泥質巖地區大直徑深嵌巖樁的承載特性

龔成中，何春林，龔維明，戴國亮

(1.淮陰工學院 建工學院，江蘇 淮安223001；2.東南大學 土木工程學院，南京210096)

隨著西部建設的加快發展，越來越多的嵌巖樁在公路橋梁的建設方面得到了廣泛使用。大直徑超長嵌巖樁的承載特性比較復雜，迄今為止有很多專家學者對其承載特性進行了分析研究，包括理論分析、有限元數值模擬、現場試驗研究等，并得到了許多有益的結論[1－5]。泥質巖在中國分布較廣，目前對泥質灰巖地區大直徑嵌巖樁在萬噸級荷載作用下以及大嵌巖比(hr／d≥3.0)情況下的承載特性研究還比較缺乏[6－8]，基于壩陵河大橋現場的2根樁基(SZ1、SZ2)靜載荷試驗和北盤江大橋的1根樁基(SZ3)的靜載荷試驗，對該泥質巖地區大直徑深長嵌巖樁在萬噸級荷載作用下的承載特性進行了研究分析。對大直徑深長樁嵌巖樁樁側、樁端阻力的分布與巖性、樁側位移的關系作了有益的分析。

1 工程概況及試樁地質條件

鎮寧至勝境關高速公路是GZ65公路在貴州省境內的重要路段，也是貴州省規劃的“三縱三橫八支八聯”公路主骨架的重要組成部分。壩陵河大橋離擬建鎮寧至勝境關高速公路起點約21km，地處黔西地區的高原重丘，而北盤江特大橋位于鎮寧至勝境關公路第14合同段，大橋從北盤江大小盤江之間河段跨越北盤江大峽谷，地形條件復雜。該工程試樁主要參數見表1。

試樁的主要土(巖)層分布情況見圖1所示。SZ3巖體物理力學指標參數如表2所示。

圖1 試樁土(巖)層分布圖

2 自平衡試驗方法

試樁采用自平衡測樁法[9－11]，其主要原理是在樁身平衡點位置安設荷載箱，沿垂直方向加載，即可同時測得荷載箱上、下部各自承載力。上段樁的側摩阻力跟下段樁的側摩阻及端阻力的合力互為反力，實現力的平衡(圖2)。工程荷載箱主要置于樁端附近，能比較可靠地測出樁端阻力與樁側阻力。加載采用慢速維持荷載法。測試前先檢測了樁身混凝土強度及其完整性(超聲波測試)，測試結果符合設計及規范要求。

3 結果分析

3.1 樁頂荷載－位移曲線

采用精確等效轉換方法[12]，根據已測得的各土層摩阻力－位移曲線，轉換至樁頂，得到試樁等效轉換曲線；3根試樁的等效的樁頂荷載－位移曲線見圖3。可見SZ1、SZ2、SZ3 3根試樁等效轉換曲線皆為緩變型。明顯不同于一般工程的中小直徑的樁，無明顯陡降段出現。由于試樁變位較小，故取最大加載值即為其極限承載力。實測結果如下：SZ1極限承載力為102 812kN，相應的位移為45.94mm；SZ2極限承載力為102 236kN，相應的位移為36.16mm；SZ3極限承載力為117 232kN，相應的位移為28.12mm。如以樁徑的s＝0.05D位移條件作為樁基極限承載力來看，上述樁極限承載力所需位移分別為125mm、125mm、140mm。實測的位移值遠小于s＝0.05D。可見該次試樁樁基的極限承載力是偏于保守的。

圖2 自平衡測試示意圖

圖3 試樁等效轉換曲線

3.2 樁端巖石特性對端阻力的影響

試樁都是把荷載箱置于樁端附近，因此能比較準確的測出樁端阻力和位移的關系曲線，試驗結果可靠合理。實測結果如圖4所示。

圖4 樁端阻力－位移曲線

從實測的結果來看，SZ1樁端巖層主要為微風化砂質灰巖，實測的樁端極限阻力為55 000kN，相應位移為8.97mm；SZ2樁端巖層主要為弱風化的泥質灰巖，樁端極限阻力為53 570kN，相應位移為13.14mm。而SZ3主要是微風化的泥質白云巖，樁端極限阻力為47 340kN(包括樁端上部1.5m樁側摩阻力)，相應位移為7.95mm。從曲線上可以看出，微風化的砂質灰巖與微風化的泥質白云巖，樁端阻力與樁端位移曲線兩者近似平行，曲線也近似成直線關系。端阻完全發揮所需位移較大。而弱風化的泥質灰巖由于風化關系，樁端阻力超過一定數值后，荷載－位移曲線呈現向下彎曲的趨勢。

3.3 試樁中不同巖層的樁側阻力

根據實測結果，繪制出的樁側阻力分布圖見圖5(分級加載的樁側阻力僅繪制出部分荷載作用下的情形)。

在SZ1、SZ2試樁中，側壁巖層主要為泥質灰巖。SZ1實測的最大側阻力分布情況是：弱風化泥質灰巖為87.7kPa，微風化泥質灰巖為311.6kPa，微風化砂質灰巖為404.5kPa；SZ2試樁中，實測的弱風化泥質灰巖為115.4kPa，與SZ1數值不同的主要原因是兩者側阻力發揮的位移是不一致的，而SZ2中微風化泥質灰巖為323.0kPa，與SZ1相差不大。

在SZ3試樁中，樁側巖層主要為泥質白云巖。實測的最大側阻力分布情況是：強風化泥質白云巖為45kPa，弱風化泥質白云巖為270kPa，而微風化泥質白云巖為319kPa。

3.4 樁土界面相對位移與樁側阻力的發揮

由于向上變位較小，巖層摩阻力沒有充分發揮，根據實測摩阻力，同時考慮到位移協調原則，即荷載箱處上段樁變位取與下段樁變位相等原則，采取雙曲線函數擬合摩阻力－位移的τ－s函數。每層巖石采用同一曲線擬合，此時可擬合出的SZ1、SZ2、SZ3樁側摩阻力與樁側位移曲線見圖6所示。

從SZ1擬合曲線來看，弱風化的泥質灰巖極限側阻力為155.3kPa，微風化泥質灰巖為488.5kPa，而微風化砂質灰巖為607.1kPa，對應的極限位移為8.97mm。

圖5 樁側阻力分布圖

從SZ2擬合曲線來看，弱風化的泥質灰巖極限側阻力為310.5kPa，微風化泥質灰巖為428.4kPa，對應的極限位移為13.14mm。

從SZ3擬合曲線來看，與泥質灰巖相比，弱風化或微分化的泥質白云巖樁側阻力的發揮所需要的側移較小，樁側極限側摩阻力約為324kPa。而強風化泥質白云巖的側摩阻力約為71kPa，相應樁側位移僅為3.45mm。

表3試樁各土層側摩阻力中，預估極限側阻力一欄為勘探報告書所提供的極限側阻力。實測結果與此對比表明，SZ1弱風化泥質灰巖、SZ3強風化泥質白云巖實測的極限側阻力與預估承載力相差較大，這可能與巖土工程性質有關，也可能是受到施工以及測試方法的影響，在工程施工中應引起足夠重視。

表3 試樁各土層側摩阻力

4 結論

自平衡測試法在大噸位的樁基測試中，體現了安全可靠，不占場地的優點。節省了大量的人力和物力，為大噸位的樁基承載力檢測提供了一種很好的解決方法。

實測的3根大噸位試樁的樁頂荷載－位移曲線皆為緩變型。與一般的中小直徑樁明顯不同。且在所需的極限荷載作用下，樁頂位移遠小于s＝0.05D的條件要求，樁基承載力是偏于安全的。

從樁端阻力和位移關系來看，微風化的砂質灰巖和泥質白云巖承載力能力較高，潛能較大。而弱風化的泥質灰巖荷載位移曲線在荷載作用下明顯呈向下彎曲趨勢。

從擬合的樁側摩阻力－位移曲線來看，微風化的或弱風化的泥質白云巖樁側阻力發揮所需的位移較小，而泥質灰巖樁側阻力的發揮所需的位移較大。

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