软硬互层地层条件下灌注桩承载力特性研究

2023-12-13李富祥李欢建

甘肃科技 2023年11期

叶波，李富祥，李欢建

（贵州地矿基础工程有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

“互层”在地质术语中是指两种岩层反复出现，岩层相间呈韵律沉积[1]。“软硬互层”即硬质岩与软质岩反复出现，呈韵律沉积。通常硬质岩风化较慢，软质岩风化较快，因此在场地中风化差异较明显，导致其工程特性也呈现明显差异。

目前，国内学者对于软硬互层岩体的研究取得了一些成果，吴渤等[2]通过对软硬互层岩体进行模型试验以及数值模拟，对软硬互层岩体进行了单轴压缩试验，其破坏规律为岩层倾角对试样的单轴抗压强度影响较大，破坏面主要沿软硬分层的薄弱面发育。郑佩莹等[3]通过川渝红层软岩水平互层对桥梁扩大基础承载力影响的有限元分析，得出利用软硬互层中的强度较高的岩层作为持力层和软硬互层中的强度较高的硬岩相对应的均质基岩作为持力层，2种情况下容许承载力和极限承载力近似。郑玉元等[4]采用钻探、超声波测井、抽水试验、水质分析、地微震测量、室内岩土力学试验等综合勘探测试方法，确定薄至中厚层状泥质白云岩、泥质灰岩夹泥岩、页岩组成的软质岩与硬质岩互层状岩体地基承载力特征值，结合地区建筑经验合理评价并充分挖掘软质岩与硬质岩互层状岩体地基承载力特征值（fa）和基坑边坡设计参数C、Ф。陈宇龙等[5]、黄琪嵩和程久龙[6]的研究均表明互层岩体由于层间力学属性不同，软岩底板由于其承载能力弱，会加剧底板应力的集中程度，导致底板岩层的破坏深度和范围都大大增加。姚池等[7]、王亮清等[8]的研究表明软硬互层岩体的抗压强度、弹性模量等存在各项异性。

前述研究成果中，尚未对软硬互层地层下的基础设计及持力层的选择进行分析。实际工程中，软硬互层地层条件下，当采用灌注桩时，穿越软硬互层带将持力层放在完整的微风化基岩中是最安全的，但是若软硬互层带埋层较深，这样的方案将导致桩长过长，不仅造价高，工期长，而且施工难度大，故在软硬互层带的地质条件下，其持力层的选取应进行必要的试验研究。考虑到软硬互层带的各项异性及地质体的复杂性，桩基承载力特性未知，从安全角度考虑，必须通过对其进行专门的试验验证其可行性。它不同于其他端承桩主要考虑桩端阻力，软硬互层带的桩基，更应结合嵌岩部分的桩侧阻力，按摩擦端承桩进行试验研究。文章以贵阳市南明区某项目为例，对软硬互层地层条件下灌注桩承载力特性进行了研究。

1 工程概况

拟建项目如下：①幼儿园（18班）建筑高度为12.6 m（3F），建筑面积4 657 m2，用地面积8 248 m2；②小学（24班）建筑高度16.2 m（4F），建筑面积8 640 m2，用地面积23 490 m2；③中学（30班）建筑高度19.8 m（5F），建筑面积15 000 m2，用地面积33 903 m2。根据校园规划分为教学区、生活区、体育区及附属设施4个功能区。其中小学食堂部分采用中风化页岩夹薄层泥晶灰岩软硬互层带作为桩基持力层。小学食堂部分单柱荷载为6 000 kPa，通过技术论证拟采用人工挖孔灌注桩作为基础，并将桩置于软硬互层带中。为验证桩基可行性，对场地的3根桩身混凝土强度为C40的人工挖孔灌注桩进行了单桩竖向抗压静载试验自平衡法检测。

2 场地岩土特点及试桩情况

场地位于贵阳市南明区，主要位于低中山溶蚀残丘，地势总体起伏较大，场区无大型构造，残丘及少量峰林分布于岩溶谷地中，属中低山地貌。根据区域地质构造图及现场踏勘情况，拟建场地附近无断裂层（带）经过。第四系覆盖层主要为素填土（Qml），耕植土（Qpd），第四系残坡积层（Qel+dl）红黏土，土层最大厚度为23.4 m，下伏基岩为三叠系下统沙堡湾组（T1s）薄层状页岩夹薄层泥晶灰岩，岩体风化程度不同，形成比较发育的软硬互层带。

该软硬互层带由页岩夹薄层灰岩泥晶灰岩组成，薄层灰岩夹层厚度约为0.1 m，页岩夹层厚度为约0.3 m，岩层产状平缓为19°～22°，薄层灰岩，饱和单轴抗压强度标准值frk=35.3 Mpa，总体上岩石为较硬岩，岩体较破碎。灰、黄绿色页岩饱和单轴抗压强度标准值为frk=5.44 Mpa，总体上岩石为软岩，岩体较破碎，如图1所示。

图1 场地软硬互层基岩露头

该工程试桩为3根人工挖孔灌注桩，桩径1 200 mm持力层均为页岩夹薄层泥晶灰岩软硬互层带，桩身混凝土强度为C40。这3根试桩参数见表1。

表1 试桩参数

3 试验设备及方法

该工程的3根试桩单桩竖向抗压静载采用自平衡法检测[9]。其检测原理[10]是将一种特制的加载装置—荷载箱，在混凝土浇筑之前和钢筋笼一起埋入桩内相应的位置，将加载箱的加压管以及所需的其他测试装置从桩体引到地面，然后灌注成桩。有加压泵在地面像荷载箱加压加载，使得桩体内部产生加载力，通过对加载力与这些参数之间的关系的计算和分析，不仅可以获得桩基承载力，而且可以获得每层土层的侧阻系数、桩的侧阻、桩端承力等一系列数据。仪器设备包括荷载箱、电子位移计、数据采集仪、精密压力表、桩身应力计、电动油泵、刚性承压板、油管若干等，如图2所示。

图2 试验装置图

为详细了解试桩在竖向荷载作用下内部应力-应变的变化，采用振弦式钢筋应力计，每根试桩预估埋置2层量测断面，每一层断面设4根钢筋应力计，呈对称布置，并在桩顶设置1层钢筋应力计为标定断面，每桩共设12根钢筋应力计。

4 试验结果及分析

4.1 桩竖向抗压静载试验成果及分析

试验现场制作3根试桩进行竖向抗压静载试验，试验桩位大直径桩，按沉降量S=0.05D（D为桩径）对应的荷载为极限荷载。通过对试验数据整理可知，岩性为薄层状页岩夹薄层泥晶灰岩的软硬互层地层条件下，试桩的荷载-沉降曲线表现为缓变-陡降-缓变型，当桩顶荷载水平较小时桩基沉降增长缓慢，当桩顶荷载达到一定值后，沉降迅速增加，卸荷以后存在缓慢的卸荷回弹现象。通过测试得出试桩S1单桩承载力极限值为12 690 kN，试桩S2单桩承载力极限值为15 270 kN，试桩S3单桩承载力极限值为13 880 kN，见表2。

表2 静载试验成果表

根据图3—图5的荷载-沉降（Q-s）曲线得出的极限荷载值，绘制单桩承载力极限值-桩长关系图，如图6所示。

图3 试桩S1荷载-沉降（Q-s）曲线

图4 试桩S2荷载-沉降（Q-s）曲线

图5 试桩S3荷载-沉降（Q-s）曲线

图6 单桩承载力极限值-桩长关系图

可以看出，软硬互层地层条件下单桩承载力极限值与桩长具有很好的相关性，单桩承载力极限值随着桩长的增加而增加。可见在软硬互层场地条件下，桩长较短时桩长是影响桩基单桩极限承载力最主要的因素。

4.2 桩身内力测试

通过桩身内力测试得出，试桩S1侧阻力埋深0～0.39 m，端阻力埋深3.8 m，试桩S1侧阻力极限值为447.0 kPa、端阻力极限值为4 155.8 kPa；试桩S2侧阻力埋深0～4.5 m，端阻力埋深4.5 m，试桩S2侧阻力极限值为454.1 kPa、端阻力极限值为5 000.0 kPa；试桩S3侧阻力埋深0～4.2 m；端阻力埋深4.2 m，试桩S3侧阻力极限值为442.3 kPa、端阻力极限值为4 545.5 kPa，见表3—表5。