌補了室內(nèi)巖石試驗的局限性，提出了樁端阻力及樁側(cè)摩阻力參數(shù)建議值，為工程優(yōu)化設計提供了依據(jù)。

南水北調(diào)；丹江口庫區(qū)；鄖縣漢江二橋；嵌巖鉆孔灌注樁；現(xiàn)場巖體力學試驗；樁端阻力；樁側(cè)摩阻力

1 研究背景

鄖縣漢江公路二橋位于漢江丹江口水庫尾段，是南水北調(diào)中線工程丹江口水庫庫區(qū)的一項淹沒復建替代工程，也是鄖縣城市總體規(guī)劃交通路網(wǎng)的骨干工程，該橋梁為特大橋，長2 102 m，主橋為3跨鋼管混凝土拱橋，跨長200 m，基礎為鉆孔灌注嵌巖樁，樁徑Φ1.5～2.0 m，樁長50～60 m。

橋位區(qū)基巖地層為白堊系至下第三系（K－E）紅層以及第四系河流沖積層（Qal）、坡積層（Qdl）及崩塌堆積層（Qcol）。右岸橋臺及引道段陡崖、沖溝溝壁中上部高程160～200 m段多出露強～弱風化砂礫巖，高程145～160 m水位變幅帶則出露弱風化粉砂質(zhì)泥巖、細砂巖等。河谷段基巖頂板高程117.6～125.4 m，為粉砂質(zhì)黏土巖、砂質(zhì)粉砂質(zhì)黏土巖、泥質(zhì)粉砂巖、中細砂巖、砂礫巖等碎屑巖，受沉積環(huán)境、膠結(jié)物質(zhì)等多種因素影響，普遍膠結(jié)較差、巖性軟弱，易風化，特別是中、細砂巖膠結(jié)程度差異尤為明顯。初勘報告指出“鑒于橋位區(qū)分布的巖石均為軟巖和極軟巖，具有易擾動的特點，利用巖塊試驗成果來確定單樁的承載力普遍偏低，建議下階段采取現(xiàn)場試驗的方法進一步復核單樁的承載力”［1］，因此，在詳勘階段針對嵌巖樁地層不僅進行了巖塊物理力學性質(zhì)試驗，還進行了巖基載荷試驗和樁側(cè)摩阻力現(xiàn)場試驗［2］。

2 基于巖塊試驗的承載力參數(shù)

詳勘階段在主橋墩勘探鉆孔取巖芯樣進行了室內(nèi)物理力學性質(zhì)試驗，依據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG D63—2007），鉆孔樁的單樁軸向受壓承載力容許值主要由樁端阻力容許值、樁側(cè)摩阻力容許值這2個參數(shù)組成，按以下公式計算：

式中：qrk，qrki分別為樁端阻力容許值和樁側(cè)摩阻力容許值；c1，c2i分別為根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素而確定的端阻發(fā)揮系數(shù)和側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)；frk為樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值（kPa），黏土質(zhì)巖取天然濕度單軸抗壓強度標準值；frki為第i層的frk值。

橋位區(qū)巖體為較破碎巖體，端阻發(fā)揮系數(shù)取0.5，側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)取0.04，樁為鉆孔灌注樁。對于中風化層作為持力層的情況，c1，c2i應分別乘以0.75的折減系數(shù)，即c1＝0.75×0.5＝0.375，c2i＝0.75×0.04＝0.03，計算結(jié)果見表1［2］。

從表1可知，4種巖石巖塊密度小于其顆粒密度，具有較大的孔隙率。變異系數(shù)0.74～0.94，均大于0.3，為“巨變型”。巖石為軟化巖石，在試驗時，多數(shù)巖芯樣遇水易崩解、散裂和掉塊，部分巖芯樣只能保濕，飽水不充分，軟化系數(shù)低于0.54。根據(jù)室內(nèi)巖塊試驗估算的樁端阻力容許值qrk和樁端樁側(cè)阻力容許值qrki，有較大的不確定性，由于基巖承載力參數(shù)取值對工程投資影響較大，宜通過現(xiàn)場巖體力學試驗來確定。

表1 主橋墩巖塊物理力學性質(zhì)及承載力參數(shù)估算成果表Table1 Test results of physical and mechanical property and bearing capacity parameter of rock mass in themain pier area

圖1 樁側(cè)摩阻力試驗安裝示意圖Fig.1 Installation for the test of lateral friction resistance of pile

3 現(xiàn)場巖體力學試驗

3.1 試驗方法

根據(jù)勘察成果，鄖縣漢江南岸蔡家?guī)X鄧家洼塔溝右側(cè)山體陡崖底部距引橋路基軸線約50～80 m處出露的地層，與主橋墩下臥基巖：粉砂質(zhì)黏土巖、泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖和砂礫巖屬相同地層延續(xù)分布。分別在這些地層開挖4條試驗平洞，斷面2 m× 2 m，在平洞底板布置現(xiàn)場巖體力學試驗段。分別進行巖基載荷試驗和樁側(cè)摩阻力的試驗，每種巖性分別進行1組試驗，每組試驗不少于3點。

巖基載荷試驗為常規(guī)的標準試驗方法，樁側(cè)摩阻力現(xiàn)場試驗是長江科學院研發(fā)的一種新的現(xiàn)場巖體力學試驗方法。該方法不是采用模型或原型試驗，而是把巖石作為一種材料，通過現(xiàn)場試驗研究巖體的樁側(cè)摩阻力。已在安徽銅陵長江公路大橋、南京長江第二大橋南汊橋、宜昌夷陵長江大橋和安慶長江大橋等第三系軟巖地基樁基工程的優(yōu)化設計中得到成功應用［3－6］。

樁側(cè)摩阻力試體制作和載荷系統(tǒng)安裝詳見圖1。樁側(cè)摩阻力試體制作，模擬樁孔的構(gòu)造（清水樁），采用人工精心鑿制，直徑1.0 m、深1.2 m，試體壁面鉛直，打磨后起伏差控制在±1 mm，局部掉塊用泥漿填平孔壁凹入處，試體制好后泡水3 d以上，抽干水后底部預留20 cm的空間（用木板托底），澆筑C30鋼筋混凝土作為模擬樁，尺寸Ф1.0 m×1.0 m，待混凝土強度達到設計強度后進行試驗。

在現(xiàn)澆的混凝土試驗樁頂安裝大噸位液壓千斤頂，安裝傳力柱等傳力系統(tǒng)。模擬樁作為剛性體將荷載均勻傳遞到試體樁孔的壁面上，樁的壁面主要受摩擦阻力。千斤頂加壓時，通過剛性承壓板上布置的測表，量測模擬樁的沉降位移。通過試驗得到pi－si關系曲線。

根據(jù)試驗施加的荷載、試體的壁面受力面積，樁側(cè)摩阻力按公式（3）計算，即

式中：q′rki為樁側(cè)摩阻力（MPa）；P為荷載（N）；u為試體的壁面周長（mm）；l為試體的壁面長度（mm）。

圖2 巖體載荷試驗p－s關系曲線Fig.2 Curves of pressure vs.deform ation in rock load test

3.2 巖基載荷試驗成果

典型的載荷試驗壓力變形p－s曲線如圖2所示。A點相對應的壓力p為比例界限（11.22 MPa），取加載終止點C的前一級B點對應的壓力p為極限荷載（13.80 MPa）。將極限荷載除以3的安全系數(shù)，所得值與對應于比例界限的荷載相比，取小值。每組／3點的最小值作為巖石地基承載力（相當樁端阻力）的容許值，列入表2。

表2 巖體載荷試驗成果及樁端阻力計算值Table2 Load test results of rock mass and calculated resistance at the end of pile

3.3 樁側(cè)摩阻力現(xiàn)場試驗成果

試驗時由千斤頂對模擬樁體逐級施加荷載，克服樁周巖體的摩阻力，樁體產(chǎn)生沉降位移，用百分表測量樁頂下沉位移，對應記錄壓力和位移，典型的樁側(cè)摩阻力p與位移s關系曲線見圖3。

圖3 樁側(cè)摩阻力試驗p－s關系曲線Fig.3 Curves of lateral friction resistance p vs.deformation s of pile

樁側(cè)摩阻力試驗曲線由直線段逐漸彎曲過渡至近似垂直。A點對應的樁側(cè)摩阻力為比例界限（0.28 MPa），C點為終止加載點，B點為終止加載的前一點，該點相對應的樁側(cè)摩阻力為極限荷載。樁側(cè)摩阻力試驗完成后進行摩擦試驗，其最大荷載低于極限摩阻力。

參照巖基載荷試驗有關標準的取值方法，將側(cè)摩阻力試驗極限荷載除以3的安全系數(shù)［7］，所得值與對應于比例界限的荷載相比，取小值。采用式（3）計算樁側(cè)摩阻力，每組／3點的最小值作為樁側(cè)阻力的容許值，列入表3。

表3 側(cè)摩阻力試驗成果及單樁側(cè)阻力計算值Table3 Test results of lateral friction resistance and calculated lateral friction resistance of single pile

4 試驗成果的采用及優(yōu)化設計

4.1 試驗地段地質(zhì)代表性及參數(shù)建議值

由于橋位區(qū)巖石孔隙率大，含水率高，普遍膠結(jié)較差，巖性軟弱，易風化崩解，勘探孔巖芯采取率較差，巖芯破碎，取得較完整的巖芯代表性有限。細砂巖膠結(jié)最差，受擾動和失水等的影響，單軸飽和抗壓強度偏低較為明顯。通過平洞取巖塊和橋位區(qū)鉆孔芯樣巖石物理力學性質(zhì)試驗和聲波測試對比，試驗平洞巖石塊體密度、孔隙率、飽和單軸抗壓強度指標較主墩橋基巖石的各項對應指標明顯要差一些，試驗平洞巖塊縱波速度均低于主墩橋基巖塊縱波速度，見表4和表5。

表4 平洞巖塊與墩基芯樣物理力學性質(zhì)指標對比Table4 Comparison of physical and mechanical property indexes between rock block in adit and core samp le in pier base

這些資料說明試驗平洞由于地層較淺，巖體性狀較主橋墩下臥巖體性狀差，試驗地段與主橋墩下臥巖體的巖性相同，地質(zhì)代表性近似有余。設計采用樁基巖體承載力參數(shù)可主要依據(jù)現(xiàn)場巖體力學試驗取得的成果。由此，提出的樁基巖體承載力參數(shù)建議值見表6。

表5 平洞巖塊與墩基芯樣縱波速度對比Table5 Comparison of longitudinal wave velocity between rock block in adit and core sam ple in pier base

表6 樁基巖體承載力參數(shù)建議值［2］Table6 Suggested values of bearing capacity of rock mass for pile foundation［2］

4.2 樁端持力層選擇與設計優(yōu)化

依照鉆孔單樁軸向受壓承載力容許值的計算方法［7］，當frk大于2 MPa時，可不按摩擦樁計算。詳勘階段的巖石力學試驗工作表明砂礫巖的基本力學性質(zhì)相對較好，frk為7.78 MPa，現(xiàn)場砂礫巖載荷試驗承載力（相當樁端阻力）的容許值為5.32 MPa，結(jié)合勘察資料分析，砂礫巖在橋基下的分布有一定厚度，可作為橋基樁端的持力層。

與初步設計階段相比，詳勘階段提出的樁基巖體承載力參數(shù)顯著提高，為優(yōu)化設計提供了依據(jù)，在施工圖設計階段，設計單位采納了表6提出的樁基巖體承載力參數(shù)建議值，選擇砂礫巖為持力層。依照支承在基巖上或嵌入基巖內(nèi)的鉆孔單樁軸向受壓承載力容許值的計算公式［7］，按摩擦樁計算，優(yōu)化設計結(jié)果與初步設計對比，灌注樁減少樁長620 m，節(jié)約工程投資約400多萬元。

5 結(jié) 論

（1）鄖縣漢江公路二橋樁基巖體屬白堊～下第三系巖層，受沉積時間和環(huán)境影響，巖體的孔隙率大，含水率高，普遍膠結(jié)較差，失水風化，泡水崩解，室內(nèi)巖石試驗可利用巖芯的地質(zhì)代表性有限。

（2）勘察設計階段是確定工程投資規(guī)模的主要時期，同期進行現(xiàn)場巖體力學試驗不僅避免了室內(nèi)巖塊試驗存在的局限性，還可以與勘察設計工作緊密結(jié)合，充分發(fā)揮樁基的潛力進行優(yōu)化設計。

（3）樁側(cè)摩阻力現(xiàn)場試驗得到的樁側(cè)阻力容許值參照巖基載荷試驗有關標準的取值方法，有3倍的安全系數(shù)折減。本次巖基載荷試驗和樁側(cè)摩阻力現(xiàn)場試驗成果與室內(nèi)巖石試驗結(jié)果可相互印證。樁基承載力特性的現(xiàn)場巖體試驗方法運用在多個工程的優(yōu)化設計中的效果明顯，建議在對行業(yè)技術(shù)標準修編時采納。

［1］ 謝三紅，陳榮文，周 濤，等.南水北調(diào)丹江口庫區(qū)鄖縣漢江二橋兩階段初步設計［R］.武漢：長江勘測規(guī)劃設計研究院，2007.（XIE San-hong，CHEN Rong-wen，ZHOU Tao，et al.Preliminary Design of the Two Stages of Second Hanjiang Bridge of Yun County in Danjiangkou Reservoir Region of South-to-North Water Diversion Project［R］.Wuhan：Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，2007.（in Chinese））

［2］ 余美萬，邊智華，陳漢珍，等.南水北調(diào)丹江口庫區(qū)鄖縣漢江公路二橋基巖工程力學性質(zhì)試驗研究報告［R］.武漢：長江科學院，2008.（YU Mei-wan，BIAN Zhi-hua，CHEN Han-zhen，et al.Research Report of Tests on Mechanical Characteristics of Bedrock of Second Hanjiang Road Bridge of Yun County in Danjiangkou Reservoir Region of South-to-North Water Diversion Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2008.（in Chinese））

［3］ 邊智華，李維樹.南京長江第二橋南汊橋基工程力學性質(zhì)試驗研究［J］.長江科學院院報，1999，16（4）：42－44.（BIAN Zhi-hua，LIWei-shu.Research on Engineering Mechanics Properties of Rock Foundation under Second Changjiang Bridge in Nanjing［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1999，16（4）：42－44.（in Chinese））

［4］ 邊智華，王復興.特大型樁基及錨碇工程中的巖石力學性質(zhì)研究［J］.巖石力學與工程學報，2001，20（增）：1906－1909.（BIAN Zhi-hua，WANG Fu-xing.Study on Rock Mechanics Properties of Piles and Anchoring Berth of Large-Scale Bridges［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（Sup.）：1906－1909.（in Chinese））

［5］ 邊智華，張利潔，景 鋒，等.軟巖基本質(zhì)量評價及強度特性試驗方法研究［J］.長江科學院院報，2008，25（5）：37－42.（BIAN Zhi-hua，ZHANG Li-jie，JING Feng，et al.Study on Base Quality Evaluation and Strength Characteristics Test Method about Soft Rock［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（5）：37－42.（in Chinese））

［6］ 邊智華，文松霖，龐正江，等.確定軟巖承載力參數(shù)新方法與應用［J］.南水北調(diào)科技，2008，34（1）：120－127.（BIAN Zhi-hua，WEN Song-lin，PANG Zheng-jiang，et al.New Methods for Determination Bearing Capacity Parameter of Pile Foundation in Soft Rocks and Its Applica-tion［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technology，2008，34（1）：120－127.（in Chinese））

［7］ JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范［S］.（JTSD63—2007，Code for the Design of Ground Base and Foundation of Highway Bridges and Culverts［S］.（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Bedrock Bearing Capacity of Rock-Socketed Piles of Second Hanjiang Bridge in Yun County in Danjiangkou Reservoir Region

BIAN Zhi-hua1，YU Mei-wan1，ZHOU Jian-jun2
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area，Ministry of Education，Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Rock mass of the foundation of the Second Hanjiang Bridge in Yun County consists of soft rock and extremely soft rock which are formed from Cretaceous Period to Paleogene Period.The cementation is unfavourable and they are easily degraded under disturbance.The foundation of the bridge is bored-pile socketed in rock.Laboratory physical and mechanical tests on rock samples aswell as in-situmechanical tests on the rock masswere carried out in the detailed prospecting stage.Of the adopted testmethods for themechanical properties of rock mass，themethod for the test of lateral frictional resistance force of pile is a newly proposed one.The correlation between bedrock load and settlement deformation was investigated based on in-situ tests.Permissible values of resistance force at the end of pile and lateral frictional resistance force of the pilewere both obtained，hence the limitations of laboratory testswere overcome.Suggested values of the resistance force at the end of pile and the lateral frictional force were proposed and therefore the optimization design is provided with reliable basis.

South-to-North water transfer；Danjiangkou reservoir region；Second Hanjiang Bridge in Yun County；bored pile socketed in rock；in-situ mechanical test of rock mass；resistance force at the end of pile；lateral frictional resistance force of pile

TU473.11

A

1001－5485（2013）01－0042－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.01.008

2011－07－19；

2012－05－14

國家自然科學基金資助項目（50979051）

邊智華（1954－），男，湖北宜昌人，教授級高級工程師，主要從事現(xiàn)場巖體力學試驗、巖體加固技術(shù)方面的研究，（電話）13971657789（電子信箱）bianzh999＠163.com。