持力層為中風(fēng)化泥巖單樁豎向承載力計(jì)算探討

李孝平

（中鐵四院集團(tuán)廣州設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510600）

0 引 言

對(duì)于中小跨度的公路、城市道路橋梁，橋墩經(jīng)常采用雙柱或多柱排架墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。在我國(guó)南方地區(qū)，基樁的持力層經(jīng)常會(huì)遇到泥巖，特別是中風(fēng)化泥巖，其遇水易軟化，從而降低樁的承載力。雖然中風(fēng)化泥巖其單軸天然抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk可以達(dá)到7 MPa以上，單樁豎向承載力完全適合按嵌巖樁進(jìn)行計(jì)算，但由于其單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk較低，在4 MPa～5 MPa之間，這就給其單樁豎向承載力計(jì)算[1-3]帶來(lái)了一定的困擾：究竟是按照嵌巖樁[4-7]計(jì)算單樁豎向承載力合適，還是按摩擦樁[8-9]計(jì)算單樁豎向承載力合理一些？若按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63—2007）[10-11]中公式（5.3.4）計(jì)算，嵌巖樁單樁軸向受壓承載力容許值為：

即嵌巖樁單樁軸向受壓承載力由樁端阻力、嵌巖段側(cè)阻力、嵌巖段以上樁周土側(cè)阻力三部分組成，為安全起見(jiàn)，對(duì)嵌巖段以上樁周土側(cè)阻力根據(jù)嵌入基巖的強(qiáng)度值進(jìn)行了折減。當(dāng)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk小于2 MPa時(shí)按摩擦樁計(jì)算。

但實(shí)際情況是當(dāng)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk大于2 MPa，小于5 MPa時(shí)，按嵌巖樁計(jì)算并不一定合理。本文以一個(gè)工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)比計(jì)算，試圖對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討，以期對(duì)同類問(wèn)題有所幫助。

1 工程概述

某上跨既有鐵路立交橋采用跨度為30 m及40 m的預(yù)制小箱梁，橋面分左右幅，半幅橋?qū)?5 m。橋墩采用雙柱墩，墩間距8 m，墩柱直徑1.3 m及1.5 m，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁徑1.5 m及1.8m。橋臺(tái)采用板凳式橋臺(tái)，雙排樁，樁徑1.2 m。樁端持力層為中風(fēng)化泥巖。

1.1 工程地質(zhì)

（1）①層素填土：層厚2.4 m，主要成份由粘土組成、夾建筑垃圾、磚塊等雜物組成，結(jié)構(gòu)稍密，局部壓實(shí)，性質(zhì)不均勻，該層不宜直接作為建（構(gòu)）筑物的天然地基持力層。

（2）②1層淤泥質(zhì)土：層厚2.2 m，層位不穩(wěn)定，深灰色，飽和，流塑，含有機(jī)質(zhì)，具腥味，搖震反應(yīng)輕微，干強(qiáng)度及韌性低，夾粉砂。為場(chǎng)地內(nèi)淺層軟土層，具有承載力低、高壓縮性、高靈敏度、抗剪能力差等特點(diǎn)，工程力學(xué)性質(zhì)差。

經(jīng)26次標(biāo)貫試驗(yàn)，實(shí)測(cè)擊數(shù)N′=1～2擊，平均1.23擊，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.43，變異系數(shù)δ=0.349，擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為1.08擊。

（3）②4層細(xì)砂：層厚 2.3 m，灰褐色，飽和，松散～稍密，石英質(zhì)，分選一般，局部夾淤泥及中砂，工程性質(zhì)一般。

經(jīng)33次標(biāo)貫試驗(yàn)，實(shí)測(cè)擊數(shù)N′=9～19擊，平均13.42擊，標(biāo)準(zhǔn)差σ=2.63，變異系數(shù)δ=0.196，擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為12.63擊。

（4）②5層淤泥質(zhì)粉砂：層厚4.2 m，灰黑色，飽和，松散，主要成份為石英，含泥質(zhì)，局部夾淤泥質(zhì)土，局部夾細(xì)砂，工程性質(zhì)一般。

經(jīng)52次標(biāo)貫試驗(yàn)，實(shí)測(cè)擊數(shù)N′=4～9擊，平均5.27擊，標(biāo)準(zhǔn)差σ=1.47，變異系數(shù)δ=0.279，擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為4.92擊。

（5）②3層中粗砂：層厚 12 m，灰白色，飽和，稍密～中密，主要成份為石英，含粉粘粒，顆粒不均，分選性較好，工程性質(zhì)一般。

（6）③層強(qiáng)風(fēng)化巖帶（W3）：層厚 3.3 m，灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石風(fēng)化作用強(qiáng)烈，巖石結(jié)構(gòu)基本破壞，巖芯呈柱狀、塊狀、半巖半土狀，風(fēng)化不均，局部夾中風(fēng)化泥巖。巖石堅(jiān)硬程度為極軟巖，巖體完整程度極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類。層頂埋深大，工程力學(xué)性質(zhì)較好，有較高的強(qiáng)度，但遇水易軟化。

（7）④層中風(fēng)化泥巖（W2）：風(fēng)化不均勻，局部夾強(qiáng)風(fēng)化巖。巖性主要為泥巖。層頂埋深大，工程力學(xué)性質(zhì)好，強(qiáng)度高，天然單軸抗壓強(qiáng)度為2.6～26.6 MPa，平均值為 10.1 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為 7.1 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為4.1～6.0 MPa，平均值為5.0 MPa，可做樁基持力層，樁端遇水易軟化會(huì)降低樁的承載力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮。

1.2 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)（見(jiàn)表1）

1.3 樁頂設(shè)計(jì)荷載

橋臺(tái)：樁徑D1=1.2 m，樁頂最大豎向力Nmax1=5 500 kN；

橋墩：兩種樁徑，分別為：樁徑D2=1.5 m，樁頂最大豎向力Nmax2=7 500 k N；樁徑 D3=1.8 m，樁頂最大豎向力Nmax3=11 000 kN。

2 樁基計(jì)算

2.1 按嵌巖樁計(jì)算

按照嵌巖樁設(shè)計(jì)，依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63—2007）[8-10]中公式（5.3.4）計(jì)算，嵌巖樁單樁軸向受壓承載力容許值為：

式中：[Ra]為單軸軸向受壓承載力容許值，kN；Ap為樁底橫截面面積，m2；frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；ζs為覆蓋層側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)；hi為樁嵌入基巖深度，m，不包括全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層；u為樁身周長(zhǎng)，m；qik為側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；c1、c2為根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的系數(shù)。其中：C1Apfrk為樁端阻力；uΣC2ihifrki為嵌巖段樁側(cè)阻力；1/2ζsuΣliqik為嵌巖段以上樁周土側(cè)阻力。（1）樁徑 D1=1.2 m，U1=3.77m，Ap1=1.13 m2，樁頂最大豎向力Nmax1=5 500 kN。這里c1取值 0.5，c2取值 0.04，frk取單軸飽和抗壓強(qiáng)度 5 MPa，ζs取 0.8，嵌巖深度hi=2 m，樁長(zhǎng)28.4 m，代入公式（5.3.4）計(jì)算，則：5 500 kN（可）。

表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表

若frk取單軸飽和抗壓強(qiáng)度4 MPa，重新代入公式（5.3.4）計(jì)算，則：

（2）樁徑 D2=1.5 m，U2=4.71 m，Ap2=1.767 m2，樁頂最大豎向力Nmax2=7 500 kN。

重復(fù)前面的計(jì)算，當(dāng)frk取單軸飽和抗壓強(qiáng)度5 MPa時(shí)，

當(dāng)frk取單軸飽和抗壓強(qiáng)度4 MPa時(shí)，

（3）樁徑 D3=1.8 m，U3=5.65 m，Ap3=2.54 m2，樁頂最大豎向力Nmax3=11 000 kN。

重復(fù)前面的計(jì)算，當(dāng)frk取單軸飽和抗壓強(qiáng)度5 MPa時(shí)，

當(dāng)frk取單軸飽和抗壓強(qiáng)度4 MPa時(shí)，

樁端嵌入基巖深度不足，按嵌入基巖4 m，hi=4 m，樁長(zhǎng)30.4 m，重新計(jì)算，則：

2.2 按摩擦樁計(jì)算

按摩擦樁設(shè)計(jì)，依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63—2007）中公式（5.3.3-1）計(jì)算，摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值為：

其中，qr=m0λ[[fa0]+k2r2（h-3）]，（5.3.3-2）。

式中：qr為樁端處土的承載力容許值，kPa，當(dāng)持力層為砂土、碎石土?xí)r，若計(jì)算值超過(guò)下列值，宜按下列值采用：粉砂1 000 kPa，細(xì)砂1 150 kPa，中砂、粗砂、礫砂 1 450 kPa，碎石土 2 750 kPa；[fa0]為樁端處土的承載力基本容許值，kPa；λ為修正系數(shù)；m0為清底系數(shù)；Apqr為樁端阻力；1/2uΣliqik為樁周土側(cè)阻力。

（1） 樁徑 D1=1.2 m，U1=3.77 m，Ap1=1.13 m2，樁頂最大豎向力Nmax1=5 500 kN。

參考《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63—2007）中表 3.3.4、表 5.3.3-2、表 5.3.3.3，這里m0取 1.0，λ 取 0.68，k2取 6。r2取 18 kN/m3，[fa0]取 600 kPa，h=28.4 m，代入公式（5.3.3-2）計(jì)算，則：

代入公式（5.3.3-1）計(jì)算，則：

（2）樁徑 D2=1.5 m，U2=4.71 m，Ap2=1.767 m2，樁頂最大豎向力Nmax2=7 500 kN。

重復(fù)前面的計(jì)算，則：

[Ra]=3929+4016=7 945（kN）＞Nmax2=7 500 kN（可）。

（3） 樁徑 D3=1.8 m，U3=5.65 m，Ap3=2.54 m2，樁頂最大豎向力Nmax3=11 000 kN。

重復(fù)前面的計(jì)算，則：

[Ra]=4713+5772=10485（kN）＜Nmax3=11000kN（不可）。

樁長(zhǎng)加長(zhǎng)2 m，h=30.4 m，重新計(jì)算，則：

qr=1.0×0.68×[600+6×18×（30.4-3）]=2420 kPa＜2 750 kPa，qr取 2 420 kPa，代入公式（5.3.3-1）計(jì)算，則：

3 計(jì)算分析

將上述計(jì)算結(jié)果繪制成表2、表3進(jìn)行對(duì)比。從這兩張對(duì)比表可以看出：

（1）當(dāng)樁端持力層單軸飽和抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk=5 MPa時(shí)，按嵌巖樁計(jì)算的樁的總抗力[Ra]比按摩擦樁計(jì)算的樁的總抗力[Ra]要大，同時(shí)來(lái)自樁端的阻力要比樁周側(cè)阻力顯著一些。

（2）當(dāng)樁端持力層單軸飽和抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk=4 MPa時(shí)，按嵌巖樁計(jì)算的樁的總抗力[Ra]比按摩擦樁計(jì)算的樁的總抗力[Ra]要小，同時(shí)來(lái)自樁周側(cè)阻力要比樁端阻力顯著一些。

表2 單軸飽和抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk=5 MPa，[fa0]=600 kPa，基樁計(jì)算對(duì)比表

表3 單軸飽和抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk=4 MPa，[fa0]=600 kPa，基樁計(jì)算對(duì)比表

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)樁端持力層單軸飽和抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk≥5 MPa時(shí)，來(lái)自樁端的阻力要比樁側(cè)阻力顯著一些，基樁按嵌巖樁計(jì)算更合理些。

（2）當(dāng)樁端持力層單軸飽和抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk≤4 MPa時(shí)，來(lái)自樁側(cè)的阻力有時(shí)要比樁端阻力顯著一些，基樁按摩擦樁計(jì)算更合理些。

（3）上覆土層的性質(zhì)和厚度，決定了樁周土側(cè)阻力發(fā)揮作用的程度：若樁側(cè)阻力占全部樁的總抗力[Ra]的占比較大，宜按摩擦樁進(jìn)行計(jì)算；若樁側(cè)阻力占全部樁的總抗力[Ra]的占比較小，宜按嵌巖樁進(jìn)行計(jì)算。