軟硬互層地層條件下灌注樁承載力特性研究

葉 波，李富祥，李歡建

（貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引言

“互層”在地質(zhì)術(shù)語(yǔ)中是指兩種巖層反復(fù)出現(xiàn)，巖層相間呈韻律沉積[1]?！败浻不印奔从操|(zhì)巖與軟質(zhì)巖反復(fù)出現(xiàn)，呈韻律沉積。通常硬質(zhì)巖風(fēng)化較慢，軟質(zhì)巖風(fēng)化較快，因此在場(chǎng)地中風(fēng)化差異較明顯，導(dǎo)致其工程特性也呈現(xiàn)明顯差異。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于軟硬互層巖體的研究取得了一些成果，吳渤等[2]通過(guò)對(duì)軟硬互層巖體進(jìn)行模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬，對(duì)軟硬互層巖體進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，其破壞規(guī)律為巖層傾角對(duì)試樣的單軸抗壓強(qiáng)度影響較大，破壞面主要沿軟硬分層的薄弱面發(fā)育。鄭佩瑩等[3]通過(guò)川渝紅層軟巖水平互層對(duì)橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)承載力影響的有限元分析，得出利用軟硬互層中的強(qiáng)度較高的巖層作為持力層和軟硬互層中的強(qiáng)度較高的硬巖相對(duì)應(yīng)的均質(zhì)基巖作為持力層，2種情況下容許承載力和極限承載力近似。鄭玉元等[4]采用鉆探、超聲波測(cè)井、抽水試驗(yàn)、水質(zhì)分析、地微震測(cè)量、室內(nèi)巖土力學(xué)試驗(yàn)等綜合勘探測(cè)試方法，確定薄至中厚層狀泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥巖、頁(yè)巖組成的軟質(zhì)巖與硬質(zhì)巖互層狀巖體地基承載力特征值，結(jié)合地區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn)合理評(píng)價(jià)并充分挖掘軟質(zhì)巖與硬質(zhì)巖互層狀巖體地基承載力特征值（fa）和基坑邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)C、Ф。陳宇龍等[5]、黃琪嵩和程久龍[6]的研究均表明互層巖體由于層間力學(xué)屬性不同，軟巖底板由于其承載能力弱，會(huì)加劇底板應(yīng)力的集中程度，導(dǎo)致底板巖層的破壞深度和范圍都大大增加。姚池等[7]、王亮清等[8]的研究表明軟硬互層巖體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等存在各項(xiàng)異性。

前述研究成果中，尚未對(duì)軟硬互層地層下的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及持力層的選擇進(jìn)行分析。實(shí)際工程中，軟硬互層地層條件下，當(dāng)采用灌注樁時(shí)，穿越軟硬互層帶將持力層放在完整的微風(fēng)化基巖中是最安全的，但是若軟硬互層帶埋層較深，這樣的方案將導(dǎo)致樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，不僅造價(jià)高，工期長(zhǎng)，而且施工難度大，故在軟硬互層帶的地質(zhì)條件下，其持力層的選取應(yīng)進(jìn)行必要的試驗(yàn)研究?？紤]到軟硬互層帶的各項(xiàng)異性及地質(zhì)體的復(fù)雜性，樁基承載力特性未知，從安全角度考慮，必須通過(guò)對(duì)其進(jìn)行專門的試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。它不同于其他端承樁主要考慮樁端阻力，軟硬互層帶的樁基，更應(yīng)結(jié)合嵌巖部分的樁側(cè)阻力，按摩擦端承樁進(jìn)行試驗(yàn)研究。文章以貴陽(yáng)市南明區(qū)某項(xiàng)目為例，對(duì)軟硬互層地層條件下灌注樁承載力特性進(jìn)行了研究。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目如下：①幼兒園（18班）建筑高度為12.6 m（3F），建筑面積4 657 m2，用地面積8 248 m2；②小學(xué)（24班）建筑高度16.2 m（4F），建筑面積8 640 m2，用地面積23 490 m2；③中學(xué)（30班）建筑高度19.8 m（5F），建筑面積15 000 m2，用地面積33 903 m2。根據(jù)校園規(guī)劃分為教學(xué)區(qū)、生活區(qū)、體育區(qū)及附屬設(shè)施4個(gè)功能區(qū)。其中小學(xué)食堂部分采用中風(fēng)化頁(yè)巖夾薄層泥晶灰?guī)r軟硬互層帶作為樁基持力層。小學(xué)食堂部分單柱荷載為6 000 kPa，通過(guò)技術(shù)論證擬采用人工挖孔灌注樁作為基礎(chǔ)，并將樁置于軟硬互層帶中。為驗(yàn)證樁基可行性，對(duì)場(chǎng)地的3根樁身混凝土強(qiáng)度為C40的人工挖孔灌注樁進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)自平衡法檢測(cè)。

2 場(chǎng)地巖土特點(diǎn)及試樁情況

場(chǎng)地位于貴陽(yáng)市南明區(qū)，主要位于低中山溶蝕殘丘，地勢(shì)總體起伏較大，場(chǎng)區(qū)無(wú)大型構(gòu)造，殘丘及少量峰林分布于巖溶谷地中，屬中低山地貌。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖及現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，擬建場(chǎng)地附近無(wú)斷裂層（帶）經(jīng)過(guò)。第四系覆蓋層主要為素填土（Qml），耕植土（Qpd），第四系殘坡積層（Qel+dl）紅黏土，土層最大厚度為23.4 m，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)沙堡灣組（T1s）薄層狀頁(yè)巖夾薄層泥晶灰?guī)r，巖體風(fēng)化程度不同，形成比較發(fā)育的軟硬互層帶。

該軟硬互層帶由頁(yè)巖夾薄層灰?guī)r泥晶灰?guī)r組成，薄層灰?guī)r夾層厚度約為0.1 m，頁(yè)巖夾層厚度為約0.3 m，巖層產(chǎn)狀平緩為19°～22°，薄層灰?guī)r，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=35.3 Mpa，總體上巖石為較硬巖，巖體較破碎。灰、黃綠色頁(yè)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為frk=5.44 Mpa，總體上巖石為軟巖，巖體較破碎，如圖1所示。

圖1 場(chǎng)地軟硬互層基巖露頭

該工程試樁為3根人工挖孔灌注樁，樁徑1 200 mm持力層均為頁(yè)巖夾薄層泥晶灰?guī)r軟硬互層帶，樁身混凝土強(qiáng)度為C40。這3根試樁參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樁參數(shù)

3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

該工程的3根試樁單樁豎向抗壓靜載采用自平衡法檢測(cè)[9]。其檢測(cè)原理[10]是將一種特制的加載裝置—荷載箱，在混凝土澆筑之前和鋼筋籠一起埋入樁內(nèi)相應(yīng)的位置，將加載箱的加壓管以及所需的其他測(cè)試裝置從樁體引到地面，然后灌注成樁。有加壓泵在地面像荷載箱加壓加載，使得樁體內(nèi)部產(chǎn)生加載力，通過(guò)對(duì)加載力與這些參數(shù)之間的關(guān)系的計(jì)算和分析，不僅可以獲得樁基承載力，而且可以獲得每層土層的側(cè)阻系數(shù)、樁的側(cè)阻、樁端承力等一系列數(shù)據(jù)。儀器設(shè)備包括荷載箱、電子位移計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀、精密壓力表、樁身應(yīng)力計(jì)、電動(dòng)油泵、剛性承壓板、油管若干等，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置圖

為詳細(xì)了解試樁在豎向荷載作用下內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變的變化，采用振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)，每根試樁預(yù)估埋置2層量測(cè)斷面，每一層斷面設(shè)4根鋼筋應(yīng)力計(jì)，呈對(duì)稱布置，并在樁頂設(shè)置1層鋼筋應(yīng)力計(jì)為標(biāo)定斷面，每樁共設(shè)12根鋼筋應(yīng)力計(jì)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)成果及分析

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)制作3根試樁進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)樁位大直徑樁，按沉降量S=0.05D（D為樁徑）對(duì)應(yīng)的荷載為極限荷載。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理可知，巖性為薄層狀頁(yè)巖夾薄層泥晶灰?guī)r的軟硬互層地層條件下，試樁的荷載-沉降曲線表現(xiàn)為緩變-陡降-緩變型，當(dāng)樁頂荷載水平較小時(shí)樁基沉降增長(zhǎng)緩慢，當(dāng)樁頂荷載達(dá)到一定值后，沉降迅速增加，卸荷以后存在緩慢的卸荷回彈現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)試得出試樁S1單樁承載力極限值為12 690 kN，試樁S2單樁承載力極限值為15 270 kN，試樁S3單樁承載力極限值為13 880 kN，見(jiàn)表2。

表2 靜載試驗(yàn)成果表

根據(jù)圖3—圖5的荷載-沉降（Q-s）曲線得出的極限荷載值，繪制單樁承載力極限值-樁長(zhǎng)關(guān)系圖，如圖6所示。

圖3 試樁S1荷載-沉降（Q-s）曲線

圖4 試樁S2荷載-沉降（Q-s）曲線

圖5 試樁S3荷載-沉降（Q-s）曲線

圖6 單樁承載力極限值-樁長(zhǎng)關(guān)系圖

可以看出，軟硬互層地層條件下單樁承載力極限值與樁長(zhǎng)具有很好的相關(guān)性，單樁承載力極限值隨著樁長(zhǎng)的增加而增加?？梢?jiàn)在軟硬互層場(chǎng)地條件下，樁長(zhǎng)較短時(shí)樁長(zhǎng)是影響樁基單樁極限承載力最主要的因素。

4.2 樁身內(nèi)力測(cè)試

通過(guò)樁身內(nèi)力測(cè)試得出，試樁S1側(cè)阻力埋深0～0.39 m，端阻力埋深3.8 m，試樁S1側(cè)阻力極限值為447.0 kPa、端阻力極限值為4 155.8 kPa；試樁S2側(cè)阻力埋深0～4.5 m，端阻力埋深4.5 m，試樁S2側(cè)阻力極限值為454.1 kPa、端阻力極限值為5 000.0 kPa；試樁S3側(cè)阻力埋深0～4.2 m；端阻力埋深4.2 m，試樁S3側(cè)阻力極限值為442.3 kPa、端阻力極限值為4 545.5 kPa，見(jiàn)表3—表5。

表3 試樁S1樁身內(nèi)力測(cè)試成果表

表4 試樁S2樁身內(nèi)力測(cè)試成果表

表5 試樁S3樁身內(nèi)力測(cè)試成果表

在各級(jí)荷載作用下，試樁的端阻力占樁頂荷載的比例變化不大，均在73%左右，見(jiàn)圖7。可見(jiàn)單樁承載力主要由樁端阻力提供，主要表現(xiàn)為摩擦端承樁性狀。

圖7 試樁端阻力占樁頂荷載的百分率曲線

這可能是因?yàn)橛捎跇堕L(zhǎng)較短，樁側(cè)阻力還沒(méi)充分發(fā)揮的原因。由圖8、圖9可以看出，隨著樁頂荷載的增加，樁端阻力、樁側(cè)阻力大致呈線性增加。

圖8 試樁側(cè)阻力-樁頂荷載曲線

圖9 試樁端阻力-樁頂荷載曲線

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)貴州省貴陽(yáng)市南明區(qū)擬建項(xiàng)目不同樁長(zhǎng)試樁分析表明：

（1）在軟硬互層地層條件下單樁承載力極限值與樁長(zhǎng)具有極好的相關(guān)性，單樁承載力極限值隨著試樁入巖深度的增加而增加。

（2）該軟硬互層場(chǎng)地中，在承載力極限狀態(tài)下，樁承載力主要由樁端阻力提供，主要表現(xiàn)為摩擦端承樁性狀。隨著樁頂荷載的增加，樁端阻力、樁側(cè)阻力大致呈線性增加。

（3）考慮軟硬互層帶的各項(xiàng)異性及地質(zhì)體的復(fù)雜性，樁基的沉降等問(wèn)題不是通過(guò)試驗(yàn)就能完全搞清，建議加強(qiáng)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)。