持力层为中风化泥岩单桩竖向承载力计算探讨

李孝平

（中铁四院集团广州设计院有限公司，广东 广州 510600）

0 引 言

对于中小跨度的公路、城市道路桥梁，桥墩经常采用双柱或多柱排架墩，基础采用钻孔灌注桩。在我国南方地区，基桩的持力层经常会遇到泥岩，特别是中风化泥岩，其遇水易软化，从而降低桩的承载力。虽然中风化泥岩其单轴天然抗压强度标准值frk可以达到7 MPa以上，单桩竖向承载力完全适合按嵌岩桩进行计算，但由于其单轴饱和抗压强度标准值frk较低，在4 MPa～5 MPa之间，这就给其单桩竖向承载力计算[1-3]带来了一定的困扰：究竟是按照嵌岩桩[4-7]计算单桩竖向承载力合适，还是按摩擦桩[8-9]计算单桩竖向承载力合理一些？若按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）[10-11]中公式（5.3.4）计算，嵌岩桩单桩轴向受压承载力容许值为：

即嵌岩桩单桩轴向受压承载力由桩端阻力、嵌岩段侧阻力、嵌岩段以上桩周土侧阻力三部分组成，为安全起见，对嵌岩段以上桩周土侧阻力根据嵌入基岩的强度值进行了折减。当岩石饱和单轴抗压强度标准值frk小于2 MPa时按摩擦桩计算。

但实际情况是当岩石饱和单轴抗压强度标准值frk大于2 MPa，小于5 MPa时，按嵌岩桩计算并不一定合理。本文以一个工程实例，通过对比计算，试图对这个问题进行探讨，以期对同类问题有所帮助。

1 工程概述

某上跨既有铁路立交桥采用跨度为30 m及40 m的预制小箱梁，桥面分左右幅，半幅桥宽15 m。桥墩采用双柱墩，墩间距8 m，墩柱直径1.3 m及1.5 m，基础为钻孔灌注桩，桩径1.5 m及1.8m。桥台采用板凳式桥台，双排桩，桩径1.2 m。桩端持力层为中风化泥岩。

1.1 工程地质

（1）①层素填土：层厚2.4 m，主要成份由粘土组成、夹建筑垃圾、砖块等杂物组成，结构稍密，局部压实，性质不均匀，该层不宜直接作为建（构）筑物的天然地基持力层。

（2）②1层淤泥质土：层厚2.2 m，层位不稳定，深灰色，饱和，流塑，含有机质，具腥味，摇震反应轻微，干强度及韧性低，夹粉砂。为场地内浅层软土层，具有承载力低、高压缩性、高灵敏度、抗剪能力差等特点，工程力学性质差。

经26次标贯试验，实测击数N′=1～2击，平均1.23击，标准差σ=0.43，变异系数δ=0.349，击数标准值为1.08击。

（3）②4层细砂：层厚 2.3 m，灰褐色，饱和，松散～稍密，石英质，分选一般，局部夹淤泥及中砂，工程性质一般。

经33次标贯试验，实测击数N′=9～19击，平均13.42击，标准差σ=2.63，变异系数δ=0.196，击数标准值为12.63击。

（4）②5层淤泥质粉砂：层厚4.2 m，灰黑色，饱和，松散，主要成份为石英，含泥质，局部夹淤泥质土，局部夹细砂，工程性质一般。

经52次标贯试验，实测击数N′=4～9击，平均5.27击，标准差σ=1.47，变异系数δ=0.279，击数标准值为4.92击。

（5）②3层中粗砂：层厚 12 m，灰白色，饱和，稍密～中密，主要成份为石英，含粉粘粒，颗粒不均，分选性较好，工程性质一般。

（6）③层强风化岩带（W3）：层厚 3.3 m，灰黑色，泥质结构，层状构造，节理裂隙发育，岩石风化作用强烈，岩石结构基本破坏，岩芯呈柱状、块状、半岩半土状，风化不均，局部夹中风化泥岩。岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类。层顶埋深大，工程力学性质较好，有较高的强度，但遇水易软化。

（7）④层中风化泥岩（W2）：风化不均匀，局部夹强风化岩。岩性主要为泥岩。层顶埋深大，工程力学性质好，强度高，天然单轴抗压强度为2.6～26.6 MPa，平均值为 10.1 MPa，标准值为 7.1 MPa，饱和单轴抗压强度为4.1～6.0 MPa，平均值为5.0 MPa，可做桩基持力层，桩端遇水易软化会降低桩的承载力，设计时应考虑。

1.2 桩基设计参数（见表1）

1.3 桩顶设计荷载

桥台：桩径D1=1.2 m，桩顶最大竖向力Nmax1=5 500 kN；

桥墩：两种桩径，分别为：桩径D2=1.5 m，桩顶最大竖向力Nmax2=7 500 k N；桩径 D3=1.8 m，桩顶最大竖向力Nmax3=11 000 kN。

2 桩基计算

2.1 按嵌岩桩计算

按照嵌岩桩设计，依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）[8-10]中公式（5.3.4）计算，嵌岩桩单桩轴向受压承载力容许值为：

式中：[Ra]为单轴轴向受压承载力容许值，kN；Ap为桩底横截面面积，m2；frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值，kPa；ζs为覆盖层侧阻力发挥系数；hi为桩嵌入基岩深度，m，不包括全风化层、强风化层；u为桩身周长，m；qik为侧阻力标准值，kPa；c1、c2为根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的系数。其中：C1Apfrk为桩端阻力；uΣC2ihifrki为嵌岩段桩侧阻力；1/2ζsuΣliqik为嵌岩段以上桩周土侧阻力。（1）桩径 D1=1.2 m，U1=3.77m，Ap1=1.13 m2，桩顶最大竖向力Nmax1=5 500 kN。这里c1取值 0.5，c2取值 0.04，frk取单轴饱和抗压强度 5 MPa，ζs取 0.8，嵌岩深度hi=2 m，桩长28.4 m，代入公式（5.3.4）计算，则：5 500 kN（可）。

表1 桩基设计参数表

若frk取单轴饱和抗压强度4 MPa，重新代入公式（5.3.4）计算，则：

（2）桩径 D2=1.5 m，U2=4.71 m，Ap2=1.767 m2，桩顶最大竖向力Nmax2=7 500 kN。

重复前面的计算，当frk取单轴饱和抗压强度5 MPa时，

当frk取单轴饱和抗压强度4 MPa时，

（3）桩径 D3=1.8 m，U3=5.65 m，Ap3=2.54 m2，桩顶最大竖向力Nmax3=11 000 kN。

重复前面的计算，当frk取单轴饱和抗压强度5 MPa时，

当frk取单轴饱和抗压强度4 MPa时，

桩端嵌入基岩深度不足，按嵌入基岩4 m，hi=4 m，桩长30.4 m，重新计算，则：

2.2 按摩擦桩计算

按摩擦桩设计，依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）中公式（5.3.3-1）计算，摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值为：

其中，qr=m0λ[[fa0]+k2r2（h-3）]，（5.3.3-2）。

式中：qr为桩端处土的承载力容许值，kPa，当持力层为砂土、碎石土时，若计算值超过下列值，宜按下列值采用：粉砂1 000 kPa，细砂1 150 kPa，中砂、粗砂、砾砂 1 450 kPa，碎石土 2 750 kPa；[fa0]为桩端处土的承载力基本容许值，kPa；λ为修正系数；m0为清底系数；Apqr为桩端阻力；1/2uΣliqik为桩周土侧阻力。

（1） 桩径 D1=1.2 m，U1=3.77 m，Ap1=1.13 m2，桩顶最大竖向力Nmax1=5 500 kN。

参考《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）中表 3.3.4、表 5.3.3-2、表 5.3.3.3，这里m0取 1.0，λ 取 0.68，k2取 6。r2取 18 kN/m3，[fa0]取 600 kPa，h=28.4 m，代入公式（5.3.3-2）计算，则：

代入公式（5.3.3-1）计算，则：

（2）桩径 D2=1.5 m，U2=4.71 m，Ap2=1.767 m2，桩顶最大竖向力Nmax2=7 500 kN。

重复前面的计算，则：

[Ra]=3929+4016=7 945（kN）＞Nmax2=7 500 kN（可）。

（3） 桩径 D3=1.8 m，U3=5.65 m，Ap3=2.54 m2，桩顶最大竖向力Nmax3=11 000 kN。

重复前面的计算，则：

[Ra]=4713+5772=10485（kN）＜Nmax3=11000kN（不可）。

桩长加长2 m，h=30.4 m，重新计算，则：

qr=1.0×0.68×[600+6×18×（30.4-3）]=2420 kPa＜2 750 kPa，qr取 2 420 kPa，代入公式（5.3.3-1）计算，则：

3 计算分析

将上述计算结果绘制成表2、表3进行对比。从这两张对比表可以看出：

（1）当桩端持力层单轴饱和抗压强度frk=5 MPa时，按嵌岩桩计算的桩的总抗力[Ra]比按摩擦桩计算的桩的总抗力[Ra]要大，同时来自桩端的阻力要比桩周侧阻力显著一些。

（2）当桩端持力层单轴饱和抗压强度frk=4 MPa时，按嵌岩桩计算的桩的总抗力[Ra]比按摩擦桩计算的桩的总抗力[Ra]要小，同时来自桩周侧阻力要比桩端阻力显著一些。

表2 单轴饱和抗压强度frk=5 MPa，[fa0]=600 kPa，基桩计算对比表

表3 单轴饱和抗压强度frk=4 MPa，[fa0]=600 kPa，基桩计算对比表

4 结 论

（1）当桩端持力层单轴饱和抗压强度frk≥5 MPa时，来自桩端的阻力要比桩侧阻力显著一些，基桩按嵌岩桩计算更合理些。

（2）当桩端持力层单轴饱和抗压强度frk≤4 MPa时，来自桩侧的阻力有时要比桩端阻力显著一些，基桩按摩擦桩计算更合理些。

（3）上覆土层的性质和厚度，决定了桩周土侧阻力发挥作用的程度：若桩侧阻力占全部桩的总抗力[Ra]的占比较大，宜按摩擦桩进行计算；若桩侧阻力占全部桩的总抗力[Ra]的占比较小，宜按嵌岩桩进行计算。