軟硬互層地層條件下灌注樁承載力特性研究

葉 波，李富祥，李歡建

（貴州地礦基礎工程有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

“互層”在地質術語中是指兩種巖層反復出現，巖層相間呈韻律沉積[1]。“軟硬互層”即硬質巖與軟質巖反復出現，呈韻律沉積。通常硬質巖風化較慢，軟質巖風化較快，因此在場地中風化差異較明顯，導致其工程特性也呈現明顯差異。

目前，國內學者對于軟硬互層巖體的研究取得了一些成果，吳渤等[2]通過對軟硬互層巖體進行模型試驗以及數值模擬，對軟硬互層巖體進行了單軸壓縮試驗，其破壞規律為巖層傾角對試樣的單軸抗壓強度影響較大，破壞面主要沿軟硬分層的薄弱面發育。鄭佩瑩等[3]通過川渝紅層軟巖水平互層對橋梁擴大基礎承載力影響的有限元分析，得出利用軟硬互層中的強度較高的巖層作為持力層和軟硬互層中的強度較高的硬巖相對應的均質基巖作為持力層，2種情況下容許承載力和極限承載力近似。鄭玉元等[4]采用鉆探、超聲波測井、抽水試驗、水質分析、地微震測量、室內巖土力學試驗等綜合勘探測試方法，確定薄至中厚層狀泥質白云巖、泥質灰巖夾泥巖、頁巖組成的軟質巖與硬質巖互層狀巖體地基承載力特征值，結合地區建筑經驗合理評價并充分挖掘軟質巖與硬質巖互層狀巖體地基承載力特征值（fa）和基坑邊坡設計參數C、Ф。陳宇龍等[5]、黃琪嵩和程久龍[6]的研究均表明互層巖體由于層間力學屬性不同，軟巖底板由于其承載能力弱，會加劇底板應力的集中程度，導致底板巖層的破壞深度和范圍都大大增加。姚池等[7]、王亮清等[8]的研究表明軟硬互層巖體的抗壓強度、彈性模量等存在各項異性。

前述研究成果中，尚未對軟硬互層地層下的基礎設計及持力層的選擇進行分析。實際工程中，軟硬互層地層條件下，當采用灌注樁時，穿越軟硬互層帶將持力層放在完整的微風化基巖中是最安全的，但是若軟硬互層帶埋層較深，這樣的方案將導致樁長過長，不僅造價高，工期長，而且施工難度大，故在軟硬互層帶的地質條件下，其持力層的選取應進行必要的試驗研究。考慮到軟硬互層帶的各項異性及地質體的復雜性，樁基承載力特性未知，從安全角度考慮，必須通過對其進行專門的試驗驗證其可行性。它不同于其他端承樁主要考慮樁端阻力，軟硬互層帶的樁基，更應結合嵌巖部分的樁側阻力，按摩擦端承樁進行試驗研究。文章以貴陽市南明區某項目為例，對軟硬互層地層條件下灌注樁承載力特性進行了研究。

1 工程概況

擬建項目如下：①幼兒園（18班）建筑高度為12.6 m（3F），建筑面積4 657 m2，用地面積8 248 m2；②小學（24班）建筑高度16.2 m（4F），建筑面積8 640 m2，用地面積23 490 m2；③中學（30班）建筑高度19.8 m（5F），建筑面積15 000 m2，用地面積33 903 m2。根據校園規劃分為教學區、生活區、體育區及附屬設施4個功能區。其中小學食堂部分采用中風化頁巖夾薄層泥晶灰巖軟硬互層帶作為樁基持力層。小學食堂部分單柱荷載為6 000 kPa，通過技術論證擬采用人工挖孔灌注樁作為基礎，并將樁置于軟硬互層帶中。為驗證樁基可行性，對場地的3根樁身混凝土強度為C40的人工挖孔灌注樁進行了單樁豎向抗壓靜載試驗自平衡法檢測。

2 場地巖土特點及試樁情況

場地位于貴陽市南明區，主要位于低中山溶蝕殘丘，地勢總體起伏較大，場區無大型構造，殘丘及少量峰林分布于巖溶谷地中，屬中低山地貌。根據區域地質構造圖及現場踏勘情況，擬建場地附近無斷裂層（帶）經過。第四系覆蓋層主要為素填土（Qml），耕植土（Qpd），第四系殘坡積層（Qel+dl）紅黏土，土層最大厚度為23.4 m，下伏基巖為三疊系下統沙堡灣組（T1s）薄層狀頁巖夾薄層泥晶灰巖，巖體風化程度不同，形成比較發育的軟硬互層帶。

該軟硬互層帶由頁巖夾薄層灰巖泥晶灰巖組成，薄層灰巖夾層厚度約為0.1 m，頁巖夾層厚度為約0.3 m，巖層產狀平緩為19°～22°，薄層灰巖，飽和單軸抗壓強度標準值frk=35.3 Mpa，總體上巖石為較硬巖，巖體較破碎。灰、黃綠色頁巖飽和單軸抗壓強度標準值為frk=5.44 Mpa，總體上巖石為軟巖，巖體較破碎，如圖1所示。

圖1 場地軟硬互層基巖露頭

該工程試樁為3根人工挖孔灌注樁，樁徑1 200 mm持力層均為頁巖夾薄層泥晶灰巖軟硬互層帶，樁身混凝土強度為C40。這3根試樁參數見表1。

表1 試樁參數

3 試驗設備及方法

該工程的3根試樁單樁豎向抗壓靜載采用自平衡法檢測[9]。其檢測原理[10]是將一種特制的加載裝置—荷載箱，在混凝土澆筑之前和鋼筋籠一起埋入樁內相應的位置，將加載箱的加壓管以及所需的其他測試裝置從樁體引到地面，然后灌注成樁。有加壓泵在地面像荷載箱加壓加載，使得樁體內部產生加載力，通過對加載力與這些參數之間的關系的計算和分析，不僅可以獲得樁基承載力，而且可以獲得每層土層的側阻系數、樁的側阻、樁端承力等一系列數據。儀器設備包括荷載箱、電子位移計、數據采集儀、精密壓力表、樁身應力計、電動油泵、剛性承壓板、油管若干等，如圖2所示。

圖2 試驗裝置圖

為詳細了解試樁在豎向荷載作用下內部應力-應變的變化，采用振弦式鋼筋應力計，每根試樁預估埋置2層量測斷面，每一層斷面設4根鋼筋應力計，呈對稱布置，并在樁頂設置1層鋼筋應力計為標定斷面，每樁共設12根鋼筋應力計。

4 試驗結果及分析

4.1 樁豎向抗壓靜載試驗成果及分析

試驗現場制作3根試樁進行豎向抗壓靜載試驗，試驗樁位大直徑樁，按沉降量S=0.05D（D為樁徑）對應的荷載為極限荷載。通過對試驗數據整理可知，巖性為薄層狀頁巖夾薄層泥晶灰巖的軟硬互層地層條件下，試樁的荷載-沉降曲線表現為緩變-陡降-緩變型，當樁頂荷載水平較小時樁基沉降增長緩慢，當樁頂荷載達到一定值后，沉降迅速增加，卸荷以后存在緩慢的卸荷回彈現象。通過測試得出試樁S1單樁承載力極限值為12 690 kN，試樁S2單樁承載力極限值為15 270 kN，試樁S3單樁承載力極限值為13 880 kN，見表2。

表2 靜載試驗成果表

根據圖3—圖5的荷載-沉降（Q-s）曲線得出的極限荷載值，繪制單樁承載力極限值-樁長關系圖，如圖6所示。

圖3 試樁S1荷載-沉降（Q-s）曲線

圖4 試樁S2荷載-沉降（Q-s）曲線

圖5 試樁S3荷載-沉降（Q-s）曲線

圖6 單樁承載力極限值-樁長關系圖

可以看出，軟硬互層地層條件下單樁承載力極限值與樁長具有很好的相關性，單樁承載力極限值隨著樁長的增加而增加。可見在軟硬互層場地條件下，樁長較短時樁長是影響樁基單樁極限承載力最主要的因素。

4.2 樁身內力測試

通過樁身內力測試得出，試樁S1側阻力埋深0～0.39 m，端阻力埋深3.8 m，試樁S1側阻力極限值為447.0 kPa、端阻力極限值為4 155.8 kPa；試樁S2側阻力埋深0～4.5 m，端阻力埋深4.5 m，試樁S2側阻力極限值為454.1 kPa、端阻力極限值為5 000.0 kPa；試樁S3側阻力埋深0～4.2 m；端阻力埋深4.2 m，試樁S3側阻力極限值為442.3 kPa、端阻力極限值為4 545.5 kPa，見表3—表5。

表3 試樁S1樁身內力測試成果表

表4 試樁S2樁身內力測試成果表

表5 試樁S3樁身內力測試成果表

在各級荷載作用下，試樁的端阻力占樁頂荷載的比例變化不大，均在73%左右，見圖7。可見單樁承載力主要由樁端阻力提供，主要表現為摩擦端承樁性狀。

圖7 試樁端阻力占樁頂荷載的百分率曲線

這可能是因為由于樁長較短，樁側阻力還沒充分發揮的原因。由圖8、圖9可以看出，隨著樁頂荷載的增加，樁端阻力、樁側阻力大致呈線性增加。

圖8 試樁側阻力-樁頂荷載曲線

圖9 試樁端阻力-樁頂荷載曲線

5 結語

經過對貴州省貴陽市南明區擬建項目不同樁長試樁分析表明：

（1）在軟硬互層地層條件下單樁承載力極限值與樁長具有極好的相關性，單樁承載力極限值隨著試樁入巖深度的增加而增加。

（2）該軟硬互層場地中，在承載力極限狀態下，樁承載力主要由樁端阻力提供，主要表現為摩擦端承樁性狀。隨著樁頂荷載的增加，樁端阻力、樁側阻力大致呈線性增加。

（3）考慮軟硬互層帶的各項異性及地質體的復雜性，樁基的沉降等問題不是通過試驗就能完全搞清，建議加強基礎沉降監測。