沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验研究

高 坛，周传波，周小勇，王 腾，曾小毛

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

随着我国经济的快速发展，城市和交通等领域的建设如火如荼，越发复杂的地质条件对桩基础承载力的要求也越来越高。在我国华东地区，如江西、江苏和安徽等地，普遍发育着以红色碎屑岩沉积为主的泥质软岩，岩性主要为泥质粉砂岩、泥岩等，此类岩石属软质岩石，具有节理发育、岩心多呈碎块状、易开裂崩解等特征，因此在钻孔施工时极易在桩底形成沉渣[1-2]。但由于施工设备、技术及工艺水平的限制，无法完全清除桩底沉渣，而确定软岩地区有沉渣基桩承载力特性的变化规律是一个值得深入研究的课题[3-4]。

目前已有一些学者针对沉渣对软岩桩基承载力的影响进行了试验研究。如江杰等[5]依托南宁市火车东站软岩互层地基大直径灌注桩项目，对该工程2根群桩基桩进行了静载试验研究，并采用指数函数拟合法和数值反演分析法来预测其荷载沉降性状和基桩极限承载力；刘俊龙[6]通过对超长大直径钻孔灌注桩静载试验以及荷载传递性状的现场测试，得出沉渣厚度对超长桩桩端阻力的影响较大，且当桩底沉渣厚度较大、沉渣强度较弱时，其桩端阻力最大损失可达80%以上；梅国雄等[7]设计并开展了模拟桩底沉渣的基桩室内模型试验，试验结果表明沉渣的存在会使得无承台基桩的荷载-沉降曲线产生突降段，降低了基桩的承载力水平。

但是，目前尚未有直接针对沉渣厚度影响下软岩嵌岩桩承载力特性等方面的相关研究。因此，本文基于江西泰和赣江特大桥泥质粉砂岩中嵌岩桩工程，通过模型试验方法研究了不同沉渣厚度对基桩承载力的影响规律，并提出了考虑沉渣厚度的基桩承载力修正公式。利用该修正公式，可以根据钻孔取芯得出的桩底沉渣厚度预测软岩嵌岩桩的极限承载力，也可为软岩嵌岩桩设计与施工中的桩底沉渣厚度控制标准的确定提供依据。

1 模型试验方案

江西泰和赣江特大桥是昌赣高铁客运专线关键工程，设计时速250 km/h，其4#墩下伏有12根软岩嵌岩桩，基桩孔径2 m，桩长30 m，桩身嵌于微风化泥质粉砂岩中，其天然地基承载力为400 kPa，饱和抗压强度为2～3 MPa，属软岩[8-10]。为了研究不同沉渣厚度对软岩嵌岩桩极限承载力的影响规律，本文设计并开展了以下模型试验，以期得出有沉渣、无沉渣基桩的荷载-沉降曲线，进而获得有沉渣基桩的承载力特性。

图1 模型试验平面设计图(单位：cm)Fig.1 Planar graph of the test model (unit：cm)

图2 模型试验剖面设计图(单位：cm)Fig.2 Profile of the test model (unit：cm)

表1 模型试验分组

本次模型试验所用的相似材料均由配比试验得出，经过一系列正交配比试验，得出相似材料的配方、配比和物理力学参数，详见表2。其中，中砂为80目的酸洗石英砂；细砂为110目的酸洗石英砂；水泥为32.5普通硅酸盐水泥；石膏为模型专用石膏粉(主要成分为硫酸钙)。

表2 相似材料的配比、配方和物理力学参数

实际工程中桩底沉渣主要组分为岩石碎屑和泥浆，因此在模型试验中采用泥质粉砂岩相似材料碎屑来模拟桩底沉渣，碾碎后的碎屑细度约为100目，粒径约为0.1～0.2 mm，见图3。

图3 沉渣材料的制作Fig.3 Preparation of sediment material

2 模型试验步骤

依据上述模型试验方案和试验目的，制定了如下模型试验步骤：

(1) 进行相似材料配比试验，并制作试验所需的模型箱及预留孔洞所需的PVC管等。

(2) 依据相似材料配比试验结果制备软岩相似材料，并采用分层填筑的方式每层填筑约5 cm厚的软岩相似材料，且用铁锤压实;在试验箱内填筑15 cm厚的软岩相似材料后，用铁架将6根PVC管垂直置于预定位置，并保证PVC管的垂直度，再继续填筑软岩相似材料至模型箱顶部，待材料初凝后，拔出PVC管，形成的预留桩孔见图4。

(3) 预留桩孔完成后，根据材料重量与体积的关系，称量出各个孔内预定厚度的沉渣材料，并通过漏斗与直径1.5 cm的PVC管将沉渣材料平整地布设在孔底；之后再在孔内填筑嵌岩桩相似材料；待所有材料共同固结，自然养护28 d直至处于干燥状态。

图4 填筑后的软岩相似材料和预留桩孔Fig.4 Filled rock mass material and reserved holes

(4) 填筑后的整体模型养护完成后，对软岩嵌岩桩进行加载试验，见图5。模型的加载选用UTM5105型万能试验机，其计算机系统通过全数字控制器精确地控制横梁上升、下降，完成压缩、剪切等多种试验,该加载方式克服了手动液压千斤顶加载、人工读数的误差，能更精确地记录桩顶荷载-位移曲线。UTM5105型万能试验机的主要参数，见表3。

图5 模型加载现场Fig.5 Loading site of the model test

表3 UTM5105型万能试验机的主要参数

3 模型试验结果与分析

3. 1 有沉渣基桩的承载力特性

模型试验完成后，输出桩底不同沉渣厚度的6根基桩的荷载-沉降曲线，并按照模型相似比换算为桩顶的沉降量值和荷载值，见图6。参考文献[11]，桩顶沉降量控制值取30 mm。

图6 桩底不同沉渣厚度基桩的荷载-沉降曲线Fig.6 Load-settlement curves of the pile with different pile sediment thicknesses

由图6可以看出：①1#、4#基桩的荷载-沉降曲线的变化规律基本一致，表明本试验过程的误差在合理范围内；②通过对比发现，无沉渣基桩的荷载-沉降曲线趋于抛物线型，随着桩顶荷载均匀地加大，其沉降速率逐渐增大；③同一荷载下，有沉渣基桩的桩底沉渣厚度越厚，则桩顶沉降量越大；④有沉渣基桩的荷载-沉降曲线在桩顶荷载为8 000～12 000 kN时均出现了陡降现象，桩顶沉降量也大于无沉渣基桩，这是由于此时桩端阻力开始发挥作用，压缩了桩底沉渣，导致桩顶沉降量增大。

基桩极限承载力的判定方式有两种：一是视基桩荷载-沉降曲线上的拐点对应的桩顶荷载为极限承载力[11-12]；二是取基桩荷载-沉降曲线上某一桩顶沉降量对应的桩顶荷载作为极限承载力[13-15]。本文采用第二种方式确定基桩的极限承载力。

3. 2 有沉渣基桩承载力的预测公式

为了研究桩底沉渣厚度对基桩承载力的影响规律，取荷载-沉降曲线上桩顶沉降量为30 mm对应的桩顶荷载作为基桩极限承载力，即可得出每组试验的基桩极限承载力[16-17]，详见表4。

表4 桩底不同沉渣厚度基桩的极限承载力(模型相似比换算后)

注：折减系数为有沉渣基桩极限承载力与无沉渣基桩极限承载力之比。

由表4可知，经模型相似比换算后，孔径为2 m、桩长为30 m的软岩嵌岩桩极限承载力约为28 676 kN，而根据《铁路桥涵地基与基础设计规范》(TB 10093—2017)中嵌岩桩极限承载力计算公式[见下面公式(1)]计算得出的基桩允许承载力为27 318 kN，两者相差不大，但该规范的计算结果相对偏保守，基桩实际极限承载力稍大于规范经验公式的计算结果。

[P]=R(C1A+C2Uh)

(1)

式中：[P]为基桩的极限承载力(kN)；R为岩石单轴抗压强度(kPa)；A为基桩的底面积(m2)；U为基桩桩身截面周长(m)；h为基桩嵌岩深度(m)；C1、C2为清底系数，根据实际施工中桩底清孔情况，C1取0.3～0.5，C2取0.02～0.04。

此外，公式(1)在实际应用中无法基于沉渣厚度准确地预测出有沉渣基桩的极限承载力，而且若人为地根据桩底沉渣水平选取C1、C2的值，可能会使计算结果出现39.2%的误差。基于上述分析，本文对公式(1)进行了修正，提出了软岩嵌岩桩极限承载力的修正公式为

[P]=m0R(0.5A+0.04Uh)

(2)

式中：m0为折减系数，指有沉渣基桩极限承载力与无沉渣基桩极限承载力之比。

折减系数随沉渣厚度与桩径之比的变化规律，见图7。

图7 折减系数随沉渣厚度与桩径之比的变化规律Fig.7 Variation of reduction factor with the ratio of sediment thickness to pile diameter

由图7可见，折减系数随着沉渣厚度与桩径之比的增大而衰减，但衰减速率逐渐减小，其符合指数衰减的变化规律。

通过对上述结果进行回归分析，得出基于沉渣厚度与桩径之比的折减系数的计算公式为

(3)

式中：l/d为沉渣厚度与桩径之比。

公式(3)与模型试验结果的拟合优度R2为0.982，表明回归分析结果可靠。利用该公式，可基于钻孔取心得出的沉渣厚度推算出有沉渣软岩嵌岩桩的极限承载力，也可为软岩嵌岩桩在实际施工过程中桩底沉渣厚度控制值的确定提供参考。

4 结 论

本文结合江西泰和赣江特大桥4#墩软岩嵌岩桩，设计并开展了模型试验，分析了沉渣厚度对桩基承载力的影响规律，得到的主要结论如下：

(1) 无沉渣基桩的荷载-沉降曲线趋于抛物线型；在相同荷载下，有沉渣基桩的桩底沉渣厚度越大，则桩顶沉降量越大。

(2) 有沉渣基桩的荷载-沉降曲线均在桩顶荷载为8 000～12 000 kN时均出现了陡降现象，说明此时桩端承担的荷载比例在逐渐增大，桩侧承受的荷载比例也在逐渐增大。

(3) 软岩嵌岩桩极限承载力随沉渣厚度的增加呈现出非线性的变化，其符合指数衰减的变化规律。

(4) 基于模型试验结果的回归分析，提出了考虑沉渣厚度的软岩嵌岩桩承载力的修正公式，在实际施工中利用该修正公式可准确地预测软岩嵌岩桩的极限承载力，也可为桩底沉渣厚度安全阈值的确定提供参考依据。