沉渣對軟巖嵌巖樁承載力影響的模型試驗研究

高 壇，周傳波，周小勇，王 騰，曾小毛

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市和交通等領(lǐng)域的建設(shè)如火如荼，越發(fā)復雜的地質(zhì)條件對樁基礎(chǔ)承載力的要求也越來越高。在我國華東地區(qū)，如江西、江蘇和安徽等地，普遍發(fā)育著以紅色碎屑巖沉積為主的泥質(zhì)軟巖，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等，此類巖石屬軟質(zhì)巖石，具有節(jié)理發(fā)育、巖心多呈碎塊狀、易開裂崩解等特征，因此在鉆孔施工時極易在樁底形成沉渣[1-2]。但由于施工設(shè)備、技術(shù)及工藝水平的限制，無法完全清除樁底沉渣，而確定軟巖地區(qū)有沉渣基樁承載力特性的變化規(guī)律是一個值得深入研究的課題[3-4]。

目前已有一些學者針對沉渣對軟巖樁基承載力的影響進行了試驗研究。如江杰等[5]依托南寧市火車東站軟巖互層地基大直徑灌注樁項目，對該工程2根群樁基樁進行了靜載試驗研究，并采用指數(shù)函數(shù)擬合法和數(shù)值反演分析法來預測其荷載沉降性狀和基樁極限承載力；劉俊龍[6]通過對超長大直徑鉆孔灌注樁靜載試驗以及荷載傳遞性狀的現(xiàn)場測試，得出沉渣厚度對超長樁樁端阻力的影響較大，且當樁底沉渣厚度較大、沉渣強度較弱時，其樁端阻力最大損失可達80%以上；梅國雄等[7]設(shè)計并開展了模擬樁底沉渣的基樁室內(nèi)模型試驗，試驗結(jié)果表明沉渣的存在會使得無承臺基樁的荷載-沉降曲線產(chǎn)生突降段，降低了基樁的承載力水平。

但是，目前尚未有直接針對沉渣厚度影響下軟巖嵌巖樁承載力特性等方面的相關(guān)研究。因此，本文基于江西泰和贛江特大橋泥質(zhì)粉砂巖中嵌巖樁工程，通過模型試驗方法研究了不同沉渣厚度對基樁承載力的影響規(guī)律，并提出了考慮沉渣厚度的基樁承載力修正公式。利用該修正公式，可以根據(jù)鉆孔取芯得出的樁底沉渣厚度預測軟巖嵌巖樁的極限承載力，也可為軟巖嵌巖樁設(shè)計與施工中的樁底沉渣厚度控制標準的確定提供依據(jù)。

1 模型試驗方案

江西泰和贛江特大橋是昌贛高鐵客運專線關(guān)鍵工程，設(shè)計時速250 km/h，其4#墩下伏有12根軟巖嵌巖樁，基樁孔徑2 m，樁長30 m，樁身嵌于微風化泥質(zhì)粉砂巖中，其天然地基承載力為400 kPa，飽和抗壓強度為2～3 MPa，屬軟巖[8-10]。為了研究不同沉渣厚度對軟巖嵌巖樁極限承載力的影響規(guī)律，本文設(shè)計并開展了以下模型試驗，以期得出有沉渣、無沉渣基樁的荷載-沉降曲線，進而獲得有沉渣基樁的承載力特性。

圖1 模型試驗平面設(shè)計圖(單位：cm)Fig.1 Planar graph of the test model (unit：cm)

圖2 模型試驗剖面設(shè)計圖(單位：cm)Fig.2 Profile of the test model (unit：cm)

表1 模型試驗分組

本次模型試驗所用的相似材料均由配比試驗得出，經(jīng)過一系列正交配比試驗，得出相似材料的配方、配比和物理力學參數(shù)，詳見表2。其中，中砂為80目的酸洗石英砂；細砂為110目的酸洗石英砂；水泥為32.5普通硅酸鹽水泥；石膏為模型專用石膏粉(主要成分為硫酸鈣)。

表2 相似材料的配比、配方和物理力學參數(shù)

實際工程中樁底沉渣主要組分為巖石碎屑和泥漿，因此在模型試驗中采用泥質(zhì)粉砂巖相似材料碎屑來模擬樁底沉渣，碾碎后的碎屑細度約為100目，粒徑約為0.1～0.2 mm，見圖3。

圖3 沉渣材料的制作Fig.3 Preparation of sediment material

2 模型試驗步驟

依據(jù)上述模型試驗方案和試驗目的，制定了如下模型試驗步驟：

(1) 進行相似材料配比試驗，并制作試驗所需的模型箱及預留孔洞所需的PVC管等。

(2) 依據(jù)相似材料配比試驗結(jié)果制備軟巖相似材料，并采用分層填筑的方式每層填筑約5 cm厚的軟巖相似材料，且用鐵錘壓實;在試驗箱內(nèi)填筑15 cm厚的軟巖相似材料后，用鐵架將6根PVC管垂直置于預定位置，并保證PVC管的垂直度，再繼續(xù)填筑軟巖相似材料至模型箱頂部，待材料初凝后，拔出PVC管，形成的預留樁孔見圖4。

(3) 預留樁孔完成后，根據(jù)材料重量與體積的關(guān)系，稱量出各個孔內(nèi)預定厚度的沉渣材料，并通過漏斗與直徑1.5 cm的PVC管將沉渣材料平整地布設(shè)在孔底；之后再在孔內(nèi)填筑嵌巖樁相似材料；待所有材料共同固結(jié)，自然養(yǎng)護28 d直至處于干燥狀態(tài)。

圖4 填筑后的軟巖相似材料和預留樁孔Fig.4 Filled rock mass material and reserved holes

(4) 填筑后的整體模型養(yǎng)護完成后，對軟巖嵌巖樁進行加載試驗，見圖5。模型的加載選用UTM5105型萬能試驗機，其計算機系統(tǒng)通過全數(shù)字控制器精確地控制橫梁上升、下降，完成壓縮、剪切等多種試驗,該加載方式克服了手動液壓千斤頂加載、人工讀數(shù)的誤差，能更精確地記錄樁頂荷載-位移曲線。UTM5105型萬能試驗機的主要參數(shù)，見表3。

圖5 模型加載現(xiàn)場Fig.5 Loading site of the model test

表3 UTM5105型萬能試驗機的主要參數(shù)

3 模型試驗結(jié)果與分析

3. 1 有沉渣基樁的承載力特性

模型試驗完成后，輸出樁底不同沉渣厚度的6根基樁的荷載-沉降曲線，并按照模型相似比換算為樁頂?shù)某两盗恐岛秃奢d值，見圖6。參考文獻[11]，樁頂沉降量控制值取30 mm。

圖6 樁底不同沉渣厚度基樁的荷載-沉降曲線Fig.6 Load-settlement curves of the pile with different pile sediment thicknesses

由圖6可以看出：①1#、4#基樁的荷載-沉降曲線的變化規(guī)律基本一致，表明本試驗過程的誤差在合理范圍內(nèi)；②通過對比發(fā)現(xiàn)，無沉渣基樁的荷載-沉降曲線趨于拋物線型，隨著樁頂荷載均勻地加大，其沉降速率逐漸增大；③同一荷載下，有沉渣基樁的樁底沉渣厚度越厚，則樁頂沉降量越大；④有沉渣基樁的荷載-沉降曲線在樁頂荷載為8 000～12 000 kN時均出現(xiàn)了陡降現(xiàn)象，樁頂沉降量也大于無沉渣基樁，這是由于此時樁端阻力開始發(fā)揮作用，壓縮了樁底沉渣，導致樁頂沉降量增大。

基樁極限承載力的判定方式有兩種：一是視基樁荷載-沉降曲線上的拐點對應的樁頂荷載為極限承載力[11-12]；二是取基樁荷載-沉降曲線上某一樁頂沉降量對應的樁頂荷載作為極限承載力[13-15]。本文采用第二種方式確定基樁的極限承載力。

3. 2 有沉渣基樁承載力的預測公式

為了研究樁底沉渣厚度對基樁承載力的影響規(guī)律，取荷載-沉降曲線上樁頂沉降量為30 mm對應的樁頂荷載作為基樁極限承載力，即可得出每組試驗的基樁極限承載力[16-17]，詳見表4。

表4 樁底不同沉渣厚度基樁的極限承載力(模型相似比換算后)

注：折減系數(shù)為有沉渣基樁極限承載力與無沉渣基樁極限承載力之比。

由表4可知，經(jīng)模型相似比換算后，孔徑為2 m、樁長為30 m的軟巖嵌巖樁極限承載力約為28 676 kN，而根據(jù)《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB 10093—2017)中嵌巖樁極限承載力計算公式[見下面公式(1)]計算得出的基樁允許承載力為27 318 kN，兩者相差不大，但該規(guī)范的計算結(jié)果相對偏保守，基樁實際極限承載力稍大于規(guī)范經(jīng)驗公式的計算結(jié)果。

[P]=R(C1A+C2Uh)

(1)

式中：[P]為基樁的極限承載力(kN)；R為巖石單軸抗壓強度(kPa)；A為基樁的底面積(m2)；U為基樁樁身截面周長(m)；h為基樁嵌巖深度(m)；C1、C2為清底系數(shù)，根據(jù)實際施工中樁底清孔情況，C1取0.3～0.5，C2取0.02～0.04。

此外，公式(1)在實際應用中無法基于沉渣厚度準確地預測出有沉渣基樁的極限承載力，而且若人為地根據(jù)樁底沉渣水平選取C1、C2的值，可能會使計算結(jié)果出現(xiàn)39.2%的誤差?；谏鲜龇治?，本文對公式(1)進行了修正，提出了軟巖嵌巖樁極限承載力的修正公式為

[P]=m0R(0.5A+0.04Uh)

(2)

式中：m0為折減系數(shù)，指有沉渣基樁極限承載力與無沉渣基樁極限承載力之比。

折減系數(shù)隨沉渣厚度與樁徑之比的變化規(guī)律，見圖7。

圖7 折減系數(shù)隨沉渣厚度與樁徑之比的變化規(guī)律Fig.7 Variation of reduction factor with the ratio of sediment thickness to pile diameter

由圖7可見，折減系數(shù)隨著沉渣厚度與樁徑之比的增大而衰減，但衰減速率逐漸減小，其符合指數(shù)衰減的變化規(guī)律。

通過對上述結(jié)果進行回歸分析，得出基于沉渣厚度與樁徑之比的折減系數(shù)的計算公式為

(3)

式中：l/d為沉渣厚度與樁徑之比。

公式(3)與模型試驗結(jié)果的擬合優(yōu)度R2為0.982，表明回歸分析結(jié)果可靠。利用該公式，可基于鉆孔取心得出的沉渣厚度推算出有沉渣軟巖嵌巖樁的極限承載力，也可為軟巖嵌巖樁在實際施工過程中樁底沉渣厚度控制值的確定提供參考。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合江西泰和贛江特大橋4#墩軟巖嵌巖樁，設(shè)計并開展了模型試驗，分析了沉渣厚度對樁基承載力的影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 無沉渣基樁的荷載-沉降曲線趨于拋物線型；在相同荷載下，有沉渣基樁的樁底沉渣厚度越大，則樁頂沉降量越大。

(2) 有沉渣基樁的荷載-沉降曲線均在樁頂荷載為8 000～12 000 kN時均出現(xiàn)了陡降現(xiàn)象，說明此時樁端承擔的荷載比例在逐漸增大，樁側(cè)承受的荷載比例也在逐漸增大。

(3) 軟巖嵌巖樁極限承載力隨沉渣厚度的增加呈現(xiàn)出非線性的變化，其符合指數(shù)衰減的變化規(guī)律。

(4) 基于模型試驗結(jié)果的回歸分析，提出了考慮沉渣厚度的軟巖嵌巖樁承載力的修正公式，在實際施工中利用該修正公式可準確地預測軟巖嵌巖樁的極限承載力，也可為樁底沉渣厚度安全閾值的確定提供參考依據(jù)。