復雜軟巖地質樁基礎承載特性研究

李希迪

摘要：軟巖地質在橋梁樁基礎工程中廣泛存在，其具有巖性復雜、夾層風化、承載能力差異大等特征，而現行規范中未明確復雜軟巖地質中的樁基承載能力計算方法。本文按以經驗參數法計算單樁豎向極限承載力的思路，結合工程實例對復雜軟巖地質樁基承載特性進行探究，并針對不同地質情況給出了相應樁基設計原則，對同類地質的橋梁樁基設計、施工具有指導意義。

關鍵詞：軟巖;樁基礎;承載特性;軟弱夾層

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.25.078

0引言

隨著橋梁結構跨度的增大，往往下部結構承擔的荷載較高，其基礎形式一般以中、微風化巖層作為持力層的嵌巖樁基礎方案。樁基礎通過樁的側面和端部接觸將荷載傳遞給樁周土體或深層巖層，因樁基具有很大的側向和豎向剛度，其承載性狀一般由樁周土（巖）體決定。對于某些特定復雜軟巖地質，可能出現巖層埋深較大、軟弱夾層交替出現、巖石裂隙極發育、巖石飽和單軸抗壓強度較低等現象。

若要滿足嵌巖樁基巖以下連續巖層厚度不小于3D和基巖單軸抗壓極限強度的規范、設計要求，且考慮到軟弱夾層、發育裂隙會削弱持力層端阻力的發揮，往往要大幅增加樁基長度或擴大樁基直徑以獲得足夠的承載力。綜合施工工期、經濟效益、結構安全等因素，必須對復雜軟巖地質樁基礎承載特性展開探究，從設計方面提出樁基礎安全合理的解決方案。

1軟巖的力學特征

軟巖一般是由固體相、液體相、氣體相組成的多相體，固體相是由大小不等、性狀不同的礦物顆粒以不同的排列方式組合構成軟巖的主要成分;在顆粒之間的空隙中存在液相的水溶液和氣體，三相相互作用的形態決定了軟巖的力學性質。

軟巖往往成巖時間短、成巖作用差、巖性變化大，其最大力學特征具有較強的遇水軟化性、膨脹性，同時具有脫水脆性破壞的特征。在荷載作用下表現出承載力低、變形大等工程特性，已有硬質巖石相關工程的設計規范不能直接應用于軟巖工程中。

軟巖巖芯易受擾動、應力狀態變化和試驗條件等因素影響，其單軸抗壓強度測試結果往往不具備代表性和實時性，不同規格的軟巖試樣對單軸抗壓強度的影響巨大。在勘察設計中必須根據巖芯風化度、完整度、堅硬度、尺寸進行強度折減。

以廣東省廣花平原具有代表性的軟巖地層下四三系地層為例，巖性主要以泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖為主，上覆發育沉積層較厚，基巖的埋深較深且風化程度差異較大，裂隙極發育，存在軟弱夾層。巖土物理力學性質室內試驗結果分析表明，中風化泥質粉砂巖層飽和單軸抗壓強度為2.8～7.4MPa，標準值為37MPa;微風化泥質粉砂巖層飽和單軸抗壓強度為45～155MPa，標準值為9.0MPa。根據強度值，強、中風化泥質粉砂巖應劃為極軟巖類。

2復雜軟巖地質樁基承載特征

根據樁基軸向荷載傳遞理論，樁基極限承載力為土（巖）體的極限抗力或樁體承受的極限荷載，對于軟巖地質，極限承載力一般由土（巖）層抗力決定。確定樁基承載能力的手段主要有以下幾種：（1）原位測試;（2）室內模型試驗;（3）數值分析;（4）經驗公式（規范）。其中原位測試是最直接、最權威的檢測方法，但受制于成本和現場條件較難實施;室內模型試驗和數值分析易受巖樣代表性和選取邊界條件影響無法精確推斷相應參數;規范的經驗公式也有適用性不全面等不足之處。

《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）認為單樁豎向極限承載力標準值Quk由總極限側阻力Qsk、總極限端阻力Qpk兩部分組成：

或發育裂隙的嵌巖樁，應以夾層的端阻力標準值計算豎向極限承載力，且須根據相關極軟巖基荷載試驗數據對《規范》的極限端阻力極值進行修正：按1500～3800kPa的上下限，以插值法計算天然單軸抗壓強度2.5～5.0MPa巖基對應的極限端阻力標準值。而對于軟巖地質樁基極限側阻力《規范》中未給出計算推薦值，需通過現場自平衡法載荷試驗或根據巖芯模型試驗確定。

3工程實例分析

某橋梁工程為雙向六車道高速公路主線橋，設計荷載為公路-I級，上部結構設計為雙肢墩大挑臂蓋梁，30米標準跨徑小箱梁，橋面全寬33米;基礎形式為對稱布置群樁和“工”字形整體式承臺。其樁基直徑為1.8m，單樁承載力特征值為21500kN，地質資料揭示微、中風化持力層下臥極軟強風化夾層，超前鉆孔芯樣如圖1所示，現擬探究該地質條件下滿足承載力要求的樁長。

。

若嵌巖樁按端承樁考慮，即不考慮樁側阻力發揮，巖層<3-4>單軸抗壓強度雖滿足持力層的要求，但其厚度小于3D且下臥軟弱夾層，須以巖層<4-4>作為持力層，按嵌巖1.5D計算，設計樁長為55.2m。

若嵌巖樁按摩擦端承樁考慮，巖層<3-4>層底累計極限摩阻力已大于承載力特征值，樁基極限端阻力取值為軟弱夾層<3-2>的極限端阻力3245.6kN，設計樁長為39.9m。

若按摩擦樁考慮，即不考慮樁端軟弱夾層的阻力發揮，設計樁長為42.86m。

由以上計算結果可知，在復雜軟巖地質條件下，對樁基采取不同的設計原則往往計算樁長差異較大。

4復雜軟巖地質樁基礎設計探討與施工建議

一般嵌巖樁受荷后，最先出現的是嵌巖段的側阻力，其次是端阻力，最后才是樁土摩阻力。對于軟巖樁基礎，持力層往往埋深較大，樁側阻力發揮了不可低估的作用，尤其是風化程度較高軟巖，其粘聚力和內摩擦角對承載力有顯著影響，甚至當深度超過某一臨界值時，樁端阻力趨于零，此時嵌巖樁已成為純粹的摩擦樁。考慮到樁端以下可能存在的極軟夾層或裂隙發育的影響，樁基礎必須根據地質情況合理確定軟巖樁側阻力、端阻力的分配比例，盡量讓側阻和端阻充分發揮作用，達到最大的經濟效益，建議原則如下：

（1）若樁端以下3D范圍不存在軟弱夾層或發育裂隙，可根據持力層埋深靈活選用端承樁或摩擦端承樁合理確定樁長。

（2）當樁端以下存在軟弱夾層但無法確定樁端承載條件或承載能力過低時，須按最不利情況考慮甚至不考慮樁端阻力作用發揮，宜按摩擦樁設計。

（3）當樁端以下存在確定承載能力的軟弱夾層時，應根據承載力特征值對各巖層累計側阻力和端阻力進行復核，以經濟性為原則按摩擦樁或摩擦端承樁設計。

軟巖巖性大多十分復雜，實際施工反映的地質情況可能會與地質鉆孔揭示地質不一致。圖2為微風化泥質粉砂巖層對應成孔渣樣，觀察渣樣較破碎，含泥量較高，輕掰即斷，曬干后由嚴重龜裂現象，與微風化巖描述不符。建議施工過程中要及時組織具備豐富地質經驗工程師對渣樣進行判斷，必要時在原位重新進行地質補探。

實際施工實踐證明，軟巖地質中采用旋挖鉆機鉆進速度較快，且能采用干鉆法減少泥漿排放，環保和經濟效益明顯，在工期緊張、作業面多等條件下具備可推廣性。

5結語

軟巖測試單軸抗壓強度往往不能客觀反映實際強度，尤其對軟弱夾層或裂隙發育層須通過現場原位試驗掌握其特性。因此對于復雜軟巖地質的樁基礎設計前須加強地質勘察，合理確定各土（巖）層的折減系數以及抗力參數，綜合考慮結構安全、經濟效益和施工難度確定樁承載特性和樁基長度。軟巖巖性變化通常較復雜，施工中須密切關注進尺情況，宜隨施工進度實施動態設計。

參考文獻

[1]谷倉勇.確定軟巖地基樁基承載力參數的新方法與運用[J].科技創新導報，2019，3（1）：4748.

[2]劉松玉，季鵬，韋杰，等.大直徑泥質軟巖嵌巖樁的荷載傳遞性質[J].巖土工程學報，1998，20（4）：5861.

[3]湛鎧瑜.中風化極軟巖樁的極限端阻力和極限側阻力研究[J].建筑結構，2014，44（8）：2125.