南宁市仙葫大桥嵌岩桩设计的探讨

胡文学

(广西交通投资集团有限公司，广西南宁 530028)

1 概述

南宁市仙葫大桥位于南宁市邕宁区仙葫开发区，是跨越邕江联系仙葫开发区南北两区之间的城市桥梁，主桥为85 m+2×145 m+85 m预应力混凝土连续刚构桥，南北引桥均为跨径9×30 m一联的现浇预应力混凝土连续梁桥，桥长1 007.50 m，桥宽28 m，设计荷载为城-A级，采用公路—Ⅰ级校核。南宁市仙葫大桥于2003年7月设计，2007年7月建成通车。

根据地面地质调查、钻孔揭露并结合区域地质资料，按地层时代、成因、岩性结构及其工程特性，将仙葫大桥桥位区土岩体划分为第四系覆盖层和第三系基岩两大类，由上至下为:第四系覆盖层:素填土、耕(表)土、松散～稍密状圆砾、坚硬～硬塑状粘土、可塑状粉质粘土、中～稍密状粉土。第三系基岩:粉(细)砂岩、泥(钙)质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩为主，河床中部下部分布角砾状泥质灰岩，据岩石风化程度将基岩划分为强、弱风化层两大层。

仙葫大桥主桥基础按照嵌岩桩设计，由于嵌岩桩设计涉及到计算模式、嵌岩深度、持力层的厚度、岩石的风化程度划分、各风化层的桩侧阻力的大小等问题，对嵌岩桩单桩承载力的确定因地质条件不同而不同，影响到嵌岩桩的嵌岩深度，直接影响到施工难度和工程投资，因而确定嵌岩桩的嵌岩深度是十分重要的事情。

2 嵌岩桩设计模式

嵌岩桩的设计模式在某种意义上可说是计算公式，根据当时现行的相关规范，嵌岩桩单桩承载力计算公式有3种。

2.1 计算模式一

以《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)(以下简称“建筑基础规范”)的公式(8.5.5-2)为代表，此公式为:

式中:Ra为单桩竖向承载力特征值;qpa为桩端岩石承载力特征值;Ap为桩底端横断面面积。

2.2 计算模式二

以《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ 024-85)(以下简称“桥涵规范”，当时设计执行该版本桥涵规范)的公式(4.3.4)为代表，此公式为:

式中:［P］为单桩轴向受压容许承载力，kN;Ra为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度，kPa;h为桩基嵌入基岩深度，m;u为桩基嵌入基岩部分横断面周长;A为桩底端横断面面积，m2;c1、c2为有关系数。

2.3 计算模式三

以《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94)(以下简称“桩基技术规范”)的公式(5.2.11)为代表，嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值，由桩周土总侧阻、嵌岩段总侧阻和总端阻三部分组成，此公式为:

式中:Qsk、Qrk、Qpk分别为土的总极限侧阻力、嵌岩段总极限侧阻力、总极限端阻力标准值;ζsi为覆盖层第i层土的侧阻力发挥系数(与桩的长径比、桩底沉渣及桩周土性有关);qsik为桩周第i层土的极限侧阻力标准值，根据成桩工艺取值;frc为岩石饱和单轴抗压强度标准值，对于粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值;hr为桩身嵌岩(中等风化、微风化、新鲜基岩)深度，超过5d时，取 hr=5d;ζs、ζp为嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数，与嵌岩深径比hr/d有关。

上述3种计算模式有相同处，但是又有很大的不同处。他们的相同处:①桩端的承载力都是采用桩端岩石的单位面积承载力乘以桩端面积;②桩端岩石单位面积的承载力都是采用岩石单轴抗压强度乘以岩石风化程度和施工工艺有关的折减系数。

3种计算模式的不同处是:①计算模式一，完全不考虑桩侧土和岩石的桩侧的阻力;计算模式二，不考虑桩侧土对桩侧的阻力，但是考虑嵌岩部分岩石对桩侧的阻力;计算模式三，全部计算桩侧土和岩石对桩侧的阻力。②3种模式都非常重视和强调岩石风化划分及其对单桩承载力的影响，但具体确定岩石风化程度对单桩承载力影响时相差较大。③计算模式一和计算模式二都没有考虑桩的长径比、嵌岩的深径比，计算模式三认为桩的长径比、嵌岩的深径比对桩的受力机理非常重要。

2.4 仙葫大桥嵌岩桩设计

根据计算，仙葫大桥主桥每个桥墩(10～12号桥墩)共有桩基12根(左右幅各6根)，桩距4.6 m，桩径2.2 m，桩长平均20 m，以弱风化粉、细砂岩为持力层，根据上部荷载计算单桩最大竖向轴力为46 000 kN，单桩承载力按计算模式二进行计算，即按照当时“桥涵规范”第 4.3.4 条的(4.3.4 式)进行计算。

2.5 嵌岩桩设计存在的两个问题

2.5.1 单桩最大竖向轴力难以满足46 000 kN

根据现场的设计条件，桩径2.2 m，桩端持力层为弱风化粉、细砂岩，天然湿度的岩石单轴极限抗压强度为16 900 kPa，根据“桥涵规范”第4.3.4条进行计算，桩基设计容许承载力如下:

c1=0.5、c2=0.04 为计算系数一般值;h=0，桩基嵌入基岩为风化层;Ra=16 900 kPa为勘察报告建议值。

2.5.2 桩端持力层厚度不够3倍桩径

按照嵌岩桩设计计算模式，要求桩端嵌入完整基岩一定深度，也要求桩端持力层有一定厚度，如“建筑规范”的8.5.2条“嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、中风化硬质岩体的最小深度不宜小于0.5 m”，第8.5.2条“嵌岩桩桩端以下3倍桩径范围内应无软弱夹层”，本场地持力层为弱风化粉、细砂岩，厚度不大，常与弱风化砂质泥岩、泥岩、弱风化泥质粉砂岩组成互层、夹层，如10号桥墩所在的工程地质剖面图中可以看出，在拟定的桩端高程35.00～37.00 m处桩端持力层(弱风化砂岩)厚度2.9～3.5 m，其下有弱风化的泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩，如扣除0.5 m，则桩端下厚度仅有2.4 ～3.0 m，远没有3 倍桩径厚度。

3 场地基岩和风化的主要特征

3.1 场地基岩主要特征

1)基岩形成是第三世纪古新一始新世，距今约5 000万a，形成的环境为河湖与滨海相互交替变化，岩性和构造均受时代和环境控制，为一套半成岩的岩石。

2)岩性上可归纳为三大类:第一类为以沙粒为主组成的粉、细砂岩，矿物成分主要为石英，化学成分主要为硅的氧化物，相对地说承载能力较高，抵抗风化能力较强。第二类以粘粒为主组成的泥岩，矿物主要为以粘土类矿物，化学成分主要为三氧化二鋁、氧化二铁、二氧化硅等，相对地说承载能力较低，抵抗风化能力较强。第三类为以化学沉积为主的泥质灰岩，矿物成分主要为方解石，化学成分主要为碳酸钙，相对地说承载能力较高，抵抗化学风化能力低，易被酸性溶液溶解而随溶液被带走。上述三类岩石是互变的，常有一些中间的岩石，如砂质泥岩，泥质粉砂岩等，它们在地质剖面上常组成互层或夹层，据区域地质资料，由它们互层组成的总厚度有数百m之多。

3)构造上均为层状结构，层状明显可分，以薄层～中厚层为主，泥质灰岩还有同生角砾状构造。

3.2 场地基岩风化主要特征

1)在矿物成分上未见风化表现的特征。不仅岩体中粉、细砂岩的石英和泥岩的粘土矿物未见风化变化特征，就连极易被风化溶解的泥质灰岩的方解石也未见溶解成孔、洞和裂隙，在岩体中未见风化形成的铁锰质氧化物，如铁质结核、锰质结核或铁锰质薄层，甚至连基岩的层面、裂隙面也未见风化易形成的高氧化铁充填或侵染。

2)基岩的结构、构造未见由风化而遭到破坏的特征。粉、细砂岩的砂粒结构、泥岩的泥质结构、泥质灰岩的细晶结构均未见被破坏，未见变成各种碎块状结构，更有所有的层状结构都明显地存在，尤其是薄层状的泥岩和泥质粉砂岩的岩芯在曝晒干燥后，明显地沿着原层理面成片状、短柱状裂开，未见沿风化裂隙裂成碎块状。

3)岩石的物理力学性质受风化作用而变化的现象不明显。影响岩石风化的外部动力，如阳光、空气、水在地面表层活动很强，而由表面往下随深度增加其活动力急剧减弱，到一定深度(如若干米)风化能力即消失。有10#墩12个钻孔岩样物理力学性质指标分层深度统计可见，本场地岩石的物理力学性质并无明显地由地面往深处变化的规律，不仅泥岩没有，泥质灰岩、细砂岩、粉砂岩也没有。以在本桥基(地面剖面)出现最多、取样最多的细砂岩、粉砂岩为例，某细砂岩样品距河床仅1.67～1.97 m，其饱和单轴极限为抗压强度57.6 MPa，是全场地最高的，在0.00～5.00 m深度段的粉、细砂岩样品的饱和单轴极限抗压强度平均值，要大于5.00～10.00 m段和 10.00～20.00 m 段的，和深度大于20.00 m的平均值接近，即本桥基岩的物理力学性质(单轴抗压强度等)不决定于风化程度，而是决定于母岩的性质。本桥址的地质剖面上三类不同软硬不同性质的岩石互层出现，在地质剖面上岩石的单轴抗压强度也呈现出高—低—高—低互相交替地变化的频率。

3.3 场地基岩风化程度的划分

1)按上述基岩风化的特征分析，本场地基岩矿物成分、结构构造、物理力学性质在风化过程中未发生变化，或基本未发生变化，本场地应无强风化层，即使有也很薄，弱风化层也不厚，本场地基岩绝大部分应为微风化阶段。

2)本大桥勘察报告，把基岩上部(地面下6.0～18.0 m)划为强风化层，下部(6.0 m 或18.0 m 以下至终孔深度45 m)划为弱风化层，勘探深度尚未到达弱风化层底线。

3)由上述两点可见对场地风化层的划分确实分歧较大。对类似本场地的岩石为第三系半成岩，又是泥岩和砂岩层场地，《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)允许不进行风化层划分，如该规范在附录表A.O.3(岩石按风化程度分类)中注“泥岩和半成岩，可不进行风化程度划分”。

4 据场地基岩为强风化和弱风化特征讨论大桥嵌岩桩设计

4.1 以场地基岩为强风化和弱风化为据讨论嵌岩桩设计

本桥岩土工程勘察报告把场地基岩全定为强风化和弱风化，以3种嵌岩桩设计模式为依据讨论如下。

1)计算模式一，“建筑基础规范”公式(8.5.5-2)，不论基岩的风化程度如何，嵌岩桩单桩承载力都不计桩侧阻力，否则成为摩擦桩设计模式。按设计桩径 2.2 m，单桩承载力设计值要达到46 000 kN，基岩的桩端阻力承载力容许值必须要在12 000 kPa以上，岩石单轴极限抗压强度必须大于48 000 kPa以上。据地质勘察报告在钻探深度(地面下45 m)内无如此高承载力的基岩，即本桥原设计方案不成立，必须增大桩径或增加桩数。

2)计算模式二，“桥涵规范”公式(4.3.4)，对桩基嵌入基岩深度(h)明确规定不包括风化层，如场地基岩为强风化和弱风化，则h=0，桩基无侧阻力，模式二实质就是模式一，同理原设计也不能用，必须增加桩数或增大桩径。

3)计算模式三，“桩基技术规范”公式(5.2.11)可应用于强风化和弱风化层，但桩身嵌岩深度(hr)不能超过5d，超过5d时只能按5d计，并按该公式分析，桩最大承载力是在hr/d=4左右，即hr等于 8.8 m。据此推算，用公式(5.2.11)计算单桩承载力，即使桩端岩石单轴极限抗压强度取16.9 MPa(地质勘察报告建议值)，桩侧阻力系数取0.062(该范围规定最大值)，单桩的承载力容许值也只有30 000 kN，远小于46 000 kN。应用计算模式三，本桥原设计方案也要改变，也要增大桩径或增加桩数。

4.2 以场地基岩为微风化为依据讨论嵌岩设计

据场地基岩矿物成分、结构构造、物理力学性质再风化过程中基本未变或变化不大，场地基岩应定为微风化。下面用3种嵌岩桩设计计算模式进行讨论如下。

1)计算模式一、三计算单桩承载力在微风化条件与在强、弱风化条件下计算公式和计算结果是一样的，也就是，场地基岩属微风化，原设计方案也不能满足要求，原设计也要增加桩数或增大桩径。

2)计算模式二计算单桩承载力，在强风化和弱风化时，桩嵌入基岩深度h为0，桩侧阻力为0;而在微风化时，桩嵌入深度h不为0，桩侧阻力不为0。如设计桩长约20 m(取h=16 m)，桩径2.2 m，c1取0.5，c2取 0.04，桩端岩石单轴极限抗压强度取16.9 MPa，侧桩嵌岩段的平均单轴极限抗压强度取3.5 MPa，则单桩的轴向受压容许承载力可达47 000 kN以上，大于设计值46 000 kN，即设计是成立的。从理论分析单桩承载力47 000 kN尚有一定的安全度，桩侧嵌入岩石段单轴极限抗压强度取值3.5 MPa尚有提高的可能。

5 综合嵌岩桩设计模式和场地实际情况对大桥基桩设计建议

1)嵌岩桩设计计算模式可用模式二，也可用计算模式三。现设计以计算模式二为主，计算模式三为辅，以模式三计算结果评估模式二计算结果的安全度。使用模式二计算时，桩基嵌入基岩深h，可不考虑基岩的风化程度，使用模式三计算时，桩身嵌岩深度hr，可不受hr/d=5的限制，以实际嵌岩深度计算，出于以下原因:

①场地基岩是半成岩，泥岩和砂岩，或泥岩、砂岩和泥质灰岩互层，泥岩是极软岩，砂岩是软岩，泥灰岩是硬质岩，它们与松散土层相比有较大的桩侧阻力，与硬质岩相比桩端阻力又较小。

②岩石(岩体)本身和地质剖面地层结构都具层状构造，矿物和化学成分抗风化较强，岩石矿物成分、结构构造、物理力学性质在风化过程中都没有变化，或基本上没有变化，风化剖面未具典型风化带划分的特点，反而具有原母层状构造(结构)的特征。

2)桩侧岩石和桩端岩石的单轴抗压强度分别统计，不像计算模式二、三那样，它们桩侧嵌岩段和桩端的岩石单轴抗压强度都采用同一值，主要因为桥位场地大部分的岩层为不同岩性的小的岩层互层组成，岩性相同或相近的岩层厚度不厚，同时桥位场地的桩基嵌岩段比较长，桩侧岩石的单轴抗压强度可取桩端下1～2倍桩径深度岩样的试验平均值。

3)结合很多以往工程实践经验，第三系半成岩岩芯单轴抗压强度试验值比它们实际具有的抗压强度真正值低，尤其是泥岩，泥岩在饱和状态下的试验值更低，泥岩试验可选在天然湿度状态下的岩样进行。选用试验指标时，也要选用天然状态下的试验指标值，在统计计算时，可用试验最小平均值。砂岩试验可选饱和样品进行，在统计计算时，可用试验指标的平均值。

4)根据地质剖面具体岩层和试验指标合理选择桩端持力层，确定桩端持力层时遵循以下原则:

①桩基有一定埋深，不应受地质勘察报告所划分强、弱风化带界线限制，即埋深根据实际条件确定，可浅于弱风化带分界线，但必须在河床冲刷线下，不计第四系厚度，第三系厚度累计应大于4d，最好大于5d。而据嵌岩桩设计模式嵌岩深度大于5d无用，大于5d也只能按5d计，而最佳的嵌岩深度是4d。

②岩石有较高的单轴极限抗压强度，其单轴极限抗压强度平均值不低于17 MPa。在上述嵌岩桩设计计算讨论时，分析计算单桩轴向设计承载力达46 000 kN时，岩石的抗压强度取值16.9 MPa，这也是勘察报告建议粉、细砂岩的取值。

③层位比较稳定，有一定厚度，根据计算模式二或模式三计算，在单桩承载力达设计要求及满足以上两点的前提下，桩端下持力层厚度应不小于0.5d(d为桩基直径)确定的思路是:

a)类似本场地基岩由半成岩的第三系的泥岩、砂岩互层构成的场地南宁非常普遍，目前南宁所有的高层建筑和大桥地基都是第三系半成岩，由泥岩和砂岩互层组成，而且多是比本场地成岩条件更差、泥岩抗压程度更低，泥岩和砂岩的单层厚度更薄的含煤系的年代更新的邕宁群，甚至个别场地不可能找到大桩径桩端下岩性相同的同一层的厚度有0.5d厚的岩层。但是至今尚未发生因桩端下同一岩性的持力层厚度不够而出现质量问题。

b)本场地桩端持力层的泥岩夹层、泥岩互层，并非属于人们说的软弱土层，规范规定的软土是液性指数大于1.0，不排水抗剪强度小于30 kPa的细粒土。本场地的泥岩据勘察报告，天然湿度条件岩样单轴极限抗压强度平均值为1 790 kPa。

c)本场地在桩端下绝不会有临空面和存在侧向滑动面，所有桩端下的岩层均为超固结岩层，桩端下岩层有较大的侧压。

d)在满足上述条件下，持力层埋深不计第四系松散层，仅第三系厚度就大于5d，据设计模式三，在hr/d≥5时，桩端岩石端阻修正系数为0，即桩端下岩土层受力很小很小，结构的上部荷载几乎全由桩侧负担。

［1］JTJ 021-1989，公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［3］CJJ 77-1998，城市桥梁设计荷载标准［S］.

［4］JTJ 024-85，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［5］GB50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.

［6］JGJ 94-94，建筑桩基技术规范［S］.

［7］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.