基于凝灰巖抗壓強度的高架道路嵌巖樁設計與施工

張延風

上海市民防地基勘察院有限公司，上海市，200234

隨著我國經濟社會的快速發展，城市中各類車輛的保有量日漸增多。交通擁擠逐漸成為制約城市發展的重要因素。在一些經濟發展較快的城市中，城市路網的完善就成為城市建設的重中之重。其中，高架道路的建設也就應運而生。目前，在城市高架道路的實際建設中，有一部分是依托現有道路的改造，打造立體交通網。因此，在進行工程地質勘察中，往往采用的是公路規范、地方性的勘察規范和對應的國家標準或規范。但在實際工作中，往往會出現當前規范中不夠明確的一些問題。如在軟巖分布區嵌巖樁的設計勘察中，如何確定巖石單軸抗壓強度(frk)值，且利用該值對橋墩(臺)嵌巖樁設計進行指導，就是常見的高架道路工程地質問題之一。

在軟巖區嵌巖樁的設計中，巖石單軸抗壓強度(frk)是一項重要的力學參數，也是前期工程地質勘察的主要任務。該值的大小將直接影響樁基的類型、樁徑、樁長及配筋等，為嵌巖樁的設計提供依據和參考。本文以紹興市快速路改造工程為例，通過對凝灰巖的采樣、測試，對單軸抗壓強度值的統計、分析，結合公路規范和樁基規范計算了嵌巖樁的軸向承載力和豎向承載力，分析了其影響因素，為嵌巖樁設計提供工程案例和理論支撐。

1 工程概況

研究工程為紹興市二環西路智慧快速路改造工程的一部分，地處紹興市中心城區的越城區，主線快速路采用“高架主線+地面輔道”的建設形式，高架段采用雙向6車道規模；地面輔道建設標準為城市主干路。高架段基礎形式采用樁基，樁徑尺寸為1.50～1.80 m，單樁承載力為15 000 kN。

紹興二環西路位于紹興市越城區西南，與柯橋區相鄰。前期，不少學者針對紹興和柯橋區區域地質背景和工程地質特征開展系列研究[1-2]。為方便開展高架工程勘察及后期工程設計，項目同時收集整理了該區域的有關勘察和施工等原始資料，以期對本工程所在區域地質條件和工程概況有更為系統和深入的了解。

資料顯示[3-4]，紹興市柯橋區區域構造上屬錢塘江臺褶帶東端與浙東南褶皺帶交接區，近場地區斷裂構造有北東向的江山—紹興斷裂、常山—漓渚斷裂，北西向的孝豐—三門灣斷裂和近東西向的昌化—普陀斷裂。這些斷裂構造均在工程區外圍通過，且斷裂活動規模較小，未影響到上部土層。區域地質資料顯示[5]，場地區內未發現第四紀斷層，因而本工程區域屬相對穩定地帶。

工程場地在地貌上屬蕭紹濱海相沉積平原地貌單元，緊鄰紹興地區南部的低山丘陵區。上部為新近紀堆積的填土、湖沼相沉積的粘性土層和海相沉積的淤泥質軟土層，中、下部為沖積相、河湖相沉積的粘土層及砂層，下伏基巖為白堊系下統殼山組(K1k)凝灰巖，因此凝灰巖的巖石學特征及力學屬性也是工程勘察的重點任務之一。

2 巖石特征

2.1 凝灰巖的特性

研究表明[6-7]，該區域凝灰巖為酸性或中酸性巖漿形成，其巖石特征屬于火山碎屑巖和熔巖兩種巖石的過渡類型，略偏于火山碎屑巖中的凝灰巖類型。巖石主要形成過程為火山爆發，又兼有火山噴溢作用。因此，該區域巖石是具有“爆溢”(爆發-噴溢)成因特征的中間性巖石，屬噴出巖。正是由于該區域凝灰巖成因的復雜性，使得本區域的凝灰巖在礦物成分、結構構造、顆粒含量等方面差異性較大。這種巖石的組分及結構特征導致巖石的力學性質也有明顯差異，其中巖石的抗壓強度影響明顯，在數值上相差3～5倍，有時甚至更大。

受地質條件及形成過程影響，該區凝灰巖巖石學特征空間分布差異性大，且受區域空間延展范圍影響明顯。因此，同一巖層空間展布區域大，不同點位巖層單軸抗壓強度值也不相同。線型工程以橫跨不同地貌為主要特征，其工程地質勘察時對同一巖層的單軸抗壓強度要求較高。因此，該區高架道路工程在不同墩臺區，其巖層單軸抗壓強度存在區域差異性，對后期設計影響較大。

2.2 野外取樣

研究表明，室內試驗是確定建筑材料和地基基礎應力強度的重要手段[8]。為系統調查凝灰巖力學特征及空間分布規律，根據相關規定進行巖芯樣品采集，并測試其單軸抗壓強度。巖石的單軸抗壓強度除了與巖石的結構構造、礦物成分、膠結類型、風化程度、裂隙分布以及濕度等內部因素密不可分之外，還與外業取樣方法、封存以及試驗條件等外因有關。因此，為保證巖石單軸抗壓強度測試具有原位性，在樣品采集時，其勘探孔布置及取樣深度均按照規范要求施行。

對于勘探點布置，行業規范有明文規定。具體見《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011)第6.11.3條規定[9]。規定中明確指出，對于工程地質條件較為簡單的區域，每個橋位墩(臺)設計1個鉆孔能夠滿足要求；工程地質條件較為復雜的區域，每個橋位墩(臺)設計鉆孔應多于1個。《城市軌道交通巖土工程勘察規范》 (GB 50307-2012)第7.4.3條也指出[10]，如工程項目對控制變形要求高，高架區間勘探點應逐墩布設。因此，在工程實踐中，往往采取“一墩一孔”的鉆孔布設方案，本次研究按照這種方案執行。

勘探孔深度要求一般可參考《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011)第5.11.4條規定[9]，極軟巖、軟巖或較軟巖，鉆入微風化基巖內不宜少于5 m。在勘察規范中沒有規定勘探孔巖樣的取樣位置，但《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106-2014)第7.4.2條[11]，在談到基樁承載力的驗算時明確指出，樁端持力層為中-微風化巖層，且取出巖芯可以制成試件，應在近樁底部位一米范圍內進行巖芯取樣；如遇分層巖性時，應在各分層巖面分別取樣。在勘察時，可參照這個要求，在進入中風化或微風化后3～5 m范圍內取樣。研究區凝灰巖屬于軟質巖石類型，按照上述規范，在樁底1 m范圍內進行巖芯取樣，具體樣品可見圖1。取樣后，根據《建筑工程地質勘探與取樣規程》(JGJ T 87-2012)規定[12]，采用紗布條蠟封或黏膠帶立即密封，保證樣品的原位性，進行室內試驗。

圖1 研究區勘探孔巖芯樣品

《高層建筑巖土工程勘察標準》(JTG T72-2017)第8.1.12條規定[13]，在對巖樣進行單軸極限抗壓強度測試時，如巖樣為軟質巖，可直接保持天然濕度進行上機測試，無需經過飽和處理。根據上述規范和當地工程經驗，在本工程實例中，對凝灰巖的單軸極限抗壓強度進行測量時，亦采用天然濕度試樣。

2.3 測試結果

室內對天然凝灰巖試樣進行單軸抗壓強度測試，具體結果見表1。根據相關勘察規范(JTGC20-2011)規定[9]，在對巖石的單軸抗壓強度進行分析時，要利用多個試件數據的標準值。其標準值是由平均值、標準差、變異系數和修正系數來進行計算得出。具體見公式：frk =ψ·frm。對于數據計算過程及后期數據處理時，要求變異系數不大于0.3，修正系數大于0.75，根據這種規范對于一些異常數據進行剔除，然后最終確定該橋梁的標準值作為設計值，具體測試數據及異常值剔除情況如表1。

由表1可見，共測試試件單軸抗壓強度22個，剔除不符合數據4個，有效統計數據個數為18個。其中，單軸抗壓強度最大值為38.55 MPa，最小值為15.61 MPa，平均值為26.78 MPa，標準值為23.76 MPa。其變異系數為0.271，小于0.3，修正系數為0.887，大于0.75，符合規范要求。

表1 勘探點單軸抗壓強度一覽表

3 單軸抗壓強度的應用

在實際工程地質勘察中，巖石的單軸抗壓強度主要用于計算樁基承載力。同樣地，目前在城市高架道路嵌巖樁的承載力計算中，也多依據這種方法進行。本研究依據上述凝灰巖樣品單軸抗壓強度數據，分別基于公路規范和樁基規范計算了樁基承載力。

3.1 公路規范

在高架道路工程橋墩嵌巖樁承載力計算時，往往依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》進行[14]。規范中明確指出，對于嵌入在或支撐在基巖中的鉆孔、沉樁，其軸向受壓承載力特征值可以按照公式(1)來計算：

(1)

式中，frk為樁端巖石的飽和單軸抗壓強度標準值；frki為第i層frk值；hi為樁嵌入各個巖層的厚度；m為巖層的層數，在巖層層數計算時不含全風化層、強風化層；n為土的層數；ζs為覆蓋層土的側阻力系數。

3.2 樁基規范

樁基規范中對于單樁豎向極限承載力的計算也有明確規定[11]。對于高架等道路工程中樁身在較完整基巖巖層中的嵌巖樁，其單樁豎向極限承載力受樁周圍土和嵌巖段的力學特征影響。具體來看，可按照公式(2)-(4)來進行計算。

Quk=Qsk+Qrk

(2)

Qsk=u∑qsikli

(3)

Qrk=ζrfrkAp

(4)

式中，Quk代表圍土的總極限側阻力；Qsk、Qrk分別是土層段和嵌巖段總極限端阻力；Quk和Qrk均用標準值表示；qsik代表樁周第i層土的極限側阻力；frk為巖層的飽和單軸抗壓強度標準值；ζr為樁嵌巖段側阻和端阻綜合系數值。

從計算方法上不難看出，兩種規范均是由樁周土層總側阻力、嵌巖段總側阻力和總端阻力三部分組成。一般來說，樁端的端阻力計算值比較大，受單軸抗壓強度影響較大。在上述兩種規范中，該值應采用標準值。但在規范中，并未明確指出兩種規范在實際工程中使用的范圍和條件。因此，在實際使用中，往往會出現一些偏差，比如上表中部分鉆孔標準值和實測值對應的單樁承載力相距就比較大，詳見表2。

表2 部分鉆孔單樁豎向承載力計算表

3.3 實際應用

由上述案例可見，研究區凝灰巖單軸抗壓強度實測值波動范圍較大。而試件單軸抗壓強度的實測值波動較大時，使用單軸抗壓強度的標準值來進行計算，會導致部分鉆孔計算結果偏大，無法滿足實際要求。

造成這種現象的原因還是由于凝灰巖成巖作用過程中諸多因素、地層空間延展及地形地貌特征。此外，高架道路為典型的線狀構筑物，場地內部的水平高程差異也加劇了巖性的波動范圍。因此，即便在進行地質勘察時，布孔和取樣過程中嚴格按照規范要求操作，實際測量的巖石單軸抗壓強度也具有明顯的離散性，為了準確反映實際情況，滿足設計要求，應進行適當調整，具體來看有以下解決辦法。

首先，針對單軸抗壓強度實測值小于標準值的鉆孔，尤其是在計算過程中，作為異常數據剔除的小值鉆孔，后期應進行驗算。如不滿足設計對豎向承載力的要求，應通過增加嵌巖深度等施工方法進行調整。在上述實例中，通過計算將嵌巖深度適當增加后，基本可滿足要求。

其次，在后期總結勘察數據和提出設計方案時，如發現巖石的單軸抗壓強度的測量值的離散性偏大，應當對多因素進行系統分析。尤其對地層的空間展布特征進行分析，看有無地層殲滅、透鏡體等特殊地質現象存在。然后根據地層資料、構造展布等特征，重新對地質分區進行合理的調整。

4 結 論

由于目前在工程勘察領域，沒有應用于高架橋梁的專門規范。因此，在諸如凝灰巖之類的較軟巖地區，針對巖層單軸抗壓強度的確定與應用等類似具體的工程問題，應當根據實際情況進行合理的分析。本次研究可見，簡單地利用巖芯試樣實測應力數據進行統計分析，通過平均值和標準差等統計方法計算的標準值，作為樁基設計的依據，會產生一些工程問題。因此，對于樁端持力層的單軸抗壓強度實際值小于標準值的樁，樁基設計長度不夠，存在安全系數較小等安全隱患。如在實際施工過程中忽略這些問題，會導致嵌巖樁等無法達到使用要求，最終影響高架橋梁的安全。而針對實測值小于標準值的樁，應進行重復驗算，使得每個墩臺的單樁承載力滿足設計要求，保障高架橋梁施工安全。