南宁枢纽第三系极软岩摩擦桩地质参数试验研究

周关学，张广泽，付开隆

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

自平衡试桩法是接近于竖向抗压(拔)桩的实际工作条件的试验方法。其主要原理为：将特制的荷载箱提前预埋在预估的桩身平衡点位置。将加载设备与钢筋笼连接后安装在桩身平衡点位置，并将高压油管和位移丝一起引到地面。试验时，从桩顶通过输压管对荷载箱内腔施加压力，荷载箱向上顶上段桩身的同时，向下压下段桩身(或桩底)，使桩身上部和桩身下部摩阻力及端阻力互为反力。随着荷载的增加，箱盖与箱底被推开，从而调动桩周土的摩阻力与端阻力，直至破坏。将桩侧土摩阻力与桩底土阻力迭加即可得到单桩抗压承载力。试验装置见图1。

图1 验装置示意

从目前工程界大量的应用情况来看，该方法具有较高的可靠性及应用价值[2-8]。对于第三系软弱地层，由于桩端阻力和侧摩阻力较小，则需特别关注，该地层实测的数据较少，因此亟需对其开展相关的研究，积累这一关键数据资料[1]。本文依托柳南客专引入南宁枢纽工程项目，研究自平衡试桩法在南宁枢纽第三系极软岩地层中的应用技术，检测试验桩基承载力是否满足设计要求，研究第三系极软岩地层摩擦桩的桩端阻值、侧摩阻值等。

1 工程概况

柳南客专全长225.78 km，设计时速250 km，北起广西壮族自治区工业重镇柳州市，向南行经来宾市，终到自治区首府南宁市。柳南客运专线的建成，将极大地提高湘桂铁路客货运输能力和质量，对进一步促进西部大开发，缩小东西部区域经济差距，带动沿线旅游事业发展，加快加强国防建设等具有十分重要的意义和作用。柳南客专引入南宁枢纽DK712+709～DK790+350段线路长度44.20 km，其中桥梁工程34座，总计长度17.2 km，该段为柳南客专与南广铁路四线并行工程。

2 工程地质特征

南宁枢纽位于南宁向斜的断陷盆地内，地形较平坦，上覆土层较薄，基岩为第三系极软岩地层，为上第三系(N)和下第三系(E)的一套碎屑岩系地层，主要岩性为泥质粉砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥页岩夹煤层，泥岩、砂质泥岩的蒙脱石含量高，中至强膨胀(岩)土，为半成岩地层，岩质极软弱，风化层厚，力学指标低，工程场地地基层力学指标为：第三系全风化层(W4)桩周极限摩阻力fi=50～55kPa，强风化层(W3)桩周极限摩阻力fi=70～85 kPa，弱风化层(W2)天然单轴极限抗压强度Rb=4MPa。本枢纽桥梁桩基设计为摩擦桩基础，本次研究选择5座桥中的18根摩擦桩作为现场试桩试验，试桩地质概况详见表1。

3 现场试验研究

该项目现场研究选用自平衡试桩法测定第三系极软岩地层摩擦桩的桩端阻值、侧摩阻值。现场试验研究如下。

3.1 Q-S曲线图

通过提前预埋的位移杆，可以测得荷载箱加载的每一级荷载所对应的上位移及下位移。得到向上、向下两条荷载—位移曲线(Q-S曲线)。沙江大桥1号桩Q-S曲线见图2。

表1 试桩概况及地层岩性

图2 沙江大桥1号桩Q-S曲线

3.2 等效Q-S曲线图

桩的承载力Q为总摩阻力Qs与总端阻力Qp之和，即Q=Qs+Qp

经计算，绘制沙江大桥1号桩等效Q-S曲线图，等效Q-S曲线图见图3。

图3 沙江大桥1号桩等效Q-S曲线

3.3 桩轴力计算

桩身轴向力QZ值由公式求得：

Qz=QsiEc·A/Es·As

(1)

式中：Qz为某级荷载作用下桩身某截面的轴向力(kN)；Qsi为钢筋应力计在某级荷载作用下所受的压力(kN)；Ec为基桩桩身材料弹性模量(kN/m2);A为基桩截面面积(m2);Es为钢筋的弹性模量(kN/m2)；As为主筋截面积(m2)。

从式(1)中可以看出，每级荷载作用下，截面桩身轴向力PZ与该截面钢筋应力计所受压力Qsi存在正比关系。在建立试桩标定截面处的QZ～Qsi相关方程后，各量测截面的桩身轴向力QZ值便可由相应的相关方程求得。

经计算，沙江大桥1号桩第三系极软岩地层强风化层(W3)桩端承载力试验推算值为793 kN，绘制沙江大桥1号桩桩身轴力图，桩身轴力图见图4。

图4 沙江大桥1号桩桩身轴力

3.4 桩侧摩阻力计算

各层桩侧摩阻力qs可根据下式求得：

式中：qs为桩侧各土层的摩阻力(kN/m2)；ΔQZ为桩身量测截面之间的轴向力QZ之差值(kN)；ΔF为桩身量测截面之间桩段的侧表面积(m2)。

经计算，沙江大桥1号桩第三系极软岩地层全风化层(W4)极限侧摩阻力试验值为74 kpa ；强风化(W3) 极限侧摩阻力试验值为88 kpa，该地层残积层粉质黏土极限侧摩阻力试验值为47 kpa。绘制沙江大桥1号桩桩身侧摩阻力图，桩身侧摩阻力图见图5。

图5 沙江大桥1号桩桩身侧摩阻力

4 试验研究结果

该项目现场选择粟村大桥6根、沙江大桥3根、上坡大桥3根、坛造大桥3根、潭满绿大桥3根等5座桥的18根摩擦桩进行了自平衡试桩试验研究，测定第三系极软岩地层摩擦桩的桩端阻值、侧摩阻值，其各试验桩侧摩阻力及桩端阻值见汇总表2。

5 结论

通过柳南客专引入南宁枢纽桥梁摩擦桩基选用自平衡试桩法现场试验研究，得到第三系极软岩地层摩擦桩地质参数结论：

(1)第三系极软岩地层全风化层(W4)极限侧摩阻力试验值平均值为71 kpa ；强风化(W3) 为89 kpa，弱风化(W2) 为132 kpa，该地层残积层粉质黏土试验值平均值为54 kpa。

(2)第三系极软岩地层强风化层(W3)桩端承载力试验推算值平均值为747 kN；弱风化层(W2)桩端承载力试验推算值平均值为1 438 kN。

表2 实测桩侧摩阻力及桩端承载力阻值汇总