基于凝灰岩抗压强度的高架道路嵌岩桩设计与施工

张延风

上海市民防地基勘察院有限公司，上海市，200234

随着我国经济社会的快速发展，城市中各类车辆的保有量日渐增多。交通拥挤逐渐成为制约城市发展的重要因素。在一些经济发展较快的城市中，城市路网的完善就成为城市建设的重中之重。其中，高架道路的建设也就应运而生。目前，在城市高架道路的实际建设中，有一部分是依托现有道路的改造，打造立体交通网。因此，在进行工程地质勘察中，往往采用的是公路规范、地方性的勘察规范和对应的国家标准或规范。但在实际工作中，往往会出现当前规范中不够明确的一些问题。如在软岩分布区嵌岩桩的设计勘察中，如何确定岩石单轴抗压强度(frk)值，且利用该值对桥墩(台)嵌岩桩设计进行指导，就是常见的高架道路工程地质问题之一。

在软岩区嵌岩桩的设计中，岩石单轴抗压强度(frk)是一项重要的力学参数，也是前期工程地质勘察的主要任务。该值的大小将直接影响桩基的类型、桩径、桩长及配筋等，为嵌岩桩的设计提供依据和参考。本文以绍兴市快速路改造工程为例，通过对凝灰岩的采样、测试，对单轴抗压强度值的统计、分析，结合公路规范和桩基规范计算了嵌岩桩的轴向承载力和竖向承载力，分析了其影响因素，为嵌岩桩设计提供工程案例和理论支撑。

1 工程概况

研究工程为绍兴市二环西路智慧快速路改造工程的一部分，地处绍兴市中心城区的越城区，主线快速路采用“高架主线+地面辅道”的建设形式，高架段采用双向6车道规模；地面辅道建设标准为城市主干路。高架段基础形式采用桩基，桩径尺寸为1.50～1.80 m，单桩承载力为15 000 kN。

绍兴二环西路位于绍兴市越城区西南，与柯桥区相邻。前期，不少学者针对绍兴和柯桥区区域地质背景和工程地质特征开展系列研究[1-2]。为方便开展高架工程勘察及后期工程设计，项目同时收集整理了该区域的有关勘察和施工等原始资料，以期对本工程所在区域地质条件和工程概况有更为系统和深入的了解。

资料显示[3-4]，绍兴市柯桥区区域构造上属钱塘江台褶带东端与浙东南褶皱带交接区，近场地区断裂构造有北东向的江山—绍兴断裂、常山—漓渚断裂，北西向的孝丰—三门湾断裂和近东西向的昌化—普陀断裂。这些断裂构造均在工程区外围通过，且断裂活动规模较小，未影响到上部土层。区域地质资料显示[5]，场地区内未发现第四纪断层，因而本工程区域属相对稳定地带。

工程场地在地貌上属萧绍滨海相沉积平原地貌单元，紧邻绍兴地区南部的低山丘陵区。上部为新近纪堆积的填土、湖沼相沉积的粘性土层和海相沉积的淤泥质软土层，中、下部为冲积相、河湖相沉积的粘土层及砂层，下伏基岩为白垩系下统壳山组(K1k)凝灰岩，因此凝灰岩的岩石学特征及力学属性也是工程勘察的重点任务之一。

2 岩石特征

2.1 凝灰岩的特性

研究表明[6-7]，该区域凝灰岩为酸性或中酸性岩浆形成，其岩石特征属于火山碎屑岩和熔岩两种岩石的过渡类型，略偏于火山碎屑岩中的凝灰岩类型。岩石主要形成过程为火山爆发，又兼有火山喷溢作用。因此，该区域岩石是具有“爆溢”(爆发-喷溢)成因特征的中间性岩石，属喷出岩。正是由于该区域凝灰岩成因的复杂性，使得本区域的凝灰岩在矿物成分、结构构造、颗粒含量等方面差异性较大。这种岩石的组分及结构特征导致岩石的力学性质也有明显差异，其中岩石的抗压强度影响明显，在数值上相差3～5倍，有时甚至更大。

受地质条件及形成过程影响，该区凝灰岩岩石学特征空间分布差异性大，且受区域空间延展范围影响明显。因此，同一岩层空间展布区域大，不同点位岩层单轴抗压强度值也不相同。线型工程以横跨不同地貌为主要特征，其工程地质勘察时对同一岩层的单轴抗压强度要求较高。因此，该区高架道路工程在不同墩台区，其岩层单轴抗压强度存在区域差异性，对后期设计影响较大。

2.2 野外取样

研究表明，室内试验是确定建筑材料和地基基础应力强度的重要手段[8]。为系统调查凝灰岩力学特征及空间分布规律，根据相关规定进行岩芯样品采集，并测试其单轴抗压强度。岩石的单轴抗压强度除了与岩石的结构构造、矿物成分、胶结类型、风化程度、裂隙分布以及湿度等内部因素密不可分之外，还与外业取样方法、封存以及试验条件等外因有关。因此，为保证岩石单轴抗压强度测试具有原位性，在样品采集时，其勘探孔布置及取样深度均按照规范要求施行。

对于勘探点布置，行业规范有明文规定。具体见《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)第6.11.3条规定[9]。规定中明确指出，对于工程地质条件较为简单的区域，每个桥位墩(台)设计1个钻孔能够满足要求；工程地质条件较为复杂的区域，每个桥位墩(台)设计钻孔应多于1个。《城市轨道交通岩土工程勘察规范》 (GB 50307-2012)第7.4.3条也指出[10]，如工程项目对控制变形要求高，高架区间勘探点应逐墩布设。因此，在工程实践中，往往采取“一墩一孔”的钻孔布设方案，本次研究按照这种方案执行。

勘探孔深度要求一般可参考《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)第5.11.4条规定[9]，极软岩、软岩或较软岩，钻入微风化基岩内不宜少于5 m。在勘察规范中没有规定勘探孔岩样的取样位置，但《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)第7.4.2条[11]，在谈到基桩承载力的验算时明确指出，桩端持力层为中-微风化岩层，且取出岩芯可以制成试件，应在近桩底部位一米范围内进行岩芯取样；如遇分层岩性时，应在各分层岩面分别取样。在勘察时，可参照这个要求，在进入中风化或微风化后3～5 m范围内取样。研究区凝灰岩属于软质岩石类型，按照上述规范，在桩底1 m范围内进行岩芯取样，具体样品可见图1。取样后，根据《建筑工程地质勘探与取样规程》(JGJ T 87-2012)规定[12]，采用纱布条蜡封或黏胶带立即密封，保证样品的原位性，进行室内试验。

图1 研究区勘探孔岩芯样品

《高层建筑岩土工程勘察标准》(JTG T72-2017)第8.1.12条规定[13]，在对岩样进行单轴极限抗压强度测试时，如岩样为软质岩，可直接保持天然湿度进行上机测试，无需经过饱和处理。根据上述规范和当地工程经验，在本工程实例中，对凝灰岩的单轴极限抗压强度进行测量时，亦采用天然湿度试样。

2.3 测试结果

室内对天然凝灰岩试样进行单轴抗压强度测试，具体结果见表1。根据相关勘察规范(JTGC20-2011)规定[9]，在对岩石的单轴抗压强度进行分析时，要利用多个试件数据的标准值。其标准值是由平均值、标准差、变异系数和修正系数来进行计算得出。具体见公式：frk =ψ·frm。对于数据计算过程及后期数据处理时，要求变异系数不大于0.3，修正系数大于0.75，根据这种规范对于一些异常数据进行剔除，然后最终确定该桥梁的标准值作为设计值，具体测试数据及异常值剔除情况如表1。

由表1可见，共测试试件单轴抗压强度22个，剔除不符合数据4个，有效统计数据个数为18个。其中，单轴抗压强度最大值为38.55 MPa，最小值为15.61 MPa，平均值为26.78 MPa，标准值为23.76 MPa。其变异系数为0.271，小于0.3，修正系数为0.887，大于0.75，符合规范要求。

表1 勘探点单轴抗压强度一览表

3 单轴抗压强度的应用

在实际工程地质勘察中，岩石的单轴抗压强度主要用于计算桩基承载力。同样地，目前在城市高架道路嵌岩桩的承载力计算中，也多依据这种方法进行。本研究依据上述凝灰岩样品单轴抗压强度数据，分别基于公路规范和桩基规范计算了桩基承载力。

3.1 公路规范

在高架道路工程桥墩嵌岩桩承载力计算时，往往依据《公路桥涵地基与基础设计规范》进行[14]。规范中明确指出，对于嵌入在或支撑在基岩中的钻孔、沉桩，其轴向受压承载力特征值可以按照公式(1)来计算：

(1)

式中，frk为桩端岩石的饱和单轴抗压强度标准值；frki为第i层frk值；hi为桩嵌入各个岩层的厚度；m为岩层的层数，在岩层层数计算时不含全风化层、强风化层；n为土的层数；ζs为覆盖层土的侧阻力系数。

3.2 桩基规范

桩基规范中对于单桩竖向极限承载力的计算也有明确规定[11]。对于高架等道路工程中桩身在较完整基岩岩层中的嵌岩桩，其单桩竖向极限承载力受桩周围土和嵌岩段的力学特征影响。具体来看，可按照公式(2)-(4)来进行计算。

Quk=Qsk+Qrk

(2)

Qsk=u∑qsikli

(3)

Qrk=ζrfrkAp

(4)

式中，Quk代表围土的总极限侧阻力；Qsk、Qrk分别是土层段和嵌岩段总极限端阻力；Quk和Qrk均用标准值表示；qsik代表桩周第i层土的极限侧阻力；frk为岩层的饱和单轴抗压强度标准值；ζr为桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数值。

从计算方法上不难看出，两种规范均是由桩周土层总侧阻力、嵌岩段总侧阻力和总端阻力三部分组成。一般来说，桩端的端阻力计算值比较大，受单轴抗压强度影响较大。在上述两种规范中，该值应采用标准值。但在规范中，并未明确指出两种规范在实际工程中使用的范围和条件。因此，在实际使用中，往往会出现一些偏差，比如上表中部分钻孔标准值和实测值对应的单桩承载力相距就比较大，详见表2。

表2 部分钻孔单桩竖向承载力计算表

3.3 实际应用

由上述案例可见，研究区凝灰岩单轴抗压强度实测值波动范围较大。而试件单轴抗压强度的实测值波动较大时，使用单轴抗压强度的标准值来进行计算，会导致部分钻孔计算结果偏大，无法满足实际要求。

造成这种现象的原因还是由于凝灰岩成岩作用过程中诸多因素、地层空间延展及地形地貌特征。此外，高架道路为典型的线状构筑物，场地内部的水平高程差异也加剧了岩性的波动范围。因此，即便在进行地质勘察时，布孔和取样过程中严格按照规范要求操作，实际测量的岩石单轴抗压强度也具有明显的离散性，为了准确反映实际情况，满足设计要求，应进行适当调整，具体来看有以下解决办法。

首先，针对单轴抗压强度实测值小于标准值的钻孔，尤其是在计算过程中，作为异常数据剔除的小值钻孔，后期应进行验算。如不满足设计对竖向承载力的要求，应通过增加嵌岩深度等施工方法进行调整。在上述实例中，通过计算将嵌岩深度适当增加后，基本可满足要求。

其次，在后期总结勘察数据和提出设计方案时，如发现岩石的单轴抗压强度的测量值的离散性偏大，应当对多因素进行系统分析。尤其对地层的空间展布特征进行分析，看有无地层歼灭、透镜体等特殊地质现象存在。然后根据地层资料、构造展布等特征，重新对地质分区进行合理的调整。

4 结 论

由于目前在工程勘察领域，没有应用于高架桥梁的专门规范。因此，在诸如凝灰岩之类的较软岩地区，针对岩层单轴抗压强度的确定与应用等类似具体的工程问题，应当根据实际情况进行合理的分析。本次研究可见，简单地利用岩芯试样实测应力数据进行统计分析，通过平均值和标准差等统计方法计算的标准值，作为桩基设计的依据，会产生一些工程问题。因此，对于桩端持力层的单轴抗压强度实际值小于标准值的桩，桩基设计长度不够，存在安全系数较小等安全隐患。如在实际施工过程中忽略这些问题，会导致嵌岩桩等无法达到使用要求，最终影响高架桥梁的安全。而针对实测值小于标准值的桩，应进行重复验算，使得每个墩台的单桩承载力满足设计要求，保障高架桥梁施工安全。