軟質(zhì)巖石橋梁大直徑樁側(cè)摩阻力試驗(yàn)研究

馮瑞俊

（晉中公路分局試驗(yàn)室，山西 晉中 030600）

我國現(xiàn)行《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）中對巖石的堅(jiān)硬強(qiáng)度劃分為5級，其中軟巖和極軟巖分別定義為飽和單軸抗壓強(qiáng)度15 MPa≥fr＞5 MPa、fr≤5 MPa的巖石，而《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）規(guī)定全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖石是指母巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk≤15 MPa的巖石，并給出了相應(yīng)的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值以供參考[1-2]。泥巖作為分布廣泛的軟質(zhì)巖質(zhì)，由于強(qiáng)度較低，其側(cè)摩阻力的發(fā)揮表現(xiàn)出與硬質(zhì)巖層和土層不同的規(guī)律，眾多的工程實(shí)踐表明，其實(shí)測極限摩阻力值比《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）規(guī)定的參考值大，這給泥巖樁基承載力的確定及樁長、樁徑等尺寸設(shè)計(jì)帶來一定的困難[3-6]。本文依托瀘州市渡改橋工程安富第一過江通道工程，嘗試結(jié)合現(xiàn)場自平衡載荷試驗(yàn)和室內(nèi)接觸摩擦剪切試驗(yàn)，對全風(fēng)化-中風(fēng)化泥巖的側(cè)摩阻力發(fā)展規(guī)律和大直徑樁的承載特征進(jìn)行研究，以期為大直徑樁基工程的設(shè)計(jì)和軟質(zhì)巖石側(cè)摩阻力參數(shù)的選取提供參考和基礎(chǔ)資料。

1 工程概況

圖1 擬建橋位平面位置圖

圖2 擬建橋梁主橋立面圖

瀘州市安富第一過江通道工程（河?xùn)|長江大橋）地處四川省瀘州市納溪區(qū)，連接瀘州市納溪區(qū)和江陽區(qū)。如圖1、圖2所示，橋位位于連千子渡口下游約480 m處，設(shè)計(jì)推薦采用斜拉橋和整幅連續(xù)梁橋組合橋型，引橋?yàn)?×（3×30）m預(yù)應(yīng)力混凝土整幅連續(xù)箱梁、主橋?yàn)椋?1+72+75+520+75+72+61）m斜拉橋，橋梁下部樁基采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)直徑為2.5 m，設(shè)計(jì)樁長為45～60 m。

2 現(xiàn)場自平衡試驗(yàn)

2.1 測試方法及測試條件

選取13號墩2號、4號樁基進(jìn)行現(xiàn)場自平衡試驗(yàn)，在樁身平衡點(diǎn)位置處安裝加載裝置（載荷箱），其中2號樁基設(shè)計(jì)直徑為2.5 m，其樁長為50 m，載荷箱設(shè)置在距樁底15 m位置處，4號樁基設(shè)計(jì)直徑為2.5 m，其樁長為50 m，載荷箱設(shè)置在距樁底10 m位置處。測試時(shí)，通過高壓油泵向載荷箱加壓，載荷箱將壓力傳遞至樁身，在分級加載作用下，預(yù)先埋設(shè)在樁體內(nèi)的鋼筋計(jì)測試出相應(yīng)截面處的不同荷載階段的應(yīng)變量，進(jìn)而求得樁周各個(gè)土層的側(cè)摩阻力和樁端的端阻力。

13號墩中心里程為K00+532.1，墩位置處的地層概況如表1所示。

表1 13號墩位置處地質(zhì)概況

2.2 測試成果分析

圖3、圖4分別為2號和4號試樁的現(xiàn)場自平衡試驗(yàn)荷載-位移曲線，依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第五版）試樁承載力的確定可以按式（1）確定[7]：

式中：Pu為試樁單樁極限承載力，kN；Quu為試樁上段樁的加載極限值，kN；Qlu為試樁下段樁的加載極限值，kN；W為載荷箱上部樁自重，kN；γ為與土體類型有關(guān)的系數(shù)，黏性土、粉土取0.8，砂土取0.7，巖石取1.0。

圖3 2號試樁荷載-位移曲線

圖4 4號試樁荷載-位移曲線

表2為試樁極限側(cè)摩阻力和極限承載力計(jì)算值。

表2 試樁極限側(cè)摩阻力和極限承載力計(jì)算結(jié)果

從表2中可以看出，2號試樁的單樁極限側(cè)摩阻力值與單樁豎向抗壓極限承載力值之比為95%，而4號試樁為87%，表明軟質(zhì)巖石中，鉆孔灌注樁的承載能力很大程度依賴于側(cè)摩阻力，樁端阻力占比較小，屬于摩擦樁。

圖5為各級載荷作用下，樁身范圍內(nèi)的各土層的側(cè)摩阻力變化曲線，從圖中可以看出，隨著荷載的增加，土層的側(cè)摩阻力隨之增加，同時(shí)，在同一作用下，隨著深度的增加，樁身側(cè)壁的土層側(cè)壓力也隨之增加，進(jìn)而引起側(cè)摩阻力隨著深度的增加而增加。

圖5 各級荷載作用下土層側(cè)摩阻力變化曲線

圖6 軟質(zhì)巖層側(cè)摩阻力與樁土相對位移曲線關(guān)系

圖6為試樁在軟質(zhì)巖層中的側(cè)摩阻力和樁-土相對位移關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，在同一土層中，2號試樁和4號試樁的曲線變化關(guān)系一致，在全風(fēng)化和中風(fēng)化泥巖中，側(cè)摩阻力隨著樁土位移的增加，在初始階段呈線性迅速增加，隨著位移的進(jìn)一步發(fā)展，土體的側(cè)摩阻力呈非線性增加，樁基的承載能力充分發(fā)揮，當(dāng)達(dá)到土體的極限摩阻力之后，側(cè)摩阻力逐漸趨于收斂，在中風(fēng)化泥巖中由于測試深度較大，樁土相對位移較小，觀測數(shù)據(jù)尚未達(dá)到收斂階段。

3 室內(nèi)接觸剪切試驗(yàn)

3.1 測試方法和測試條件

在室內(nèi)接觸剪切試驗(yàn)中制作了樁-土剪切模型，樁模型和巖樣模型皆為直徑8 cm、高10 cm的圓柱體，試驗(yàn)時(shí)，將樁模型和巖樣模型皆對半切開，樁模型放入上剪切盒而巖樣放入下剪切盒進(jìn)行剪切。為了符合實(shí)際情況和考慮泥漿護(hù)壁對側(cè)摩阻力的影響，剪切前將實(shí)際施工時(shí)配置的新鮮泥漿涂抹在樁-土剪切面上。試驗(yàn)中所用的樁模型配合比采用施工現(xiàn)場樁基的配合比配制，為水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.325∶1.345∶2.183，而巖樣為高質(zhì)量取樣設(shè)備取樣后，在天然含水率條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

每組室內(nèi)剪切試驗(yàn)取5個(gè)巖樣，在5個(gè)等級的垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，即垂直壓力σ1、σ2、σ3、σ4、σ5，其中σ1為土層厚度中點(diǎn)位置處的垂向水平應(yīng)力，σ4為極限載荷作用下樁土之間的側(cè)向應(yīng)力，σ2約為60%σ4，σ3約為80%σ4，σ5約為120%σ4。施加垂直壓力后，采用1.0 mm/min的速度進(jìn)行剪切，當(dāng)剪應(yīng)力的讀數(shù)都達(dá)到穩(wěn)定或有明顯后退時(shí)，剪切至剪切變形為4 mm。

3.2 測試成果分析

圖7～圖9分別為全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中等風(fēng)化泥巖接觸剪切試驗(yàn)成果。從圖中可以看出，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的變化規(guī)律與現(xiàn)場自平衡載荷試驗(yàn)（圖6）規(guī)律一致，隨著剪應(yīng)變的增加，剪應(yīng)力大致經(jīng)歷線性增加、非線性增加和收斂3個(gè)階段。同時(shí)隨著垂直應(yīng)力的增加（對應(yīng)于現(xiàn)場自平衡載荷試驗(yàn)土層深度的增加，如圖5），收斂階段的剪應(yīng)力也增加。

圖7 剪應(yīng)力與剪切位移變化曲線（全風(fēng)化泥巖）

圖8 剪應(yīng)力與剪切位移變化曲線（強(qiáng)風(fēng)化泥巖）

圖9 剪應(yīng)力與剪切位移變化曲線（中風(fēng)化泥巖）

對圖7～圖9應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升階段和收斂階段分別作切線，交角的平分線與曲線交點(diǎn)為屈服剪切應(yīng)力，然后繪制5個(gè)等級的垂直壓力及其對應(yīng)屈服剪應(yīng)力關(guān)系曲線，可求得全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中等風(fēng)化泥巖接觸剪切試驗(yàn)的屈服參數(shù)如表3所示。

表3 屈服參數(shù)計(jì)算結(jié)果

利用線性摩爾庫倫公式將屈服黏聚力和屈服內(nèi)摩擦角換算成側(cè)摩阻力，并與圖6中內(nèi)摩擦角進(jìn)行對比分析，如表4所示。

表4 側(cè)摩阻力對比分析

從表4中可以看出，室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場自平衡載荷試驗(yàn)測得的軟巖的側(cè)摩阻力值較為接近，但與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）參考值相比，明顯增大，且隨著風(fēng)化程度的減弱，偏離經(jīng)驗(yàn)值越厲害。因此，在實(shí)際大直徑樁基工程的設(shè)計(jì)和軟質(zhì)巖石側(cè)摩阻力參數(shù)的選取時(shí)，應(yīng)考慮經(jīng)驗(yàn)值過于保守造成的不必要浪費(fèi)。

4 結(jié)論

a）由于軟質(zhì)巖石強(qiáng)度較低，其側(cè)摩阻力的發(fā)揮表現(xiàn)出與硬質(zhì)巖層和土層不同的規(guī)律，鉆孔灌注樁的承載能力，很大程度依賴于側(cè)摩阻力，樁端阻力占比較小，屬于摩擦樁，隨著深度的增加，樁側(cè)壁土層水平側(cè)壓力也不斷增加，導(dǎo)致極限側(cè)摩阻力具有隨著深度增加的規(guī)律。

b）現(xiàn)場自平衡試驗(yàn)表明，與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）參考值相比，全風(fēng)化-中等風(fēng)化泥巖的側(cè)摩阻力實(shí)測值較大，且隨著風(fēng)化程度的減弱，偏離經(jīng)驗(yàn)值越厲害。

c）室內(nèi)接觸摩擦剪切試驗(yàn)與自平衡載荷試驗(yàn)得到的泥巖側(cè)摩阻力接近。室內(nèi)接觸摩擦剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著剪應(yīng)變的增加，剪應(yīng)力大致經(jīng)歷線性增加、非線性增加和收斂3個(gè)階段。同時(shí)隨著垂直應(yīng)力的增加，收斂階段的剪應(yīng)力也增加。