軟質巖石橋梁大直徑樁側摩阻力試驗研究

馮瑞俊

（晉中公路分局試驗室，山西 晉中 030600）

我國現行《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）中對巖石的堅硬強度劃分為5級，其中軟巖和極軟巖分別定義為飽和單軸抗壓強度15 MPa≥fr＞5 MPa、fr≤5 MPa的巖石，而《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）規定全風化、強風化軟質巖石是指母巖飽和單軸抗壓強度標準值frk≤15 MPa的巖石，并給出了相應的極限側摩阻力標準值以供參考[1-2]。泥巖作為分布廣泛的軟質巖質，由于強度較低，其側摩阻力的發揮表現出與硬質巖層和土層不同的規律，眾多的工程實踐表明，其實測極限摩阻力值比《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）規定的參考值大，這給泥巖樁基承載力的確定及樁長、樁徑等尺寸設計帶來一定的困難[3-6]。本文依托瀘州市渡改橋工程安富第一過江通道工程，嘗試結合現場自平衡載荷試驗和室內接觸摩擦剪切試驗，對全風化-中風化泥巖的側摩阻力發展規律和大直徑樁的承載特征進行研究，以期為大直徑樁基工程的設計和軟質巖石側摩阻力參數的選取提供參考和基礎資料。

1 工程概況

圖1 擬建橋位平面位置圖

圖2 擬建橋梁主橋立面圖

瀘州市安富第一過江通道工程（河東長江大橋）地處四川省瀘州市納溪區，連接瀘州市納溪區和江陽區。如圖1、圖2所示，橋位位于連千子渡口下游約480 m處，設計推薦采用斜拉橋和整幅連續梁橋組合橋型，引橋為3×（3×30）m預應力混凝土整幅連續箱梁、主橋為（61+72+75+520+75+72+61）m斜拉橋，橋梁下部樁基采用鉆孔灌注樁，設計直徑為2.5 m，設計樁長為45～60 m。

2 現場自平衡試驗

2.1 測試方法及測試條件

選取13號墩2號、4號樁基進行現場自平衡試驗，在樁身平衡點位置處安裝加載裝置（載荷箱），其中2號樁基設計直徑為2.5 m，其樁長為50 m，載荷箱設置在距樁底15 m位置處，4號樁基設計直徑為2.5 m，其樁長為50 m，載荷箱設置在距樁底10 m位置處。測試時，通過高壓油泵向載荷箱加壓，載荷箱將壓力傳遞至樁身，在分級加載作用下，預先埋設在樁體內的鋼筋計測試出相應截面處的不同荷載階段的應變量，進而求得樁周各個土層的側摩阻力和樁端的端阻力。

13號墩中心里程為K00+532.1，墩位置處的地層概況如表1所示。

表1 13號墩位置處地質概況

2.2 測試成果分析

圖3、圖4分別為2號和4號試樁的現場自平衡試驗荷載-位移曲線，依據《工程地質手冊》（第五版）試樁承載力的確定可以按式（1）確定[7]：

式中：Pu為試樁單樁極限承載力，kN；Quu為試樁上段樁的加載極限值，kN；Qlu為試樁下段樁的加載極限值，kN；W為載荷箱上部樁自重，kN；γ為與土體類型有關的系數，黏性土、粉土取0.8，砂土取0.7，巖石取1.0。

圖3 2號試樁荷載-位移曲線

圖4 4號試樁荷載-位移曲線

表2為試樁極限側摩阻力和極限承載力計算值。

表2 試樁極限側摩阻力和極限承載力計算結果

從表2中可以看出，2號試樁的單樁極限側摩阻力值與單樁豎向抗壓極限承載力值之比為95%，而4號試樁為87%，表明軟質巖石中，鉆孔灌注樁的承載能力很大程度依賴于側摩阻力，樁端阻力占比較小，屬于摩擦樁。

圖5為各級載荷作用下，樁身范圍內的各土層的側摩阻力變化曲線，從圖中可以看出，隨著荷載的增加，土層的側摩阻力隨之增加，同時，在同一作用下，隨著深度的增加，樁身側壁的土層側壓力也隨之增加，進而引起側摩阻力隨著深度的增加而增加。

圖5 各級荷載作用下土層側摩阻力變化曲線

圖6 軟質巖層側摩阻力與樁土相對位移曲線關系

圖6為試樁在軟質巖層中的側摩阻力和樁-土相對位移關系曲線圖。從圖中可以看出，在同一土層中，2號試樁和4號試樁的曲線變化關系一致，在全風化和中風化泥巖中，側摩阻力隨著樁土位移的增加，在初始階段呈線性迅速增加，隨著位移的進一步發展，土體的側摩阻力呈非線性增加，樁基的承載能力充分發揮，當達到土體的極限摩阻力之后，側摩阻力逐漸趨于收斂，在中風化泥巖中由于測試深度較大，樁土相對位移較小，觀測數據尚未達到收斂階段。

3 室內接觸剪切試驗

3.1 測試方法和測試條件

在室內接觸剪切試驗中制作了樁-土剪切模型，樁模型和巖樣模型皆為直徑8 cm、高10 cm的圓柱體，試驗時，將樁模型和巖樣模型皆對半切開，樁模型放入上剪切盒而巖樣放入下剪切盒進行剪切。為了符合實際情況和考慮泥漿護壁對側摩阻力的影響，剪切前將實際施工時配置的新鮮泥漿涂抹在樁-土剪切面上。試驗中所用的樁模型配合比采用施工現場樁基的配合比配制，為水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.325∶1.345∶2.183，而巖樣為高質量取樣設備取樣后，在天然含水率條件下進行試驗。

每組室內剪切試驗取5個巖樣，在5個等級的垂直壓力下進行剪切試驗，即垂直壓力σ1、σ2、σ3、σ4、σ5，其中σ1為土層厚度中點位置處的垂向水平應力，σ4為極限載荷作用下樁土之間的側向應力，σ2約為60%σ4，σ3約為80%σ4，σ5約為120%σ4。施加垂直壓力后，采用1.0 mm/min的速度進行剪切，當剪應力的讀數都達到穩定或有明顯后退時，剪切至剪切變形為4 mm。

3.2 測試成果分析

圖7～圖9分別為全風化泥巖、強風化泥巖和中等風化泥巖接觸剪切試驗成果。從圖中可以看出，剪應力與剪應變的變化規律與現場自平衡載荷試驗（圖6）規律一致，隨著剪應變的增加，剪應力大致經歷線性增加、非線性增加和收斂3個階段。同時隨著垂直應力的增加（對應于現場自平衡載荷試驗土層深度的增加，如圖5），收斂階段的剪應力也增加。

圖7 剪應力與剪切位移變化曲線（全風化泥巖）

圖8 剪應力與剪切位移變化曲線（強風化泥巖）

圖9 剪應力與剪切位移變化曲線（中風化泥巖）

對圖7～圖9應力應變曲線的上升階段和收斂階段分別作切線，交角的平分線與曲線交點為屈服剪切應力，然后繪制5個等級的垂直壓力及其對應屈服剪應力關系曲線，可求得全風化泥巖、強風化泥巖和中等風化泥巖接觸剪切試驗的屈服參數如表3所示。

表3 屈服參數計算結果

利用線性摩爾庫倫公式將屈服黏聚力和屈服內摩擦角換算成側摩阻力，并與圖6中內摩擦角進行對比分析，如表4所示。

表4 側摩阻力對比分析

從表4中可以看出，室內試驗與現場自平衡載荷試驗測得的軟巖的側摩阻力值較為接近，但與《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）參考值相比，明顯增大，且隨著風化程度的減弱，偏離經驗值越厲害。因此，在實際大直徑樁基工程的設計和軟質巖石側摩阻力參數的選取時，應考慮經驗值過于保守造成的不必要浪費。

4 結論

a）由于軟質巖石強度較低，其側摩阻力的發揮表現出與硬質巖層和土層不同的規律，鉆孔灌注樁的承載能力，很大程度依賴于側摩阻力，樁端阻力占比較小，屬于摩擦樁，隨著深度的增加，樁側壁土層水平側壓力也不斷增加，導致極限側摩阻力具有隨著深度增加的規律。

b）現場自平衡試驗表明，與《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）參考值相比，全風化-中等風化泥巖的側摩阻力實測值較大，且隨著風化程度的減弱，偏離經驗值越厲害。

c）室內接觸摩擦剪切試驗與自平衡載荷試驗得到的泥巖側摩阻力接近。室內接觸摩擦剪切試驗結果表明，隨著剪應變的增加，剪應力大致經歷線性增加、非線性增加和收斂3個階段。同時隨著垂直應力的增加，收斂階段的剪應力也增加。