貴州地區(qū)中風(fēng)化泥巖嵌巖樁承載特性分析

蔡行 黃質(zhì)宏 穆銳 肖麗娜 劉玖虹

摘 要：為研究貴州地區(qū)中風(fēng)化泥巖嵌巖樁的承載性能，以貴州某建筑工程為例，闡述工程地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)4根試樁的現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)情況。采用自平衡靜載荷試驗(yàn)，分析了樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力隨荷載的變化規(guī)律以及它們對(duì)極限抗壓承載力的影響，確定該建筑場(chǎng)區(qū)建筑基樁（人工挖孔樁）中風(fēng)化泥巖層極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值及極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。計(jì)算結(jié)果表明：中風(fēng)化泥巖層樁側(cè)極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值均滿足實(shí)際工程的設(shè)計(jì)要求，研究結(jié)果可為貴州省內(nèi)類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：基樁;泥巖;自平衡試驗(yàn);靜載荷試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)?1000-5269（2020）05-0102-06???DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2020.05.16

改革開放以來(lái)，樁基技術(shù)和基礎(chǔ)理論有了突破性進(jìn)展，逐步拓寬了樁基礎(chǔ)的應(yīng)用，促成了種類繁多的樁型的出現(xiàn)。樁基礎(chǔ)在實(shí)際工程的應(yīng)用中，表現(xiàn)出良好的整體性，剛度大，能經(jīng)受很大的豎向荷載和水平荷載，具有良好的穩(wěn)定性。對(duì)于大、重、高的建筑的要求，樁基礎(chǔ)能很好的適應(yīng)。因此，現(xiàn)今的建筑物都趨向于利用樁基礎(chǔ)作為建筑物的基礎(chǔ)。隨著城市化進(jìn)程不斷地增速，越來(lái)越多的高層、超高層建筑物在貴州地區(qū)興建，樁基礎(chǔ)得到了較為普遍的應(yīng)用。貴州屬于巖溶地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖性多樣化，其上覆土層較薄，厚度一般不超過(guò)20 m，并且基巖表層起伏不平。因此，很多建筑物的持力層都選擇厚度比較大的破碎或較破碎巖層。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）[1]規(guī)定，樁端置于完整、較完整的基巖時(shí)，樁基礎(chǔ)才能按照嵌巖樁的計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算。王田龍等[2]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)自平衡靜載荷試驗(yàn)、相關(guān)規(guī)范和國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，分析研究了較破碎巖石地基嵌巖樁的承載性能;穆銳等[3]對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r樁基的承載特性進(jìn)行了研究分析;許仁欽等[4]對(duì)貴陽(yáng)某超高層鉆孔灌注樁進(jìn)行了樁基自平衡靜載荷試驗(yàn)，對(duì)其樁基承載力進(jìn)行了分析研究。但在實(shí)際工程中，對(duì)于較破碎、破碎巖層的樁基承載力的計(jì)算，常將嵌巖樁作為端承樁考慮，在計(jì)算過(guò)程中不考慮樁側(cè)阻力的作用，計(jì)算結(jié)果偏于保守，使得樁基礎(chǔ)的承載力未能完全發(fā)揮效用。

因此，本文通過(guò)選取貴州地區(qū)比較有代表性的某建筑工程的基樁現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行自平衡靜載荷試驗(yàn)，分析貴州地區(qū)中風(fēng)化泥巖嵌巖樁的承載性能，為該建筑樁基的設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，為樁承載力自平衡靜載荷試驗(yàn)在貴州省內(nèi)的應(yīng)用提供參考。

1?工程概況

本次試驗(yàn)采用貴州省內(nèi)某建設(shè)工程項(xiàng)目。根據(jù)工程項(xiàng)目的巖土工程勘察報(bào)告可知：工程項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)的地層為石炭系中統(tǒng)黃龍群組泥巖，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，且節(jié)理、裂隙的貫通性較好，主要呈豎向型發(fā)育、網(wǎng)狀發(fā)育，發(fā)育密度較高。該項(xiàng)目巖土構(gòu)成自上而下依次是：素填土層（Qml）、黏土層（Qel+dl）、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層（C1hn）、中風(fēng)化泥巖層（C2hn）。各巖層特點(diǎn)為：素填土層顏色較雜，由黏土、碎塊石組成，結(jié)構(gòu)稍密，為新近平場(chǎng)回填形成;黏土層局部缺失，顏色為黃色，殘積坡形成，可塑，結(jié)構(gòu)致密，平均厚度2.8 m;強(qiáng)風(fēng)化泥巖層局部缺失，顏色為淡黃與淺灰色，尚存殘余層理結(jié)構(gòu)，巖體極破碎，局部偶夾中風(fēng)化殘塊，平均厚度2.5 m;中風(fēng)化泥巖層顏色為灰黑、深灰色，局部偶夾中風(fēng)化石灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r斑塊，微節(jié)理裂隙發(fā)育，隙面被黏土及鐵膜所覆蓋，部分為方解石脈充填，水溶蝕作用強(qiáng)烈，屬于較破碎巖體。

貴州省碳酸鹽巖廣布，巖溶發(fā)育廣泛，泥巖是貴州地區(qū)分布比較廣泛的巖石。本次試驗(yàn)樁基礎(chǔ)的持力層采用了中風(fēng)化泥巖層，該巖層為貴州省典型的鹽溶化地層，具有一定的代表性。

2?試樁概況

根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）[5]與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB 50007—2011） [6]的要求，當(dāng)設(shè)計(jì)有要求或有下列情況之一時(shí)，施工前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)樁檢測(cè)并確定單樁極限承載力：設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的樁基;無(wú)相關(guān)試樁資料可參考的設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)的樁基;地基條件復(fù)雜、基樁施工質(zhì)量可靠性低;本地區(qū)采用的新型樁型或采用新工藝成樁的樁基。

在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了4根試樁的單樁豎向承載力自平衡靜載荷試驗(yàn)，以確定該建筑場(chǎng)區(qū)建筑基樁中風(fēng)化泥巖層極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsk、極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk，為該場(chǎng)區(qū)建筑基樁的設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

工程項(xiàng)目選取人工挖孔樁作為建筑物的基礎(chǔ)形式，將樁端嵌入中風(fēng)化泥巖層中。為了對(duì)本工程樁基礎(chǔ)的施工工藝、質(zhì)量、承載能力有一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)，在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試樁1#、試樁2#、試樁5#、試樁6#自平衡靜載荷試驗(yàn)。試樁各項(xiàng)參數(shù)和樁端巖層見表1。試樁荷載箱位置、鋼筋應(yīng)力計(jì)位置和各巖層分布情況見圖1。從圖1可以看出：荷載箱埋置在樁身底部，鋼筋應(yīng)力計(jì)埋置在巖層交界處，在荷載箱以上3 m處安裝了3個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)。

3?現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1?試驗(yàn)原理

1969年，日本的中山（Nakayama）和藤關(guān)（Fujiseki）提出用樁側(cè)阻力來(lái)作為樁端阻力的反力測(cè)試樁的承載力，稱為樁端加載試樁法。20世紀(jì)末，Cernac和Osterberg等發(fā)展了相似的技術(shù)。Osterberg將此技術(shù)運(yùn)用于工程實(shí)踐，并推廣至全世界。因此，這種檢測(cè)方法稱為Osterberg-Cell載荷試驗(yàn)或者O-cell載荷試驗(yàn)。

和傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)相比，自平衡檢測(cè)技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)易，施工場(chǎng)地占用率小，節(jié)省物資，不需要笨重的反力設(shè)施，試樁準(zhǔn)備作業(yè)省時(shí)、省力、安全。該試驗(yàn)方法節(jié)省試驗(yàn)用度，耗時(shí)少，有利于增加試樁的數(shù)目，拓寬檢測(cè)面，已在全國(guó)許多地區(qū)成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者鄧立志等[7]，鄭莎莎[8]，龔維明等[9-10]，戴國(guó)亮等[11]，龐國(guó)英等[12]，黃生根等[13]進(jìn)行了不同情況樁的現(xiàn)場(chǎng)自平衡試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)采用了自平衡檢測(cè)技術(shù)來(lái)對(duì)樁基承載力進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。自平衡檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)樁：在樁身平衡點(diǎn)安裝荷載箱;對(duì)荷載箱施加垂直荷載;同時(shí)測(cè)得荷載箱上、下部各自承載力和荷載-位移曲線，由此計(jì)算得到樁頂豎向受荷的承載力大小及荷載-位移特性。自平衡測(cè)樁裝置見圖2。

3.2?試驗(yàn)規(guī)程

以慢速維持荷載法作為加載方式，試樁承載力的測(cè)試按《基樁承載力自平衡檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DBJ 52/T079—2016）[14]要求執(zhí)行，4根試樁按照統(tǒng)一的加卸載分級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)附錄B中的等效轉(zhuǎn)換法，可以將自平衡檢測(cè)技術(shù)所得樁身上部荷載位移曲線和樁身下部荷載位移曲線等效轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的靜載荷試驗(yàn)的荷載位移曲線，見圖3。

4?試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1?Q-S曲線分析

根據(jù)工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況，檢測(cè)試驗(yàn)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行。由現(xiàn)場(chǎng)自平衡靜載荷檢測(cè)結(jié)果能夠得出，1#、2#、5#、6#試樁在加載到預(yù)估極限載荷時(shí)均未發(fā)生破壞。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以看出：4根試樁的Q-S曲線均為“緩變型”曲線，并且在加載過(guò)程中并未發(fā)生陡降現(xiàn)象。4根試樁的上下樁的Q-S曲線見圖4。4根試樁的最終加載值、上樁最大位移、下樁最大位移見表2。

從圖4可以看出：當(dāng)加載載荷量小于三級(jí)載荷時(shí)，試樁上樁、下樁位移量較小，樁體承載力未能充分發(fā)揮作用;作用在樁上的荷載主要由樁端阻力承載，樁側(cè)摩阻力并未全面發(fā)揮效用。當(dāng)加載載荷大于三級(jí)載荷時(shí)，樁側(cè)土和樁身發(fā)生了相對(duì)位移，樁側(cè)土與樁身之間的摩阻力在樁身承載力上起到了較大的作用;隨著荷載的不斷增加，樁端阻力逐漸發(fā)揮作用，與樁側(cè)摩阻力共同承擔(dān)荷載。

4.2?中風(fēng)化泥巖嵌巖樁承載特性分析

由現(xiàn)場(chǎng)自平衡靜載荷試驗(yàn)所記錄的樁身軸力與載荷的數(shù)據(jù)分析，可以得到在不同的荷載作用下，1#、2#、5#、6#試樁樁身軸力分布曲線，見圖5。

傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)可得一條倒三角形的軸力分布圖，軸力最大的位置在樁基礎(chǔ)的頂部，最小的位置在靠近樁底的位置。傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)軸力的分布隨樁基礎(chǔ)埋置深底的變化而變化，一般是逐漸遞減的規(guī)律。從圖5可以看出：荷載箱以上樁段，樁身軸力的大小隨樁身埋置深度的增加而增大，形成下大上小分布;嵌巖段的樁身軸力變化幅度相較于非嵌巖段要大得多。因此，以中風(fēng)化泥巖作為嵌巖樁持力層時(shí)，樁側(cè)摩阻力與樁端阻力一起承擔(dān)嵌巖段的樁身荷載，其中起主要承擔(dān)作用的是樁側(cè)摩阻力。

根據(jù)DBJ 52/T079—2016，4根試樁單樁豎向抗壓極限承載力Qu可由式（1）確定。

式中：Qu為樁的單樁豎向抗壓極限承載力;Qsu為樁上段樁的極限承載力;Qxu為樁下段樁的極限承載力;W為樁荷載箱上部樁自重;γ為樁的向下、向上摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)，γ取1.0。

分別計(jì)算出各個(gè)試樁的抗壓極限承載力之后，根據(jù)DBJ 52/T079—2016確定試樁的抗壓承載力特征值。計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)JGJ 94—2008第5.3.2條和《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ 72—2004）[15] 第8.3.12條規(guī)定，計(jì)算風(fēng)化泥巖層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk和中風(fēng)化泥巖層的樁側(cè)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsk，見式（2）、（3）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)計(jì)算qpk、qsk，計(jì)算結(jié)果分別見表3、表4。

式中：Qu上為荷載箱上部樁的極限值;Qu下為荷載箱下部樁的極限值;Ap為樁端截面面積;Pz為極限荷載作用下距荷載箱3 m處鋼筋應(yīng)力計(jì)所在截面的軸向力;W為荷載箱上部樁嵌巖段自重; μ為樁身截面周長(zhǎng);l為荷載箱與鋼筋應(yīng)力計(jì)所在截面之間試樁樁身長(zhǎng)度，l=3 m。

由表3可知：4根試樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為6 195 kPa，極差為0 kPa，小于4根試樁平均值的30%（6 195×30%=1 859 kPa），滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。根據(jù)JGJ 72—2004中的規(guī)定，嵌巖灌注樁中等風(fēng)化巖石極限端阻力取值為3 000～9 000 kPa。結(jié)合場(chǎng)區(qū)中風(fēng)化泥巖遇水易軟化的特性，本場(chǎng)區(qū)中風(fēng)化泥巖層樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值建議取qpk=6 100 kPa。

由表4可知，4根試樁中風(fēng)化泥巖層樁側(cè)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值極差為609 kPa-604 kPa=5 kPa，小于4根試樁平均值的30%（607×30%=182 kPa）。根據(jù)JGJ 72—2004中的規(guī)定，嵌巖灌注樁中等風(fēng)化巖石極限側(cè)阻力取值為300～800 kPa。結(jié)合場(chǎng)區(qū)中風(fēng)化泥巖遇水易軟化的特性，中風(fēng)化泥巖層樁側(cè)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值建議取qsk=600 kPa。

綜上可以得出：樁側(cè)摩阻力與樁端阻力在樁承載力中的相應(yīng)占比，分別為9%、91%，樁側(cè)摩阻力占比小，端阻力主要承擔(dān)作用在樁底的荷載，本次試驗(yàn)的4根試樁都屬于端承摩擦型。

5?結(jié)論與建議

對(duì)貴州省內(nèi)某建設(shè)工程項(xiàng)目的基樁現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行自平衡靜載荷試驗(yàn)，由中風(fēng)化泥巖嵌巖樁的承載性能分析，得到以下結(jié)論和建議：

（1）所有試樁的荷載位移曲線都是沒(méi)有明顯拐點(diǎn)的緩慢變形曲線。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，樁體產(chǎn)生了一定的回彈量，即持力層的地基承載力未達(dá)到極限值，有一定的富余。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)自平衡法確定中風(fēng)化泥巖樁的極限側(cè)阻力和極限端阻力是可行的。在嵌巖深度滿足規(guī)范要求時(shí)，可采用試驗(yàn)的極限側(cè)阻力和極限端阻力對(duì)試樁的單樁豎向承載力特征值進(jìn)行估算。

（3）從樁身軸力分布圖可知，基樁自平衡靜載荷試驗(yàn)軸力分布與荷載箱的埋置位置有關(guān)。在荷載箱上部，樁身軸力隨埋置深度的增加而增大，呈三角形分布。這與傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)樁身軸力倒三角分布有明顯區(qū)別。而且，在嵌巖段的樁身軸力變化幅度相較于非嵌巖段要大得多。

（4）從樁端阻力和樁側(cè)阻力的計(jì)算結(jié)果可以看出：在中風(fēng)化泥巖層中，試樁底部端阻力主要承擔(dān)試樁頂部荷載，樁側(cè)阻力承擔(dān)荷載比例較小，可以為貴州地區(qū)的建筑基樁設(shè)計(jì)提供一定的參考。

（5）本場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖層為中風(fēng)化泥巖，存在較豐富的地下水。巖基的承載性能受外界因素影響較大，中風(fēng)化泥巖遇水易軟化。施工時(shí)應(yīng)引起高度重視，防止一切形式的地下水對(duì)樁底中風(fēng)化泥巖長(zhǎng)時(shí)間浸泡，影響巖基的承載性狀。

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（責(zé)任編輯：周曉南）