软质岩石桥梁大直径桩侧摩阻力试验研究

冯瑞俊

（晋中公路分局试验室，山西 晋中 030600）

我国现行《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）中对岩石的坚硬强度划分为5级，其中软岩和极软岩分别定义为饱和单轴抗压强度15 MPa≥fr＞5 MPa、fr≤5 MPa的岩石，而《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）规定全风化、强风化软质岩石是指母岩饱和单轴抗压强度标准值frk≤15 MPa的岩石，并给出了相应的极限侧摩阻力标准值以供参考[1-2]。泥岩作为分布广泛的软质岩质，由于强度较低，其侧摩阻力的发挥表现出与硬质岩层和土层不同的规律，众多的工程实践表明，其实测极限摩阻力值比《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）规定的参考值大，这给泥岩桩基承载力的确定及桩长、桩径等尺寸设计带来一定的困难[3-6]。本文依托泸州市渡改桥工程安富第一过江通道工程，尝试结合现场自平衡载荷试验和室内接触摩擦剪切试验，对全风化-中风化泥岩的侧摩阻力发展规律和大直径桩的承载特征进行研究，以期为大直径桩基工程的设计和软质岩石侧摩阻力参数的选取提供参考和基础资料。

1 工程概况

图1 拟建桥位平面位置图

图2 拟建桥梁主桥立面图

泸州市安富第一过江通道工程（河东长江大桥）地处四川省泸州市纳溪区，连接泸州市纳溪区和江阳区。如图1、图2所示，桥位位于连千子渡口下游约480 m处，设计推荐采用斜拉桥和整幅连续梁桥组合桥型，引桥为3×（3×30）m预应力混凝土整幅连续箱梁、主桥为（61+72+75+520+75+72+61）m斜拉桥，桥梁下部桩基采用钻孔灌注桩，设计直径为2.5 m，设计桩长为45～60 m。

2 现场自平衡试验

2.1 测试方法及测试条件

选取13号墩2号、4号桩基进行现场自平衡试验，在桩身平衡点位置处安装加载装置（载荷箱），其中2号桩基设计直径为2.5 m，其桩长为50 m，载荷箱设置在距桩底15 m位置处，4号桩基设计直径为2.5 m，其桩长为50 m，载荷箱设置在距桩底10 m位置处。测试时，通过高压油泵向载荷箱加压，载荷箱将压力传递至桩身，在分级加载作用下，预先埋设在桩体内的钢筋计测试出相应截面处的不同荷载阶段的应变量，进而求得桩周各个土层的侧摩阻力和桩端的端阻力。

13号墩中心里程为K00+532.1，墩位置处的地层概况如表1所示。

表1 13号墩位置处地质概况

2.2 测试成果分析

图3、图4分别为2号和4号试桩的现场自平衡试验荷载-位移曲线，依据《工程地质手册》（第五版）试桩承载力的确定可以按式（1）确定[7]：

式中：Pu为试桩单桩极限承载力，kN；Quu为试桩上段桩的加载极限值，kN；Qlu为试桩下段桩的加载极限值，kN；W为载荷箱上部桩自重，kN；γ为与土体类型有关的系数，黏性土、粉土取0.8，砂土取0.7，岩石取1.0。

图3 2号试桩荷载-位移曲线

图4 4号试桩荷载-位移曲线

表2为试桩极限侧摩阻力和极限承载力计算值。

表2 试桩极限侧摩阻力和极限承载力计算结果

从表2中可以看出，2号试桩的单桩极限侧摩阻力值与单桩竖向抗压极限承载力值之比为95%，而4号试桩为87%，表明软质岩石中，钻孔灌注桩的承载能力很大程度依赖于侧摩阻力，桩端阻力占比较小，属于摩擦桩。

图5为各级载荷作用下，桩身范围内的各土层的侧摩阻力变化曲线，从图中可以看出，随着荷载的增加，土层的侧摩阻力随之增加，同时，在同一作用下，随着深度的增加，桩身侧壁的土层侧压力也随之增加，进而引起侧摩阻力随着深度的增加而增加。

图5 各级荷载作用下土层侧摩阻力变化曲线

图6 软质岩层侧摩阻力与桩土相对位移曲线关系

图6为试桩在软质岩层中的侧摩阻力和桩-土相对位移关系曲线图。从图中可以看出，在同一土层中，2号试桩和4号试桩的曲线变化关系一致，在全风化和中风化泥岩中，侧摩阻力随着桩土位移的增加，在初始阶段呈线性迅速增加，随着位移的进一步发展，土体的侧摩阻力呈非线性增加，桩基的承载能力充分发挥，当达到土体的极限摩阻力之后，侧摩阻力逐渐趋于收敛，在中风化泥岩中由于测试深度较大，桩土相对位移较小，观测数据尚未达到收敛阶段。

3 室内接触剪切试验

3.1 测试方法和测试条件

在室内接触剪切试验中制作了桩-土剪切模型，桩模型和岩样模型皆为直径8 cm、高10 cm的圆柱体，试验时，将桩模型和岩样模型皆对半切开，桩模型放入上剪切盒而岩样放入下剪切盒进行剪切。为了符合实际情况和考虑泥浆护壁对侧摩阻力的影响，剪切前将实际施工时配置的新鲜泥浆涂抹在桩-土剪切面上。试验中所用的桩模型配合比采用施工现场桩基的配合比配制，为水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.325∶1.345∶2.183，而岩样为高质量取样设备取样后，在天然含水率条件下进行试验。

每组室内剪切试验取5个岩样，在5个等级的垂直压力下进行剪切试验，即垂直压力σ1、σ2、σ3、σ4、σ5，其中σ1为土层厚度中点位置处的垂向水平应力，σ4为极限载荷作用下桩土之间的侧向应力，σ2约为60%σ4，σ3约为80%σ4，σ5约为120%σ4。施加垂直压力后，采用1.0 mm/min的速度进行剪切，当剪应力的读数都达到稳定或有明显后退时，剪切至剪切变形为4 mm。

3.2 测试成果分析

图7～图9分别为全风化泥岩、强风化泥岩和中等风化泥岩接触剪切试验成果。从图中可以看出，剪应力与剪应变的变化规律与现场自平衡载荷试验（图6）规律一致，随着剪应变的增加，剪应力大致经历线性增加、非线性增加和收敛3个阶段。同时随着垂直应力的增加（对应于现场自平衡载荷试验土层深度的增加，如图5），收敛阶段的剪应力也增加。

图7 剪应力与剪切位移变化曲线（全风化泥岩）

图8 剪应力与剪切位移变化曲线（强风化泥岩）

图9 剪应力与剪切位移变化曲线（中风化泥岩）

对图7～图9应力应变曲线的上升阶段和收敛阶段分别作切线，交角的平分线与曲线交点为屈服剪切应力，然后绘制5个等级的垂直压力及其对应屈服剪应力关系曲线，可求得全风化泥岩、强风化泥岩和中等风化泥岩接触剪切试验的屈服参数如表3所示。

表3 屈服参数计算结果

利用线性摩尔库伦公式将屈服黏聚力和屈服内摩擦角换算成侧摩阻力，并与图6中内摩擦角进行对比分析，如表4所示。

表4 侧摩阻力对比分析

从表4中可以看出，室内试验与现场自平衡载荷试验测得的软岩的侧摩阻力值较为接近，但与《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）参考值相比，明显增大，且随着风化程度的减弱，偏离经验值越厉害。因此，在实际大直径桩基工程的设计和软质岩石侧摩阻力参数的选取时，应考虑经验值过于保守造成的不必要浪费。

4 结论

a）由于软质岩石强度较低，其侧摩阻力的发挥表现出与硬质岩层和土层不同的规律，钻孔灌注桩的承载能力，很大程度依赖于侧摩阻力，桩端阻力占比较小，属于摩擦桩，随着深度的增加，桩侧壁土层水平侧压力也不断增加，导致极限侧摩阻力具有随着深度增加的规律。

b）现场自平衡试验表明，与《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）参考值相比，全风化-中等风化泥岩的侧摩阻力实测值较大，且随着风化程度的减弱，偏离经验值越厉害。

c）室内接触摩擦剪切试验与自平衡载荷试验得到的泥岩侧摩阻力接近。室内接触摩擦剪切试验结果表明，随着剪应变的增加，剪应力大致经历线性增加、非线性增加和收敛3个阶段。同时随着垂直应力的增加，收敛阶段的剪应力也增加。