南寧樞紐第三系極軟巖摩擦樁地質參數試驗研究

周關學，張廣澤，付開隆

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

自平衡試樁法是接近于豎向抗壓(拔)樁的實際工作條件的試驗方法。其主要原理為：將特制的荷載箱提前預埋在預估的樁身平衡點位置。將加載設備與鋼筋籠連接后安裝在樁身平衡點位置，并將高壓油管和位移絲一起引到地面。試驗時，從樁頂通過輸壓管對荷載箱內腔施加壓力，荷載箱向上頂上段樁身的同時，向下壓下段樁身(或樁底)，使樁身上部和樁身下部摩阻力及端阻力互為反力。隨著荷載的增加，箱蓋與箱底被推開，從而調動樁周土的摩阻力與端阻力，直至破壞。將樁側土摩阻力與樁底土阻力迭加即可得到單樁抗壓承載力。試驗裝置見圖1。

圖1 驗裝置示意

從目前工程界大量的應用情況來看，該方法具有較高的可靠性及應用價值[2-8]。對于第三系軟弱地層，由于樁端阻力和側摩阻力較小，則需特別關注，該地層實測的數據較少，因此亟需對其開展相關的研究，積累這一關鍵數據資料[1]。本文依托柳南客專引入南寧樞紐工程項目，研究自平衡試樁法在南寧樞紐第三系極軟巖地層中的應用技術，檢測試驗樁基承載力是否滿足設計要求，研究第三系極軟巖地層摩擦樁的樁端阻值、側摩阻值等。

1 工程概況

柳南客專全長225.78 km，設計時速250 km，北起廣西壯族自治區工業重鎮柳州市，向南行經來賓市，終到自治區首府南寧市。柳南客運專線的建成，將極大地提高湘桂鐵路客貨運輸能力和質量，對進一步促進西部大開發，縮小東西部區域經濟差距，帶動沿線旅游事業發展，加快加強國防建設等具有十分重要的意義和作用。柳南客專引入南寧樞紐DK712+709～DK790+350段線路長度44.20 km，其中橋梁工程34座，總計長度17.2 km，該段為柳南客專與南廣鐵路四線并行工程。

2 工程地質特征

南寧樞紐位于南寧向斜的斷陷盆地內，地形較平坦，上覆土層較薄，基巖為第三系極軟巖地層，為上第三系(N)和下第三系(E)的一套碎屑巖系地層，主要巖性為泥質粉砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥頁巖夾煤層，泥巖、砂質泥巖的蒙脫石含量高，中至強膨脹(巖)土，為半成巖地層，巖質極軟弱，風化層厚，力學指標低，工程場地地基層力學指標為：第三系全風化層(W4)樁周極限摩阻力fi=50～55kPa，強風化層(W3)樁周極限摩阻力fi=70～85 kPa，弱風化層(W2)天然單軸極限抗壓強度Rb=4MPa。本樞紐橋梁樁基設計為摩擦樁基礎，本次研究選擇5座橋中的18根摩擦樁作為現場試樁試驗，試樁地質概況詳見表1。

3 現場試驗研究

該項目現場研究選用自平衡試樁法測定第三系極軟巖地層摩擦樁的樁端阻值、側摩阻值。現場試驗研究如下。

3.1 Q-S曲線圖

通過提前預埋的位移桿，可以測得荷載箱加載的每一級荷載所對應的上位移及下位移。得到向上、向下兩條荷載—位移曲線(Q-S曲線)。沙江大橋1號樁Q-S曲線見圖2。

表1 試樁概況及地層巖性

圖2 沙江大橋1號樁Q-S曲線

3.2 等效Q-S曲線圖

樁的承載力Q為總摩阻力Qs與總端阻力Qp之和，即Q=Qs+Qp

經計算，繪制沙江大橋1號樁等效Q-S曲線圖，等效Q-S曲線圖見圖3。

圖3 沙江大橋1號樁等效Q-S曲線

3.3 樁軸力計算

樁身軸向力QZ值由公式求得：

Qz=QsiEc·A/Es·As

(1)

式中：Qz為某級荷載作用下樁身某截面的軸向力(kN)；Qsi為鋼筋應力計在某級荷載作用下所受的壓力(kN)；Ec為基樁樁身材料彈性模量(kN/m2);A為基樁截面面積(m2);Es為鋼筋的彈性模量(kN/m2)；As為主筋截面積(m2)。

從式(1)中可以看出，每級荷載作用下，截面樁身軸向力PZ與該截面鋼筋應力計所受壓力Qsi存在正比關系。在建立試樁標定截面處的QZ～Qsi相關方程后，各量測截面的樁身軸向力QZ值便可由相應的相關方程求得。

經計算，沙江大橋1號樁第三系極軟巖地層強風化層(W3)樁端承載力試驗推算值為793 kN，繪制沙江大橋1號樁樁身軸力圖，樁身軸力圖見圖4。

圖4 沙江大橋1號樁樁身軸力

3.4 樁側摩阻力計算

各層樁側摩阻力qs可根據下式求得：

式中：qs為樁側各土層的摩阻力(kN/m2)；ΔQZ為樁身量測截面之間的軸向力QZ之差值(kN)；ΔF為樁身量測截面之間樁段的側表面積(m2)。

經計算，沙江大橋1號樁第三系極軟巖地層全風化層(W4)極限側摩阻力試驗值為74 kpa ；強風化(W3) 極限側摩阻力試驗值為88 kpa，該地層殘積層粉質黏土極限側摩阻力試驗值為47 kpa。繪制沙江大橋1號樁樁身側摩阻力圖，樁身側摩阻力圖見圖5。

圖5 沙江大橋1號樁樁身側摩阻力

4 試驗研究結果

該項目現場選擇粟村大橋6根、沙江大橋3根、上坡大橋3根、壇造大橋3根、潭滿綠大橋3根等5座橋的18根摩擦樁進行了自平衡試樁試驗研究，測定第三系極軟巖地層摩擦樁的樁端阻值、側摩阻值，其各試驗樁側摩阻力及樁端阻值見匯總表2。

5 結論

通過柳南客專引入南寧樞紐橋梁摩擦樁基選用自平衡試樁法現場試驗研究，得到第三系極軟巖地層摩擦樁地質參數結論：

(1)第三系極軟巖地層全風化層(W4)極限側摩阻力試驗值平均值為71 kpa ；強風化(W3) 為89 kpa，弱風化(W2) 為132 kpa，該地層殘積層粉質黏土試驗值平均值為54 kpa。

(2)第三系極軟巖地層強風化層(W3)樁端承載力試驗推算值平均值為747 kN；弱風化層(W2)樁端承載力試驗推算值平均值為1 438 kN。

表2 實測樁側摩阻力及樁端承載力阻值匯總