貴州地區中風化泥巖嵌巖樁承載特性分析

蔡 行，黃質宏*，穆 銳，肖麗娜，劉玖虹

(1.貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025; 2.陸軍勤務學院 軍事設施系，重慶 401331; 3.貴州鑫瑞達科技有限公司，貴州 貴陽 550014)

改革開放以來，樁基技術和基礎理論有了突破性進展，逐步拓寬了樁基礎的應用，促成了種類繁多的樁型的出現。樁基礎在實際工程的應用中，表現出良好的整體性，剛度大，能經受很大的豎向荷載和水平荷載，具有良好的穩定性。對于大、重、高的建筑的要求，樁基礎能很好的適應。因此，現今的建筑物都趨向于利用樁基礎作為建筑物的基礎。隨著城市化進程不斷地增速，越來越多的高層、超高層建筑物在貴州地區興建，樁基礎得到了較為普遍的應用。貴州屬于巖溶地區，地質構造復雜，巖性多樣化，其上覆土層較薄，厚度一般不超過20 m,并且基巖表層起伏不平。因此，很多建筑物的持力層都選擇厚度比較大的破碎或較破碎巖層。

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[1]規定，樁端置于完整、較完整的基巖時，樁基礎才能按照嵌巖樁的計算方式進行計算。王田龍等[2]結合現場自平衡靜載荷試驗、相關規范和國內外學者的研究成果，分析研究了較破碎巖石地基嵌巖樁的承載性能；穆銳等[3]對強風化泥質灰巖樁基的承載特性進行了研究分析；許仁欽等[4]對貴陽某超高層鉆孔灌注樁進行了樁基自平衡靜載荷試驗，對其樁基承載力進行了分析研究。但在實際工程中，對于較破碎、破碎巖層的樁基承載力的計算，常將嵌巖樁作為端承樁考慮，在計算過程中不考慮樁側阻力的作用，計算結果偏于保守，使得樁基礎的承載力未能完全發揮效用。

因此，本文通過選取貴州地區比較有代表性的某建筑工程的基樁現場進行自平衡靜載荷試驗，分析貴州地區中風化泥巖嵌巖樁的承載性能，為該建筑樁基的設計提供技術依據，為樁承載力自平衡靜載荷試驗在貴州省內的應用提供參考。

1 工程概況

本次試驗采用貴州省內某建設工程項目。根據工程項目的巖土工程勘察報告可知：工程項目場區的地層為石炭系中統黃龍群組泥巖，巖體節理、裂隙發育，且節理、裂隙的貫通性較好，主要呈豎向型發育、網狀發育，發育密度較高。該項目巖土構成自上而下依次是：素填土層(Qml)、黏土層(Qel+dl)、強風化泥巖層(C1hn)、中風化泥巖層(C2hn)。各巖層特點為：素填土層顏色較雜，由黏土、碎塊石組成，結構稍密，為新近平場回填形成；黏土層局部缺失，顏色為黃色，殘積坡形成，可塑，結構致密，平均厚度2.8 m；強風化泥巖層局部缺失，顏色為淡黃與淺灰色，尚存殘余層理結構，巖體極破碎，局部偶夾中風化殘塊，平均厚度2.5 m；中風化泥巖層顏色為灰黑、深灰色，局部偶夾中風化石灰巖及泥質灰巖斑塊，微節理裂隙發育，隙面被黏土及鐵膜所覆蓋，部分為方解石脈充填，水溶蝕作用強烈，屬于較破碎巖體。

貴州省碳酸鹽巖廣布，巖溶發育廣泛，泥巖是貴州地區分布比較廣泛的巖石。本次試驗樁基礎的持力層采用了中風化泥巖層，該巖層為貴州省典型的鹽溶化地層，具有一定的代表性。

2 試樁概況

根據《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2014)[5]與《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[6]的要求，當設計有要求或有下列情況之一時，施工前應進行試驗樁檢測并確定單樁極限承載力：設計等級為甲級的樁基；無相關試樁資料可參考的設計等級為乙級的樁基；地基條件復雜、基樁施工質量可靠性低；本地區采用的新型樁型或采用新工藝成樁的樁基。

在工程現場進行了4根試樁的單樁豎向承載力自平衡靜載荷試驗，以確定該建筑場區建筑基樁中風化泥巖層極限側阻力標準值qsk、極限端阻力標準值qpk，為該場區建筑基樁的設計提供技術依據。

工程項目選取人工挖孔樁作為建筑物的基礎形式，將樁端嵌入中風化泥巖層中。為了對本工程樁基礎的施工工藝、質量、承載能力有一個客觀的評價，在工程現場進行試樁1#、試樁2#、試樁5#、試樁6#自平衡靜載荷試驗。試樁各項參數和樁端巖層見表1。試樁荷載箱位置、鋼筋應力計位置和各巖層分布情況見圖1。從圖1可以看出：荷載箱埋置在樁身底部，鋼筋應力計埋置在巖層交界處，在荷載箱以上3 m處安裝了3個鋼筋應力計。

表1 試樁參數Tab.1 Test pile parameters

圖1 1#、2#、5#、6#試樁示意圖Fig.1 Schematic diagram of 1#，2#，5# and 6# test pile

3 現場試驗

3.1 試驗原理

1969年，日本的中山(Nakayama)和藤關(Fujiseki)提出用樁側阻力來作為樁端阻力的反力測試樁的承載力，稱為樁端加載試樁法。20世紀末，Cernac和Osterberg等發展了相似的技術。Osterberg將此技術運用于工程實踐，并推廣至全世界。因此，這種檢測方法稱為Osterberg-Cell載荷試驗或者O-cell載荷試驗。

和傳統的靜載試驗相比，自平衡檢測技術設備簡易，施工場地占用率小，節省物資，不需要笨重的反力設施，試樁準備作業省時、省力、安全。該試驗方法節省試驗用度，耗時少，有利于增加試樁的數目，拓寬檢測面，已在全國許多地區成功應用。國內學者鄧立志等[7],鄭莎莎[8],龔維明等[9-10]，戴國亮等[11]，龐國英等[12]，黃生根等[13]進行了不同情況樁的現場自平衡試驗。

本次試驗采用了自平衡檢測技術來對樁基承載力進行試驗檢測。自平衡檢測技術檢測樁：在樁身平衡點安裝荷載箱；對荷載箱施加垂直荷載；同時測得荷載箱上、下部各自承載力和荷載-位移曲線，由此計算得到樁頂豎向受荷的承載力大小及荷載-位移特性。自平衡測樁裝置見圖2。

圖2 自平衡試驗原理圖Fig.2 Schematic diagram of self-balance test

3.2 試驗規程

以慢速維持荷載法作為加載方式，試樁承載力的測試按《基樁承載力自平衡檢測技術規程》(DBJ 52/T079—2016)[14]要求執行，4根試樁按照統一的加卸載分級進行試驗。同時，根據附錄B中的等效轉換法，可以將自平衡檢測技術所得樁身上部荷載位移曲線和樁身下部荷載位移曲線等效轉換為傳統的靜載荷試驗的荷載位移曲線，見圖3。

圖3 結果轉換圖Fig.3 Result conversion diagram

4 試驗結果分析

4.1 Q-S曲線分析

根據工程項目現場實際的情況，檢測試驗嚴格按照相關規范的要求進行。由現場自平衡靜載荷檢測結果能夠得出，1#、2#、5#、6#試樁在加載到預估極限載荷時均未發生破壞。根據檢測結果可以看出：4根試樁的Q-S曲線均為“緩變型”曲線，并且在加載過程中并未發生陡降現象。4根試樁的上下樁的Q-S曲線見圖4。4根試樁的最終加載值、上樁最大位移、下樁最大位移見表2。

從圖4可以看出：當加載載荷量小于三級載荷時，試樁上樁、下樁位移量較小，樁體承載力未能充分發揮作用；作用在樁上的荷載主要由樁端阻力承載，樁側摩阻力并未全面發揮效用。當加載載荷大于三級載荷時，樁側土和樁身發生了相對位移，樁側土與樁身之間的摩阻力在樁身承載力上起到了較大的作用；隨著荷載的不斷增加，樁端阻力逐漸發揮作用，與樁側摩阻力共同承擔荷載。

4.2 中風化泥巖嵌巖樁承載特性分析

由現場自平衡靜載荷試驗所記錄的樁身軸力與載荷的數據分析，可以得到在不同的荷載作用下，1#、2#、5#、6#試樁樁身軸力分布曲線，見圖5。

圖4 試樁的Q-S曲線Fig.4 The Q-S curve of the test pile

表2 現場試驗加載位移結果Tab.2 The displacement results of the field test loading

傳統靜載荷試驗可得一條倒三角形的軸力分布圖，軸力最大的位置在樁基礎的頂部，最小的位置在靠近樁底的位置。傳統樁基礎軸力的分布隨樁基礎埋置深底的變化而變化，一般是逐漸遞減的規律。從圖5可以看出：荷載箱以上樁段，樁身軸力的大小隨樁身埋置深度的增加而增大，形成下大上小分布；嵌巖段的樁身軸力變化幅度相較于非嵌巖段要大得多。因此，以中風化泥巖作為嵌巖樁持力層時，樁側摩阻力與樁端阻力一起承擔嵌巖段的樁身荷載，其中起主要承擔作用的是樁側摩阻力。

根據DBJ 52/T079—2016，4根試樁單樁豎向抗壓極限承載力Qu可由式(1)確定。

(1)

式中：Qu為樁的單樁豎向抗壓極限承載力；Qsu為樁上段樁的極限承載力；Qxu為樁下段樁的極限承載力；W為樁荷載箱上部樁自重；γ為樁的向下、向上摩阻力轉換系數，γ取1.0。

分別計算出各個試樁的抗壓極限承載力之后，根據DBJ 52/T079—2016確定試樁的抗壓承載力特征值。計算結果見表3。

根據JGJ 94—2008第5.3.2條和《高層建筑巖土工程勘察規程》(JGJ 72—2004)[15]第8.3.12條規定，計算風化泥巖層極限端阻力標準值qpk和中風化泥巖層的樁側極限側阻力標準值qsk，見式(2)、(3)。根據現場試驗所得數據計算qpk、qsk，計算結果分別見表3、表4。

(2)

圖5 中風化泥巖嵌巖樁軸力分布圖Fig.5 Axial force distribution of moderately weathered mudstone

(3)

式中：Qu上為荷載箱上部樁的極限值；Qu下為荷載箱下部樁的極限值；Ap為樁端截面面積；Pz為極限荷載作用下距荷載箱3 m處鋼筋應力計所在截面的軸向力；W為荷載箱上部樁嵌巖段自重；μ為樁身截面周長；l為荷載箱與鋼筋應力計所在截面之間試樁樁身長度，l=3 m。

表3 各樁極限承載力計算結果Tab.3 Ultimate bearing capacity calculation results of each pile

由表3可知：4根試樁的極限端阻力標準值為6 195 kPa，極差為0 kPa，小于4根試樁平均值的30%(6 195×30%=1 859 kPa)，滿足規范和設計要求。根據JGJ 72—2004中的規定，嵌巖灌注樁中等風化巖石極限端阻力取值為3 000～9 000 kPa。結合場區中風化泥巖遇水易軟化的特性，本場區中風化泥巖層樁端極限端阻力標準值建議取qpk=6 100 kPa。

由表4可知，4根試樁中風化泥巖層樁側極限側阻力標準值極差為609 kPa-604 kPa=5 kPa，小于4根試樁平均值的30%(607×30%=182 kPa)。根據JGJ 72—2004中的規定，嵌巖灌注樁中等風化巖石極限側阻力取值為300～800 kPa。結合場區中風化泥巖遇水易軟化的特性，中風化泥巖層樁側極限側阻力標準值建議取qsk=600 kPa。

綜上可以得出：樁側摩阻力與樁端阻力在樁承載力中的相應占比，分別為9%、91%，樁側摩阻力占比小，端阻力主要承擔作用在樁底的荷載，本次試驗的4根試樁都屬于端承摩擦型。

表4 中風化泥巖層樁側極限側阻力標準值qsk計算結果Tab.4 The calculation results of standard value of ultimate lateral resistance of piles in middle weathered mudstone layer

5 結論與建議

對貴州省內某建設工程項目的基樁現場進行自平衡靜載荷試驗，由中風化泥巖嵌巖樁的承載性能分析，得到以下結論和建議：

(1)所有試樁的荷載位移曲線都是沒有明顯拐點的緩慢變形曲線。在試驗結束時，樁體產生了一定的回彈量，即持力層的地基承載力未達到極限值，有一定的富余。

(2)試驗結果表明，通過自平衡法確定中風化泥巖樁的極限側阻力和極限端阻力是可行的。在嵌巖深度滿足規范要求時，可采用試驗的極限側阻力和極限端阻力對試樁的單樁豎向承載力特征值進行估算。

(3)從樁身軸力分布圖可知，基樁自平衡靜載荷試驗軸力分布與荷載箱的埋置位置有關。在荷載箱上部，樁身軸力隨埋置深度的增加而增大，呈三角形分布。這與傳統靜載荷試驗樁身軸力倒三角分布有明顯區別。而且，在嵌巖段的樁身軸力變化幅度相較于非嵌巖段要大得多。

(4)從樁端阻力和樁側阻力的計算結果可以看出：在中風化泥巖層中，試樁底部端阻力主要承擔試樁頂部荷載，樁側阻力承擔荷載比例較小，可以為貴州地區的建筑基樁設計提供一定的參考。

(5)本場區內巖層為中風化泥巖，存在較豐富的地下水。巖基的承載性能受外界因素影響較大，中風化泥巖遇水易軟化。施工時應引起高度重視，防止一切形式的地下水對樁底中風化泥巖長時間浸泡，影響巖基的承載性狀。