丹江口库区郧县汉江二桥嵌岩桩基岩承载力特性试验研究

边智华，余美万，周建军

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002）

丹江口库区郧县汉江二桥嵌岩桩基岩承载力特性试验研究

边智华1，余美万1，周建军2

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002）

丹江口库区郧县汉江二桥地基为白垩系至下第三系的一组软岩和极软岩，具有胶结较差易扰动的特点，桥梁基础为嵌岩钻孔灌注桩，在详勘阶段进行了岩块物理力学性质试验和现场岩体力学试验，其中采用的桩侧摩阻力试验为岩体力学试验的新方法。通过现场试验研究基岩荷载与沉降变形的关系，得出桩端阻力和桩侧摩阻力的容许值，弥补了室内岩石试验的局限性，提出了桩端阻力及桩侧摩阻力参数建议值，为工程优化设计提供了依据。

南水北调；丹江口库区；郧县汉江二桥；嵌岩钻孔灌注桩；现场岩体力学试验；桩端阻力；桩侧摩阻力

1 研究背景

郧县汉江公路二桥位于汉江丹江口水库尾段，是南水北调中线工程丹江口水库库区的一项淹没复建替代工程，也是郧县城市总体规划交通路网的骨干工程，该桥梁为特大桥，长2 102 m，主桥为3跨钢管混凝土拱桥，跨长200 m，基础为钻孔灌注嵌岩桩，桩径Φ1.5～2.0 m，桩长50～60 m。

桥位区基岩地层为白垩系至下第三系（K－E）红层以及第四系河流冲积层（Qal）、坡积层（Qdl）及崩塌堆积层（Qcol）。右岸桥台及引道段陡崖、冲沟沟壁中上部高程160～200 m段多出露强～弱风化砂砾岩，高程145～160 m水位变幅带则出露弱风化粉砂质泥岩、细砂岩等。河谷段基岩顶板高程117.6～125.4 m，为粉砂质黏土岩、砂质粉砂质黏土岩、泥质粉砂岩、中细砂岩、砂砾岩等碎屑岩，受沉积环境、胶结物质等多种因素影响，普遍胶结较差、岩性软弱，易风化，特别是中、细砂岩胶结程度差异尤为明显。初勘报告指出“鉴于桥位区分布的岩石均为软岩和极软岩，具有易扰动的特点，利用岩块试验成果来确定单桩的承载力普遍偏低，建议下阶段采取现场试验的方法进一步复核单桩的承载力”［1］，因此，在详勘阶段针对嵌岩桩地层不仅进行了岩块物理力学性质试验，还进行了岩基载荷试验和桩侧摩阻力现场试验［2］。

2 基于岩块试验的承载力参数

详勘阶段在主桥墩勘探钻孔取岩芯样进行了室内物理力学性质试验，依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007），钻孔桩的单桩轴向受压承载力容许值主要由桩端阻力容许值、桩侧摩阻力容许值这2个参数组成，按以下公式计算：

式中：qrk，qrki分别为桩端阻力容许值和桩侧摩阻力容许值；c1，c2i分别为根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而确定的端阻发挥系数和侧阻发挥系数；frk为桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa），黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值；frki为第i层的frk值。

桥位区岩体为较破碎岩体，端阻发挥系数取0.5，侧阻发挥系数取0.04，桩为钻孔灌注桩。对于中风化层作为持力层的情况，c1，c2i应分别乘以0.75的折减系数，即c1＝0.75×0.5＝0.375，c2i＝0.75×0.04＝0.03，计算结果见表1［2］。

从表1可知，4种岩石岩块密度小于其颗粒密度，具有较大的孔隙率。变异系数0.74～0.94，均大于0.3，为“巨变型”。岩石为软化岩石，在试验时，多数岩芯样遇水易崩解、散裂和掉块，部分岩芯样只能保湿，饱水不充分，软化系数低于0.54。根据室内岩块试验估算的桩端阻力容许值qrk和桩端桩侧阻力容许值qrki，有较大的不确定性，由于基岩承载力参数取值对工程投资影响较大，宜通过现场岩体力学试验来确定。

表1 主桥墩岩块物理力学性质及承载力参数估算成果表Table1 Test results of physical and mechanical property and bearing capacity parameter of rock mass in themain pier area

图1 桩侧摩阻力试验安装示意图Fig.1 Installation for the test of lateral friction resistance of pile

3 现场岩体力学试验

3.1 试验方法

根据勘察成果，郧县汉江南岸蔡家岭邓家洼塔沟右侧山体陡崖底部距引桥路基轴线约50～80 m处出露的地层，与主桥墩下卧基岩：粉砂质黏土岩、泥质粉砂岩、细砂岩和砂砾岩属相同地层延续分布。分别在这些地层开挖4条试验平洞，断面2 m× 2 m，在平洞底板布置现场岩体力学试验段。分别进行岩基载荷试验和桩侧摩阻力的试验，每种岩性分别进行1组试验，每组试验不少于3点。

岩基载荷试验为常规的标准试验方法，桩侧摩阻力现场试验是长江科学院研发的一种新的现场岩体力学试验方法。该方法不是采用模型或原型试验，而是把岩石作为一种材料，通过现场试验研究岩体的桩侧摩阻力。已在安徽铜陵长江公路大桥、南京长江第二大桥南汊桥、宜昌夷陵长江大桥和安庆长江大桥等第三系软岩地基桩基工程的优化设计中得到成功应用［3－6］。

桩侧摩阻力试体制作和载荷系统安装详见图1。桩侧摩阻力试体制作，模拟桩孔的构造（清水桩），采用人工精心凿制，直径1.0 m、深1.2 m，试体壁面铅直，打磨后起伏差控制在±1 mm，局部掉块用泥浆填平孔壁凹入处，试体制好后泡水3 d以上，抽干水后底部预留20 cm的空间（用木板托底），浇筑C30钢筋混凝土作为模拟桩，尺寸Ф1.0 m×1.0 m，待混凝土强度达到设计强度后进行试验。

在现浇的混凝土试验桩顶安装大吨位液压千斤顶，安装传力柱等传力系统。模拟桩作为刚性体将荷载均匀传递到试体桩孔的壁面上，桩的壁面主要受摩擦阻力。千斤顶加压时，通过刚性承压板上布置的测表，量测模拟桩的沉降位移。通过试验得到pi－si关系曲线。

根据试验施加的荷载、试体的壁面受力面积，桩侧摩阻力按公式（3）计算，即

式中：q′rki为桩侧摩阻力（MPa）；P为荷载（N）；u为试体的壁面周长（mm）；l为试体的壁面长度（mm）。

图2 岩体载荷试验p－s关系曲线Fig.2 Curves of pressure vs.deform ation in rock load test

3.2 岩基载荷试验成果

典型的载荷试验压力变形p－s曲线如图2所示。A点相对应的压力p为比例界限（11.22 MPa），取加载终止点C的前一级B点对应的压力p为极限荷载（13.80 MPa）。将极限荷载除以3的安全系数，所得值与对应于比例界限的荷载相比，取小值。每组／3点的最小值作为岩石地基承载力（相当桩端阻力）的容许值，列入表2。

表2 岩体载荷试验成果及桩端阻力计算值Table2 Load test results of rock mass and calculated resistance at the end of pile

3.3 桩侧摩阻力现场试验成果

试验时由千斤顶对模拟桩体逐级施加荷载，克服桩周岩体的摩阻力，桩体产生沉降位移，用百分表测量桩顶下沉位移，对应记录压力和位移，典型的桩侧摩阻力p与位移s关系曲线见图3。

图3 桩侧摩阻力试验p－s关系曲线Fig.3 Curves of lateral friction resistance p vs.deformation s of pile

桩侧摩阻力试验曲线由直线段逐渐弯曲过渡至近似垂直。A点对应的桩侧摩阻力为比例界限（0.28 MPa），C点为终止加载点，B点为终止加载的前一点，该点相对应的桩侧摩阻力为极限荷载。桩侧摩阻力试验完成后进行摩擦试验，其最大荷载低于极限摩阻力。

参照岩基载荷试验有关标准的取值方法，将侧摩阻力试验极限荷载除以3的安全系数［7］，所得值与对应于比例界限的荷载相比，取小值。采用式（3）计算桩侧摩阻力，每组／3点的最小值作为桩侧阻力的容许值，列入表3。

表3 侧摩阻力试验成果及单桩侧阻力计算值Table3 Test results of lateral friction resistance and calculated lateral friction resistance of single pile

4 试验成果的采用及优化设计

4.1 试验地段地质代表性及参数建议值

由于桥位区岩石孔隙率大，含水率高，普遍胶结较差，岩性软弱，易风化崩解，勘探孔岩芯采取率较差，岩芯破碎，取得较完整的岩芯代表性有限。细砂岩胶结最差，受扰动和失水等的影响，单轴饱和抗压强度偏低较为明显。通过平洞取岩块和桥位区钻孔芯样岩石物理力学性质试验和声波测试对比，试验平洞岩石块体密度、孔隙率、饱和单轴抗压强度指标较主墩桥基岩石的各项对应指标明显要差一些，试验平洞岩块纵波速度均低于主墩桥基岩块纵波速度，见表4和表5。

表4 平洞岩块与墩基芯样物理力学性质指标对比Table4 Comparison of physical and mechanical property indexes between rock block in adit and core samp le in pier base

这些资料说明试验平洞由于地层较浅，岩体性状较主桥墩下卧岩体性状差，试验地段与主桥墩下卧岩体的岩性相同，地质代表性近似有余。设计采用桩基岩体承载力参数可主要依据现场岩体力学试验取得的成果。由此，提出的桩基岩体承载力参数建议值见表6。

表5 平洞岩块与墩基芯样纵波速度对比Table5 Comparison of longitudinal wave velocity between rock block in adit and core sam ple in pier base

表6 桩基岩体承载力参数建议值［2］Table6 Suggested values of bearing capacity of rock mass for pile foundation［2］

4.2 桩端持力层选择与设计优化

依照钻孔单桩轴向受压承载力容许值的计算方法［7］，当frk大于2 MPa时，可不按摩擦桩计算。详勘阶段的岩石力学试验工作表明砂砾岩的基本力学性质相对较好，frk为7.78 MPa，现场砂砾岩载荷试验承载力（相当桩端阻力）的容许值为5.32 MPa，结合勘察资料分析，砂砾岩在桥基下的分布有一定厚度，可作为桥基桩端的持力层。

与初步设计阶段相比，详勘阶段提出的桩基岩体承载力参数显著提高，为优化设计提供了依据，在施工图设计阶段，设计单位采纳了表6提出的桩基岩体承载力参数建议值，选择砂砾岩为持力层。依照支承在基岩上或嵌入基岩内的钻孔单桩轴向受压承载力容许值的计算公式［7］，按摩擦桩计算，优化设计结果与初步设计对比，灌注桩减少桩长620 m，节约工程投资约400多万元。

5 结 论

（1）郧县汉江公路二桥桩基岩体属白垩～下第三系岩层，受沉积时间和环境影响，岩体的孔隙率大，含水率高，普遍胶结较差，失水风化，泡水崩解，室内岩石试验可利用岩芯的地质代表性有限。

（2）勘察设计阶段是确定工程投资规模的主要时期，同期进行现场岩体力学试验不仅避免了室内岩块试验存在的局限性，还可以与勘察设计工作紧密结合，充分发挥桩基的潜力进行优化设计。

（3）桩侧摩阻力现场试验得到的桩侧阻力容许值参照岩基载荷试验有关标准的取值方法，有3倍的安全系数折减。本次岩基载荷试验和桩侧摩阻力现场试验成果与室内岩石试验结果可相互印证。桩基承载力特性的现场岩体试验方法运用在多个工程的优化设计中的效果明显，建议在对行业技术标准修编时采纳。

［1］ 谢三红，陈荣文，周 涛，等.南水北调丹江口库区郧县汉江二桥两阶段初步设计［R］.武汉：长江勘测规划设计研究院，2007.（XIE San-hong，CHEN Rong-wen，ZHOU Tao，et al.Preliminary Design of the Two Stages of Second Hanjiang Bridge of Yun County in Danjiangkou Reservoir Region of South-to-North Water Diversion Project［R］.Wuhan：Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，2007.（in Chinese））

［2］ 余美万，边智华，陈汉珍，等.南水北调丹江口库区郧县汉江公路二桥基岩工程力学性质试验研究报告［R］.武汉：长江科学院，2008.（YU Mei-wan，BIAN Zhi-hua，CHEN Han-zhen，et al.Research Report of Tests on Mechanical Characteristics of Bedrock of Second Hanjiang Road Bridge of Yun County in Danjiangkou Reservoir Region of South-to-North Water Diversion Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2008.（in Chinese））

［3］ 边智华，李维树.南京长江第二桥南汊桥基工程力学性质试验研究［J］.长江科学院院报，1999，16（4）：42－44.（BIAN Zhi-hua，LIWei-shu.Research on Engineering Mechanics Properties of Rock Foundation under Second Changjiang Bridge in Nanjing［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1999，16（4）：42－44.（in Chinese））

［4］ 边智华，王复兴.特大型桩基及锚碇工程中的岩石力学性质研究［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（增）：1906－1909.（BIAN Zhi-hua，WANG Fu-xing.Study on Rock Mechanics Properties of Piles and Anchoring Berth of Large-Scale Bridges［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（Sup.）：1906－1909.（in Chinese））

［5］ 边智华，张利洁，景 锋，等.软岩基本质量评价及强度特性试验方法研究［J］.长江科学院院报，2008，25（5）：37－42.（BIAN Zhi-hua，ZHANG Li-jie，JING Feng，et al.Study on Base Quality Evaluation and Strength Characteristics Test Method about Soft Rock［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（5）：37－42.（in Chinese））

［6］ 边智华，文松霖，庞正江，等.确定软岩承载力参数新方法与应用［J］.南水北调科技，2008，34（1）：120－127.（BIAN Zhi-hua，WEN Song-lin，PANG Zheng-jiang，et al.New Methods for Determination Bearing Capacity Parameter of Pile Foundation in Soft Rocks and Its Applica-tion［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technology，2008，34（1）：120－127.（in Chinese））

［7］ JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.（JTSD63—2007，Code for the Design of Ground Base and Foundation of Highway Bridges and Culverts［S］.（in Chinese） ）

（编辑：姜小兰）

Bedrock Bearing Capacity of Rock-Socketed Piles of Second Hanjiang Bridge in Yun County in Danjiangkou Reservoir Region

BIAN Zhi-hua1，YU Mei-wan1，ZHOU Jian-jun2
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area，Ministry of Education，Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Rock mass of the foundation of the Second Hanjiang Bridge in Yun County consists of soft rock and extremely soft rock which are formed from Cretaceous Period to Paleogene Period.The cementation is unfavourable and they are easily degraded under disturbance.The foundation of the bridge is bored-pile socketed in rock.Laboratory physical and mechanical tests on rock samples aswell as in-situmechanical tests on the rock masswere carried out in the detailed prospecting stage.Of the adopted testmethods for themechanical properties of rock mass，themethod for the test of lateral frictional resistance force of pile is a newly proposed one.The correlation between bedrock load and settlement deformation was investigated based on in-situ tests.Permissible values of resistance force at the end of pile and lateral frictional resistance force of the pilewere both obtained，hence the limitations of laboratory testswere overcome.Suggested values of the resistance force at the end of pile and the lateral frictional force were proposed and therefore the optimization design is provided with reliable basis.

South-to-North water transfer；Danjiangkou reservoir region；Second Hanjiang Bridge in Yun County；bored pile socketed in rock；in-situ mechanical test of rock mass；resistance force at the end of pile；lateral frictional resistance force of pile

TU473.11

A

1001－5485（2013）01－0042－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.01.008

2011－07－19；

2012－05－14

国家自然科学基金资助项目（50979051）

边智华（1954－），男，湖北宜昌人，教授级高级工程师，主要从事现场岩体力学试验、岩体加固技术方面的研究，（电话）13971657789（电子信箱）bianzh999＠163.com。