泥质岩地区大直径深嵌岩桩的承载特性

龚成中，何春林，龚维明，戴国亮

(1.淮阴工学院 建工学院，江苏 淮安223001；2.东南大学 土木工程学院，南京210096)

随着西部建设的加快发展，越来越多的嵌岩桩在公路桥梁的建设方面得到了广泛使用。大直径超长嵌岩桩的承载特性比较复杂，迄今为止有很多专家学者对其承载特性进行了分析研究，包括理论分析、有限元数值模拟、现场试验研究等，并得到了许多有益的结论[1－5]。泥质岩在中国分布较广，目前对泥质灰岩地区大直径嵌岩桩在万吨级荷载作用下以及大嵌岩比(hr／d≥3.0)情况下的承载特性研究还比较缺乏[6－8]，基于坝陵河大桥现场的2根桩基(SZ1、SZ2)静载荷试验和北盘江大桥的1根桩基(SZ3)的静载荷试验，对该泥质岩地区大直径深长嵌岩桩在万吨级荷载作用下的承载特性进行了研究分析。对大直径深长桩嵌岩桩桩侧、桩端阻力的分布与岩性、桩侧位移的关系作了有益的分析。

1 工程概况及试桩地质条件

镇宁至胜境关高速公路是GZ65公路在贵州省境内的重要路段，也是贵州省规划的“三纵三横八支八联”公路主骨架的重要组成部分。坝陵河大桥离拟建镇宁至胜境关高速公路起点约21km，地处黔西地区的高原重丘，而北盘江特大桥位于镇宁至胜境关公路第14合同段，大桥从北盘江大小盘江之间河段跨越北盘江大峡谷，地形条件复杂。该工程试桩主要参数见表1。

试桩的主要土(岩)层分布情况见图1所示。SZ3岩体物理力学指标参数如表2所示。

图1 试桩土(岩)层分布图

2 自平衡试验方法

试桩采用自平衡测桩法[9－11]，其主要原理是在桩身平衡点位置安设荷载箱，沿垂直方向加载，即可同时测得荷载箱上、下部各自承载力。上段桩的侧摩阻力跟下段桩的侧摩阻及端阻力的合力互为反力，实现力的平衡(图2)。工程荷载箱主要置于桩端附近，能比较可靠地测出桩端阻力与桩侧阻力。加载采用慢速维持荷载法。测试前先检测了桩身混凝土强度及其完整性(超声波测试)，测试结果符合设计及规范要求。

3 结果分析

3.1 桩顶荷载－位移曲线

采用精确等效转换方法[12]，根据已测得的各土层摩阻力－位移曲线，转换至桩顶，得到试桩等效转换曲线；3根试桩的等效的桩顶荷载－位移曲线见图3。可见SZ1、SZ2、SZ3 3根试桩等效转换曲线皆为缓变型。明显不同于一般工程的中小直径的桩，无明显陡降段出现。由于试桩变位较小，故取最大加载值即为其极限承载力。实测结果如下：SZ1极限承载力为102 812kN，相应的位移为45.94mm；SZ2极限承载力为102 236kN，相应的位移为36.16mm；SZ3极限承载力为117 232kN，相应的位移为28.12mm。如以桩径的s＝0.05D位移条件作为桩基极限承载力来看，上述桩极限承载力所需位移分别为125mm、125mm、140mm。实测的位移值远小于s＝0.05D。可见该次试桩桩基的极限承载力是偏于保守的。

图2 自平衡测试示意图

图3 试桩等效转换曲线

3.2 桩端岩石特性对端阻力的影响

试桩都是把荷载箱置于桩端附近，因此能比较准确的测出桩端阻力和位移的关系曲线，试验结果可靠合理。实测结果如图4所示。

图4 桩端阻力－位移曲线

从实测的结果来看，SZ1桩端岩层主要为微风化砂质灰岩，实测的桩端极限阻力为55 000kN，相应位移为8.97mm；SZ2桩端岩层主要为弱风化的泥质灰岩，桩端极限阻力为53 570kN，相应位移为13.14mm。而SZ3主要是微风化的泥质白云岩，桩端极限阻力为47 340kN(包括桩端上部1.5m桩侧摩阻力)，相应位移为7.95mm。从曲线上可以看出，微风化的砂质灰岩与微风化的泥质白云岩，桩端阻力与桩端位移曲线两者近似平行，曲线也近似成直线关系。端阻完全发挥所需位移较大。而弱风化的泥质灰岩由于风化关系，桩端阻力超过一定数值后，荷载－位移曲线呈现向下弯曲的趋势。

3.3 试桩中不同岩层的桩侧阻力

根据实测结果，绘制出的桩侧阻力分布图见图5(分级加载的桩侧阻力仅绘制出部分荷载作用下的情形)。

在SZ1、SZ2试桩中，侧壁岩层主要为泥质灰岩。SZ1实测的最大侧阻力分布情况是：弱风化泥质灰岩为87.7kPa，微风化泥质灰岩为311.6kPa，微风化砂质灰岩为404.5kPa；SZ2试桩中，实测的弱风化泥质灰岩为115.4kPa，与SZ1数值不同的主要原因是两者侧阻力发挥的位移是不一致的，而SZ2中微风化泥质灰岩为323.0kPa，与SZ1相差不大。

在SZ3试桩中，桩侧岩层主要为泥质白云岩。实测的最大侧阻力分布情况是：强风化泥质白云岩为45kPa，弱风化泥质白云岩为270kPa，而微风化泥质白云岩为319kPa。

3.4 桩土界面相对位移与桩侧阻力的发挥

由于向上变位较小，岩层摩阻力没有充分发挥，根据实测摩阻力，同时考虑到位移协调原则，即荷载箱处上段桩变位取与下段桩变位相等原则，采取双曲线函数拟合摩阻力－位移的τ－s函数。每层岩石采用同一曲线拟合，此时可拟合出的SZ1、SZ2、SZ3桩侧摩阻力与桩侧位移曲线见图6所示。

从SZ1拟合曲线来看，弱风化的泥质灰岩极限侧阻力为155.3kPa，微风化泥质灰岩为488.5kPa，而微风化砂质灰岩为607.1kPa，对应的极限位移为8.97mm。

图5 桩侧阻力分布图

从SZ2拟合曲线来看，弱风化的泥质灰岩极限侧阻力为310.5kPa，微风化泥质灰岩为428.4kPa，对应的极限位移为13.14mm。

从SZ3拟合曲线来看，与泥质灰岩相比，弱风化或微分化的泥质白云岩桩侧阻力的发挥所需要的侧移较小，桩侧极限侧摩阻力约为324kPa。而强风化泥质白云岩的侧摩阻力约为71kPa，相应桩侧位移仅为3.45mm。

表3试桩各土层侧摩阻力中，预估极限侧阻力一栏为勘探报告书所提供的极限侧阻力。实测结果与此对比表明，SZ1弱风化泥质灰岩、SZ3强风化泥质白云岩实测的极限侧阻力与预估承载力相差较大，这可能与岩土工程性质有关，也可能是受到施工以及测试方法的影响，在工程施工中应引起足够重视。

表3 试桩各土层侧摩阻力

4 结论

自平衡测试法在大吨位的桩基测试中，体现了安全可靠，不占场地的优点。节省了大量的人力和物力，为大吨位的桩基承载力检测提供了一种很好的解决方法。

实测的3根大吨位试桩的桩顶荷载－位移曲线皆为缓变型。与一般的中小直径桩明显不同。且在所需的极限荷载作用下，桩顶位移远小于s＝0.05D的条件要求，桩基承载力是偏于安全的。

从桩端阻力和位移关系来看，微风化的砂质灰岩和泥质白云岩承载力能力较高，潜能较大。而弱风化的泥质灰岩荷载位移曲线在荷载作用下明显呈向下弯曲趋势。

从拟合的桩侧摩阻力－位移曲线来看，微风化的或弱风化的泥质白云岩桩侧阻力发挥所需的位移较小，而泥质灰岩桩侧阻力的发挥所需的位移较大。

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