南寧樞紐第三系極軟巖摩擦樁地質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)研究

周關(guān)學(xué)，張廣澤，付開隆

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)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(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法。其主要原理為：將特制的荷載箱提前預(yù)埋在預(yù)估的樁身平衡點(diǎn)位置。將加載設(shè)備與鋼筋籠連接后安裝在樁身平衡點(diǎn)位置，并將高壓油管和位移絲一起引到地面。試驗(yàn)時(shí)，從樁頂通過輸壓管對(duì)荷載箱內(nèi)腔施加壓力，荷載箱向上頂上段樁身的同時(shí)，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(diào)動(dòng)樁周土的摩阻力與端阻力，直至破壞。將樁側(cè)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(yàn)裝置見圖1。

圖1 驗(yàn)裝置示意

從目前工程界大量的應(yīng)用情況來看，該方法具有較高的可靠性及應(yīng)用價(jià)值[2-8]。對(duì)于第三系軟弱地層，由于樁端阻力和側(cè)摩阻力較小，則需特別關(guān)注，該地層實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)較少，因此亟需對(duì)其開展相關(guān)的研究，積累這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)資料[1]。本文依托柳南客專引入南寧樞紐工程項(xiàng)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(yīng)用技術(shù)，檢測(cè)試驗(yàn)樁基承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求，研究第三系極軟巖地層摩擦樁的樁端阻值、側(cè)摩阻值等。

1 工程概況

柳南客專全長225.78 km，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，北起廣西壯族自治區(qū)工業(yè)重鎮(zhèn)柳州市，向南行經(jīng)來賓市，終到自治區(qū)首府南寧市。柳南客運(yùn)專線的建成，將極大地提高湘桂鐵路客貨運(yùn)輸能力和質(zhì)量，對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)西部大開發(fā)，縮小東西部區(qū)域經(jīng)濟(jì)差距，帶動(dòng)沿線旅游事業(yè)發(fā)展，加快加強(qiáng)國防建設(shè)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(jì)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(zhì)特征

南寧樞紐位于南寧向斜的斷陷盆地內(nèi)，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(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥頁巖夾煤層，泥巖、砂質(zhì)泥巖的蒙脫石含量高，中至強(qiáng)膨脹(巖)土，為半成巖地層，巖質(zhì)極軟弱，風(fēng)化層厚，力學(xué)指標(biāo)低，工程場(chǎng)地地基層力學(xué)指標(biāo)為：第三系全風(fēng)化層(W4)樁周極限摩阻力fi=50～55kPa，強(qiáng)風(fēng)化層(W3)樁周極限摩阻力fi=70～85 kPa，弱風(fēng)化層(W2)天然單軸極限抗壓強(qiáng)度Rb=4MPa。本樞紐橋梁樁基設(shè)計(jì)為摩擦樁基礎(chǔ)，本次研究選擇5座橋中的18根摩擦樁作為現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)，試樁地質(zhì)概況詳見表1。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)研究選用自平衡試樁法測(cè)定第三系極軟巖地層摩擦樁的樁端阻值、側(cè)摩阻值。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究如下。

3.1 Q-S曲線圖

通過提前預(yù)埋的位移桿，可以測(cè)得荷載箱加載的每一級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)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(hào)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(hào)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(jīng)計(jì)算，繪制沙江大橋1號(hào)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(hào)樁等效Q-S曲線

3.3 樁軸力計(jì)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(jí)荷載作用下樁身某截面的軸向力(kN)；Qsi為鋼筋應(yīng)力計(jì)在某級(jí)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(jí)荷載作用下，截面樁身軸向力PZ與該截面鋼筋應(yīng)力計(jì)所受壓力Qsi存在正比關(guān)系。在建立試樁標(biāo)定截面處的QZ～Qsi相關(guān)方程后，各量測(cè)截面的樁身軸向力QZ值便可由相應(yīng)的相關(guān)方程求得。

經(jīng)計(jì)算，沙江大橋1號(hào)樁第三系極軟巖地層強(qiáng)風(fēng)化層(W3)樁端承載力試驗(yàn)推算值為793 kN，繪制沙江大橋1號(hào)樁樁身軸力圖，樁身軸力圖見圖4。

圖4 沙江大橋1號(hào)樁樁身軸力

3.4 樁側(cè)摩阻力計(jì)算

各層樁側(cè)摩阻力qs可根據(jù)下式求得：

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

經(jīng)計(jì)算，沙江大橋1號(hào)樁第三系極軟巖地層全風(fēng)化層(W4)極限側(cè)摩阻力試驗(yàn)值為74 kpa ；強(qiáng)風(fēng)化(W3) 極限側(cè)摩阻力試驗(yàn)值為88 kpa，該地層殘積層粉質(zhì)黏土極限側(cè)摩阻力試驗(yàn)值為47 kpa。繪制沙江大橋1號(hào)樁樁身側(cè)摩阻力圖，樁身側(cè)摩阻力圖見圖5。

圖5 沙江大橋1號(hào)樁樁身側(cè)摩阻力

4 試驗(yàn)研究結(jié)果

該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行了自平衡試樁試驗(yàn)研究，測(cè)定第三系極軟巖地層摩擦樁的樁端阻值、側(cè)摩阻值，其各試驗(yàn)樁側(cè)摩阻力及樁端阻值見匯總表2。

5 結(jié)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，得到第三系極軟巖地層摩擦樁地質(zhì)參數(shù)結(jié)論：

(1)第三系極軟巖地層全風(fēng)化層(W4)極限側(cè)摩阻力試驗(yàn)值平均值為71 kpa ；強(qiáng)風(fēng)化(W3) 為89 kpa，弱風(fēng)化(W2) 為132 kpa，該地層殘積層粉質(zhì)黏土試驗(yàn)值平均值為54 kpa。

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

表2 實(shí)測(cè)樁側(cè)摩阻力及樁端承載力阻值匯總