硅藻土地層中灌注樁側摩阻力的確定

李懿，馬秋柱，吳喬

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

硅藻土是一種生物成因的硅質沉積物，它主要由古代硅藻的遺骸組成。其化學成分主要是無定形的SiO2，含少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO和有機質。硅藻土以其質輕、多孔而著稱，作為礦物材料廣泛應用于工業領域。但關于硅藻土工程特性的相關研究比較少見，國際上關于硅藻土工程應用的案例極為罕見。目前國際上已有報道的案例只有墨西哥城和日本大阪關西機場項目[1-3]，但這些文章的研究范圍也僅局限在硅藻土的物理特性和室內試驗指標方面。關于硅藻土地基中樁基承載力的研究尚處于“空白”狀態，因此研究硅藻土層中的樁側摩阻力對于建設在硅藻土地基上的工程具有重大的現實意義。

1 工程概況

納米比亞某港口項目擬在近岸海域填筑人工島以形成陸地，并在其上建造高樁碼頭泊位和集裝箱堆場。在該項目的勘察過程中發現，區域內下覆有厚度超過20 m的硅藻土。該區硅藻土呈綠灰至灰綠色、局部淺灰褐色，似粉土狀，局部夾薄層至極薄層粉細砂、質輕、多孔。根據地質鉆孔資料，表層為薄層的松散沉積物，其下為厚約20 m的密實砂層，再往下為厚約28 m的巨厚層硅藻土，底層為密實砂層和膠結砂礫層；區內基巖為花崗巖，埋深在60 m以下。

2 硅藻土結構及工程特性

硅藻土的工程特性非常特殊，為一種強結構性土，硅藻土顆粒呈棱角狀并分布有大量的微孔隙。土工測試結果顯示絕大多數顆粒的粒徑分布在5～50μm之間，屬于粉粒級別，小于2μm的顆粒含量約占31.8%，這一顆粒分析結果與“墨西哥硅藻土”的分析結果基本一致，只是小于2μm的顆粒含量較“墨西哥硅藻土”的40%略低[1-2]。

由于硅藻土顆粒中存在大量微孔隙，不但造成其密度非常小甚至接近于泥漿，而且還為孔隙水和氣體的附著提供了空間。根據土工試驗測試，硅藻土含水率非常高，約為200%，而且還含有較多的硫化氫氣體，探區土層的室內試驗結果如表1所示，其中砂土層的剪切指標根據現場標準貫入試驗獲得。

表1 土層的土工試驗結果Table1 Soil test results

3 單樁承載力試驗及數據分析

為了確定硅藻土地層中單樁承載力特征值，在本工程代表性地段進行了樁基靜載試驗。試驗樁于2014年11月開始施工，首先采用90 kW回旋鉆鉆孔，然后調用55 kW的沖孔樁機進行底部堅硬巖土層施工。樁基設計樁徑1.3 m，樁基類型為水下混凝土灌注樁，設計荷載7 037 kN，最大試驗荷載15 915 kN，樁頂標高+3.60 m，樁底標高-60.10 m。根據靜載試驗結果，3倍設計荷載條件下最大沉降量為33.14 mm，殘余沉降量為18.19 mm；設計荷載條件下的最大沉降量為6.51 mm，殘余沉降量為0.99 mm。測試結果表明樁基承載力滿足不小于3倍設計荷載的項目規范和相關標準要求。

試驗分3級荷載采用循環加載方式進行試驗，各級荷載情況下測得樁體沉降量見表2。試驗樁體周圍的土層分布情況及各種荷載情況下傳感器測得的樁體軸力分布如圖1所示，傳感器編號從上到下依次為1～10號，從3號傳感器（-29.3 m）開始至6號傳感器（-46.9 m）為硅藻土層段。實測獲得的各壓力級情況下灌注樁側摩阻力隨深度在土層中的變化情況如圖2。實測數據顯示由于硅藻土密度非常小，上覆壓力變化不大，因此隨深度增加側摩阻力在硅藻土層中的增長十分緩慢。

表2 各級荷載情況下的樁頂沉降量Table 2 Pile-top settlement at all loading levels

圖1 試驗樁的地層結構及各壓力段的樁體軸力分布Fig.1 Geological structureand axial force distribution along the test pile

圖2 灌注樁側摩阻力分布情況Fig.2 Distribution of cast-in-situ pile shaft resistance

4 樁側摩阻力的計算

在《建筑地基基礎設計規范》和《建筑樁基技術規范》以及一些行業和地方規范中給出了常見土類和不同成樁工藝情況下樁側摩阻力的推薦值。一般取值標準主要是參照土層類別及相應的物理試驗指標，但對于硅藻土這類特殊土卻失去了參考價值，這給項目的樁基設計工作帶來了巨大的挑戰。

樁側摩阻力的大小與土體的不排水抗剪強度、樁基埋深、樁體長徑比等因素有關，《Pile Design and Construction Practice》中給出了下述計算模型如式（1）[4]，該模型適用于黏性土中的樁側摩阻力計算。

式中：F為長度系數，與樁基礎的埋深和樁徑的比值有關（如圖3）；αP為凝聚力系數，由抗剪強度和上覆有效壓力確定（如圖4）；cu為土層的原位不排水抗剪強度；As為樁側表面積。

圖3 長度系數F取值與長徑比的關系Fig.3 Relation between the length factor F and length/width ratio

圖4 αP與不排水抗剪強度及有效上覆壓力的關系Fig.4 Relation betweenαP and undrained shear strength and effective overburden pressure

其中硅藻土層的不排水抗剪強度可由強度試驗指標通過式（2）獲得：

式中：σv憶為土層的上覆有效壓力，土層的強度指標如表1。將式（2）代入式（1），整理可得單位面積的樁側摩阻力如式（3）。

式（3）表述的單位面積的樁側摩阻力與上覆土層有效壓力成線性關系，（FαPtancu）和（FαPccu）兩部分為固定值。

上述式（1）僅適用于常規土中打入樁的情況，對灌注樁而言，由于施工工藝的影響，灌注樁的樁側摩阻力相對打入樁的折減系數在10%～30%之間[5]。為了驗證式（1）在硅藻土中灌注樁的適用性并確定綜合折減系數△的取值，本文采用樁基靜載試驗時的邊界條件進行計算。樁基試驗時，地面標高為+2.3 m，地下水位+1.0 m；原始海床面標高-3.0 m，回填砂土天然密度1.65 g/cm3。樁體長細比為L/B=62.4 m/1.3 m=48，參考圖3，F值取1.0。根據上覆土層厚度和各土層的密度情況可以計算獲得硅藻土層上覆壓力為215～305 kPa，相應的αP取值在0.95～1.0之間。

依據表3對比3～6號傳感器之間硅藻土層側摩阻力實測值與計算值，其側摩阻綜合折減系數達到35%～45%，比常規土中10%～30%的折減系數略高。這可能與以下原因有關：1）硅藻土自身的特殊性質，質輕、孔隙率高，因此其樁側摩阻較常規土偏?。?）硅藻土是一種結構性的土，在灌注樁成孔施工過程中造成土體發生一定程度的結構變化，也降低了樁側摩阻。

表3 側摩阻力計算值與實測值對比表Table3 Comparison between calculated and measured value of shaft resistance

5 結語

本工程通過樁基承載力試驗驗證了在物理性質特殊的硅藻土中灌注樁的側摩阻力依然可以采用一般黏性土的樁側摩阻力計算公式，即本文公式（1）進行計算，且這一模型可以較好地反應出樁側摩阻力在深度方向和不同土層中的變化情況和變化規律。但由于硅藻土本身物理性質特殊（輕質、多孔、吸附性極強）、土體結構性強，因此會導致灌注樁的側摩阻力在硅藻土層中的折減較常見土層略多，計算灌注樁在硅藻土層中的側摩阻力時需要考慮合理的綜合折減系數。

由于本工程試驗數據較少，還存在地質結構、施工工藝等方面的不確定性，需要展開進一步的研究來確定灌注樁在硅藻土中側摩阻力設計值。

[1] 馬秋柱，何智敏，蔡澤明.納米比亞硅藻土的工程特性[J].水運工程，2017（12）：80-84.MA Qiu-zhu,HE Zhi-min,CAI Ze-ming.Engineering properties of diatomaceousin Namibia[J].Port&Waterway Engineering,2017(12):80-84.

[2]MESRIG,ROKHSARA,BOHORBF.Composition and compressibility of typical samplesof Mexico City clay[J].Geotechnique,1975,25(3):527-554.

[3]DIAZ-RODRIGUEZJ,ABRAHAM.Diatomaceoussoils:monotonic behavior[C]//International symposiumon deformation characteristics of geomaterials.Seoul,Korea,2011.

[4] TOMLINSON M,WOODWARD J.Pile design and construction practice[M].6th ed.U.K.:Palladian Publications,2015.

[5] FLEMING W G K,SLIWINSKI Z.The use and influence of ben原tonite in bored pile construction[R].London:Construction Industry Research and Information Association(CIRIA),1977.

[6]GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規范[S].GB 50007—2011,Codefor design of buildingfoundation[S].

[7]JGJ94—2008，建筑樁基技術規范[S].JGJ94—2008,Technical codefor buildingpilefoundations[S].