珊瑚礁灰巖鉆孔灌注樁承載特性試驗研究*

夏玉云,楊志剛,喬建偉,鄭建國,柳 旻,唐國藝

(1.機械工業勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710043;2.自然資源部陜西西安地裂縫與地面沉降野外科學觀測研究站,陜西 西安 710054;3.陜西省特殊巖土性質與處理重點實驗室,陜西 西安 710043;4.中工國際工程股份有限公司,北京 100080)

0 引 言

珊瑚礁是造礁石珊瑚死亡后遺骸經過漫長的地質沉積作用、生物破壞、海洋動力等共同作用形成的特殊巖土體,包括上部松散的珊瑚砂和下部膠結程度較好的礁灰巖,廣泛分布在南緯30°與北緯30°之間的熱帶海洋區域,尤以東南亞地區最為典型和發育［1-4］。礁灰巖是珊瑚島礁的主體部分,其碳酸鈣(CaCO3)含量高達96%以上,因此將其稱為礁灰巖［5-8］。由于礁灰巖獨特的成因環境、物質組成和結構特征,使其具有不同于一般陸相沉積巖石的物理力學特性和工程地質特性［9-10］。

與鈣質土相比,目前礁灰巖物理力學特性和工程地質特性的研究尚處于起步探索階段。國內外學者對其物理力學特征的研究主要集中在礦物成分、微觀結構、孔隙率、密度、含水率、滲透系數、波速特性、單軸抗壓強度、應力應變特征等［11-16］;對其工程性質特性的研究集中在天然地基承載力［17-18］,但對礁灰巖樁基承載特性的應用研究還較少。部分學者開展了一些礁灰巖地區的現場試樁試驗,劉軍科［19］通過原位靜載試驗和數值模擬,得出珊瑚礁灌注樁側摩阻力可達275kPa;肖向陽等［20］根據試樁試驗測定樁基的極限側阻力,結果表明礁灰巖樁基可達到的實測最大側阻力比地質勘探所提供結果大 5～7 倍;盧超健等［21］對礁灰巖地層樁的側摩阻力進行測試,結果表明礁灰巖樁側殘余摩阻力較高,平均為1 091.2kPa。由于現場試樁成本高、操作較復雜,劉海峰等［22］開展了不同結構礁灰巖鑲嵌樁的模型試驗,分別研究礁灰巖層圍壓和強度對樁側摩阻力的影響規律,估算了不同礁灰巖嵌巖樁的極限側摩阻力標準值。綜上,盡管一些學者對礁灰巖地區樁基承載特性開展了一定研究,但針對不同施工工藝下鉆孔灌注樁承載特性的研究還較少,現有研究成果還很難指導礁灰巖地區的樁基施工。鑒于此,本文結合印度尼西亞某電站項目,通過沖擊鉆孔灌注樁和旋挖鉆孔灌注樁的現場靜載試驗,并埋設鋼筋應力計,對比分析了沖擊鉆孔灌注樁和旋挖鉆孔灌注樁的承載特性,研究結果對珊瑚礁灰巖地區樁基工程具有一定的指導和借鑒意義。

1 試驗場地地層特征

試驗場地位于印度尼西亞爪哇島,鉆探揭示試驗場地深度50m以內地層可劃分4層(見圖1),分別為①黏土層、②灰泥混珊瑚礁碎塊、③塊狀礁灰巖、④柱狀礁灰巖,各地層基本特征如表1所示。從表1可知,②灰泥混珊瑚礁碎塊和③塊狀礁灰巖的最小標貫擊數分別為3擊和1擊,表明其局部可能存在孔洞或洞穴。②灰泥混珊瑚礁碎塊的標貫擊數變化范圍為3～64擊,剪切波速變化范圍為238～652m/s;③塊狀礁灰巖的標貫擊數變化范圍為1～65擊,剪切波速變化范圍為611～908m/s;④柱狀礁灰巖的標貫擊數變化范圍為4～300擊,剪切波速變化范圍為764～955m/s。因此,試驗場地下伏礁灰巖(②,③,④層)標貫擊數和剪切波速的變化范圍較大,表明試驗場地礁灰巖的密實程度和軟硬程度差別較大。

表1 試驗場地地層基本特征Table 1 Basic characteristics of stratum in test site

圖1 試驗場地地層柱狀圖Fig.1 Strata histogram of the test site

2 試驗方案

2.1 試驗樁布置

試驗場地布設6根試驗鉆孔灌注樁和16根錨樁,其中沖擊鉆機成孔3根,編號為A1,A2,A3;旋挖鉆機成孔3根,編號為B1,B2,B3;沖擊鉆機成孔,采用泥漿泵導入泥漿正循環式清孔,導管水下混凝土灌注工藝,泥漿為現場沖擊自動造漿;旋挖鉆機鉆進過程中不需要泥漿護壁,每根試驗樁施工過程中記錄灌漿量。試樁樁長31.5m,樁頂與地面持平,樁徑800mm(見圖1),試樁樁身混凝土強度等級為C35,主筋采用12φ19。每根試樁周圍布設4根錨樁,按JGJ106—2014《建筑基樁檢測技術規范》,錨樁與試樁的間距設置為3.2m,如圖2所示。

圖2 試樁與錨樁平面布置Fig.2 Plan layout of test pile and anchor pile

2.2 單樁豎向抗壓靜載試驗

試驗采用慢速維持荷載法,沖擊鉆孔灌注樁試驗每級荷載增量500kN,首級加載為1 000kN,每級沉降穩定后施加下一級荷載。旋挖鉆孔灌注樁試驗每級荷載增量1 400kN,首級加載2 800kN,加載至11 200kN時,每級荷載增量減為700kN,每級沉降穩定后施加下一級荷載。每組試驗均加載至單樁破壞或無法施加下一級荷載,則試驗結束并分級卸載,卸載時,測試每級荷載下樁頂的殘余沉降量。在樁頂下布設4根位移傳感器測試樁頂豎向位移,在4根錨樁上各安裝1個位移傳感器以測試錨樁上拔量。

試驗采用錨樁橫梁反力裝置,由主梁、次梁、鋼帽、錨樁和焊接鋼筋井字架組成。加載裝置由油壓千斤頂、油管、油泵和自動加載儀組成。試驗加載方法、加載穩定判定標準和終止加載條件嚴格按《建筑基樁檢測技術規范》執行。

2.3 樁身應力測試

樁身應力測試采用鋼筋應力計法,應力測試采用GJ-16型鋼筋應力計,通過量測荷載作用下按地層埋設并焊接在鋼筋籠主筋上的鋼筋計的頻率,依據提前建立的頻率與應力的關系,計算鋼筋應力,再將鋼筋應力通過計算換算為混凝土樁截面的軸力。沖擊鉆孔灌注樁分別在樁頂以下1,6,11,19,30.5m處布設鋼筋應力計,旋挖鉆孔灌注樁在樁頂以下間隔3m布設鋼筋應力計,每根樁布設10個。試驗過程中,鋼筋應力計測試與靜載試驗同步進行,靜載試驗加荷前測試鋼筋應力計初始讀數,每級荷載加荷后及樁頂沉降相對穩定后分別測試鋼筋應力計讀數。

按式(1)根據鋼筋應力計算樁身軸向力：

(1)

式中：Ni為樁身第i斷面處軸力(kN);σi為第i斷面處鋼筋應力(kPa);Es為鋼筋的變形模量(GPa);Ei為第i斷面處樁身綜合變形模量(GPa);Ai為第i斷面處樁的截面積(m2)。

根據樁身軸力分布曲線,按式(2)和式(3)分別計算樁側摩阻力qsi和端阻力qp：

(2)

(3)

式中：qsi為樁側摩阻力(kPa);qp為樁端阻力(kPa);u為樁身周長(m);Nn為樁端的軸力(kN);li為第i斷面與第i+1斷面之間的樁長(m);Ap為樁端面積(m2);i=1,2,……,n,并自樁頂以下從小到大排列。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗樁的施工周期和充盈系數

試驗期間統計沖擊成孔的施工時間約為4d,而旋挖成孔的施工時間約為4h,因此旋挖成孔的施工效率約為沖擊成孔施工效率的24倍。統計沖擊鉆孔灌注樁和旋挖鉆孔灌注樁的充盈系數如表2所示。從表2可知,沖擊鉆孔灌注樁充盈系數分布范圍為1.26～1.45,平均值為1.37;旋挖鉆孔灌注樁充盈系數分布范圍為1.17～1.42,平均值為1.26;因此,相同樁長和樁徑情況下,沖擊鉆孔灌注樁的灌漿量約為旋挖鉆孔灌注樁的1.09倍。

表2 試樁充盈系數統計Table 2 Fullness coefficient of test piles

3.2 單樁豎向承載力

3.2.1沖擊鉆孔灌注樁

抗壓靜載試驗的3根試樁均因試驗過程中錨樁上拔量過大,不宜繼續加壓而終止試驗。繪制3根沖擊鉆孔灌注樁靜載試驗Q-s曲線如圖3所示。由圖3可知,3根試樁Q-s曲線均為緩變型曲線,A1試樁加載至破壞,豎向抗壓極限承載力為5 000kN,對應的沉降量為34mm;A2試樁和A3試樁均未出現明顯破壞點,取沉降量40mm對應的荷載為豎向抗壓極限承載力,分別為4 958kN和4 524kN。因此,單樁豎向極限承載力平均值為4 827kN,極差為476kN,小于平均值的30%,取沖擊鉆孔灌注樁豎向極限承載力為4 827kN,單樁豎向承載力特征值為2 414kN;3根試樁極限承載力對應的沉降量平均值為38mm。

圖3 沖擊鉆孔灌注樁靜載試驗Q-s曲線Fig.3 Static load test Q-s curve of impact drilling filling pile

此外,3根試樁樁頂最大沉降量均大于40mm,且最大回彈量基本相同。A1試樁最大沉降量為52.34mm,最大回彈量為11.59mm,回彈率為16.1%;A2試樁最大沉降量為40.83mm,最大回彈量為11.50mm,回彈率為28.2%;A3試樁最大沉降量為50.95mm;最大回彈量為12.48mm,回彈率為24.5%。因此,3根試樁的回彈率均較小,表明樁土體系已大大超出彈性工作范圍。

3.2.2旋挖鉆孔灌注樁

繪制3根旋挖鉆孔灌注樁靜載試驗Q-s曲線如圖4所示。由圖4可知,3根試樁Q-s曲線均為緩變型曲線,未出現明顯的陡降段,表明試樁均未破壞。由于現場試驗條件所限和錨筋拉斷,3根試樁最大加載量分別為14 000,14 000,13 300kN,對應的最終沉降量分別為17.65,13.89,12.88mm,取3根試樁豎向極限承載力分別為14 000,14 000kN和13 300kN,平均值為13 766kN,極差為700kN,小于平均值的30%,抗壓極限承載力對應的沉降量平均值為14.81mm。因此取旋挖鉆孔灌注樁單樁豎向極限承載力為13 766kN,單樁豎向承載力特征值為6 883kN。

圖4 旋挖鉆孔灌注樁靜載試驗Q-s曲線Fig.4 Static load test Q-s curve of rotary excavation bored pile

此外,B1試樁的最大沉降量為17.65mm,最大回彈量為13.80mm,回彈率為78.2%;B2試樁的最大沉降量為13.89mm,最大回彈量為9.80mm,回彈率為70.6%;B3試樁的最大沉降量為12.88mm,最大回彈量為9.27mm,回彈率為72.0%。因此,3根試樁回彈率較大,均大于70%,表明試樁剛超出彈性工作范圍,進一步證明樁土未進入破壞階段。

3.3 樁身軸力特征與側摩阻力分析

3.3.1沖擊鉆孔灌注樁

繪制試樁在不同荷載下樁身軸力隨深度分布曲線如圖5所示。從圖5可知,各試樁樁端阻力隨樁頂荷載增加而增加,極限荷載下,3根試樁(A1,A2,A3)對應的樁端阻力分別為3 141,2 818kN和2 396kN,所占承載力的比例分別為62.8%,53.0%和56.8%,均大于50%,表現為摩擦端承樁。

圖5 沖擊鉆孔灌注樁樁身軸力隨深度變化曲線Fig.5 Curve of axial force variation with depth of impact drilling filling pile

根據軸力計算②灰泥混珊瑚礁碎塊和③塊狀礁灰巖的極限側摩阻力,結果如表3所示。從表3可知,②灰泥混珊瑚礁碎塊極限側摩阻力變化范圍為27.9～38.5kPa,平均值為32.8kPa,方差為4.4kPa,變異系數為0.133;③塊狀礁灰巖極限側摩阻力變化范圍為24.5～61.3kPa,平均值為39.3kPa,方差為15.9kPa,變異系數為0.404。此外,考慮到樁周地層主要為②灰泥混珊瑚礁碎塊和③塊狀礁灰巖,根據樁端極限承載力,計算3根試樁全樁長平均極限側摩阻力分別為24.3,32.2kPa和28.0kPa,平均值為28.2kPa。

表3 沖擊鉆孔灌注樁側摩阻力計算Table 3 Skin friction of impact drilling filling pile

3.3.2旋挖鉆孔灌注樁

繪制試樁不同荷載下樁身軸力隨深度分布曲線如圖6所示。從圖6可知,樁身軸力曲線大致呈線性分布,樁身軸力隨深度增加而線性減小,表現出摩擦樁特征,當樁頂荷載較小時,僅基樁上部產生軸向壓縮使樁土產生相對位移,進而產生樁側摩阻力,隨荷載增加,豎向荷載克服側摩阻力沿樁身向下傳遞。最大加壓荷載下,樁身24m處軸力基本降為0,表明該深度以下樁側摩阻力和樁端阻力均未發揮,進一步說明試樁未達到破壞狀態。

圖6 旋挖鉆孔灌注樁樁身軸力隨深度變化曲線Fig.6 Curve of axial force variation with depth of rotary excavation bored pile

根據軸力計算②灰泥混珊瑚礁碎塊和③塊狀礁灰巖的極限側摩阻力,結果如表4所示。從表4可知,②灰泥混珊瑚礁碎塊極限側摩阻力變化范圍為200.5～335.6kPa,平均值為220.5kPa,方差為14.8kPa,變異系數為0.067;③塊狀礁灰巖極限側摩阻力變化范圍為292.7～327.6kPa,平均值為307.3kPa,方差為14.8kPa,變異系數為0.048。此外,考慮到樁周地層主要為②灰泥混珊瑚礁碎塊和③塊狀礁灰巖,計算3根試樁21m深度內的平均極限側摩阻力分別為233.8,228.9kPa和216.8kPa,平均值為226.5kPa。

表4 沖擊鉆孔灌注樁側摩阻力計算Table 4 Skin friction of rotary excavation bored pile

3.4 沖擊鉆孔與旋挖鉆孔灌注樁對比分析

統計相同樁長、樁徑下沖擊鉆孔灌注樁與旋挖鉆孔灌注樁承載特性,結果如表5所示。從表5可知,旋挖鉆孔灌注樁抗壓極限承載力和抗壓承載力特征值均是沖擊鉆孔灌注樁的2.85倍,而對應的樁頂沉降量,旋挖鉆孔灌注樁僅為沖擊鉆孔灌注樁的0.39倍。旋挖鉆孔灌注樁在②灰泥混珊瑚礁碎塊、③塊狀礁灰巖以及全樁長范圍內的極限側摩阻力分別是沖擊鉆孔灌注樁的6.72倍、7.82倍和8.03倍。

表5 沖擊鉆孔與旋挖鉆孔灌注樁承載特性對比Table 5 Bearing characteristics comparision of impact drilling filling pile and rotary excavation bored pile

綜上,旋挖鉆孔灌注樁的施工周期和充盈系數均小于沖擊鉆孔灌注樁,但旋挖鉆孔灌注樁的承載特性均優于沖擊鉆孔灌注樁。現場開挖沖擊鉆孔灌注樁發現樁周存在較厚泥皮,厚度一般為5～10mm,因此可以推測沖擊鉆孔灌注樁承載特性低于旋挖鉆孔灌注樁的原因主要是沖擊成孔過程中在孔周產生了過厚的泥皮,其大大降低了樁周地層的側摩阻力,從而使樁基抗壓承載力降低,樁頂沉降量增加。

4 結語

本文通過現場靜載試驗,研究了珊瑚礁灰巖地區沖擊鉆孔灌注樁和旋挖鉆孔灌注樁的承載特性,得到以下結論。

1)沖擊鉆孔灌注樁的成孔時間約為4d,充盈系數為1.37;旋挖鉆孔灌注樁的成孔時間約為4h,充盈系數約為1.26;樁長、樁徑相同時,沖擊鉆孔灌注樁的施工時間和充盈系數分別是旋挖鉆孔灌注樁的24倍和1.09倍。

2)沖擊鉆孔灌注樁樁端阻力隨樁頂荷載增加而增加,表現為摩擦端承樁特性;旋挖鉆孔灌注樁樁身軸力隨荷載增加逐漸向下傳遞,表現為摩擦樁特性。

3)旋挖鉆孔灌注樁的承載特性明顯優于沖擊鉆孔灌注樁,其極限抗壓承載力、單樁抗壓承載力特征值是沖擊鉆孔灌注樁的2.85倍,其樁長范圍內極限側摩阻力平均值是沖擊鉆孔灌注樁的8.03倍。

4)造成沖擊鉆孔灌注樁承載特性較差的原因是沖擊成孔過程中在孔周形成了較厚泥皮,其大大降低了樁周地層的側摩阻力。