贵州地区中风化泥岩嵌岩桩承载特性分析

蔡 行，黄质宏*，穆 锐，肖丽娜，刘玖虹

(1.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025; 2.陆军勤务学院 军事设施系，重庆 401331; 3.贵州鑫瑞达科技有限公司，贵州 贵阳 550014)

改革开放以来，桩基技术和基础理论有了突破性进展，逐步拓宽了桩基础的应用，促成了种类繁多的桩型的出现。桩基础在实际工程的应用中，表现出良好的整体性，刚度大，能经受很大的竖向荷载和水平荷载，具有良好的稳定性。对于大、重、高的建筑的要求，桩基础能很好的适应。因此，现今的建筑物都趋向于利用桩基础作为建筑物的基础。随着城市化进程不断地增速，越来越多的高层、超高层建筑物在贵州地区兴建，桩基础得到了较为普遍的应用。贵州属于岩溶地区，地质构造复杂，岩性多样化，其上覆土层较薄，厚度一般不超过20 m,并且基岩表层起伏不平。因此，很多建筑物的持力层都选择厚度比较大的破碎或较破碎岩层。

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[1]规定，桩端置于完整、较完整的基岩时，桩基础才能按照嵌岩桩的计算方式进行计算。王田龙等[2]结合现场自平衡静载荷试验、相关规范和国内外学者的研究成果，分析研究了较破碎岩石地基嵌岩桩的承载性能；穆锐等[3]对强风化泥质灰岩桩基的承载特性进行了研究分析；许仁钦等[4]对贵阳某超高层钻孔灌注桩进行了桩基自平衡静载荷试验，对其桩基承载力进行了分析研究。但在实际工程中，对于较破碎、破碎岩层的桩基承载力的计算，常将嵌岩桩作为端承桩考虑，在计算过程中不考虑桩侧阻力的作用，计算结果偏于保守，使得桩基础的承载力未能完全发挥效用。

因此，本文通过选取贵州地区比较有代表性的某建筑工程的基桩现场进行自平衡静载荷试验，分析贵州地区中风化泥岩嵌岩桩的承载性能，为该建筑桩基的设计提供技术依据，为桩承载力自平衡静载荷试验在贵州省内的应用提供参考。

1 工程概况

本次试验采用贵州省内某建设工程项目。根据工程项目的岩土工程勘察报告可知：工程项目场区的地层为石炭系中统黄龙群组泥岩，岩体节理、裂隙发育，且节理、裂隙的贯通性较好，主要呈竖向型发育、网状发育，发育密度较高。该项目岩土构成自上而下依次是：素填土层(Qml)、黏土层(Qel+dl)、强风化泥岩层(C1hn)、中风化泥岩层(C2hn)。各岩层特点为：素填土层颜色较杂，由黏土、碎块石组成，结构稍密，为新近平场回填形成；黏土层局部缺失，颜色为黄色，残积坡形成，可塑，结构致密，平均厚度2.8 m；强风化泥岩层局部缺失，颜色为淡黄与浅灰色，尚存残余层理结构，岩体极破碎，局部偶夹中风化残块，平均厚度2.5 m；中风化泥岩层颜色为灰黑、深灰色，局部偶夹中风化石灰岩及泥质灰岩斑块，微节理裂隙发育，隙面被黏土及铁膜所覆盖，部分为方解石脉充填，水溶蚀作用强烈，属于较破碎岩体。

贵州省碳酸盐岩广布，岩溶发育广泛，泥岩是贵州地区分布比较广泛的岩石。本次试验桩基础的持力层采用了中风化泥岩层，该岩层为贵州省典型的盐溶化地层，具有一定的代表性。

2 试桩概况

根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)[5]与《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[6]的要求，当设计有要求或有下列情况之一时，施工前应进行试验桩检测并确定单桩极限承载力：设计等级为甲级的桩基；无相关试桩资料可参考的设计等级为乙级的桩基；地基条件复杂、基桩施工质量可靠性低；本地区采用的新型桩型或采用新工艺成桩的桩基。

在工程现场进行了4根试桩的单桩竖向承载力自平衡静载荷试验，以确定该建筑场区建筑基桩中风化泥岩层极限侧阻力标准值qsk、极限端阻力标准值qpk，为该场区建筑基桩的设计提供技术依据。

工程项目选取人工挖孔桩作为建筑物的基础形式，将桩端嵌入中风化泥岩层中。为了对本工程桩基础的施工工艺、质量、承载能力有一个客观的评价，在工程现场进行试桩1#、试桩2#、试桩5#、试桩6#自平衡静载荷试验。试桩各项参数和桩端岩层见表1。试桩荷载箱位置、钢筋应力计位置和各岩层分布情况见图1。从图1可以看出：荷载箱埋置在桩身底部，钢筋应力计埋置在岩层交界处，在荷载箱以上3 m处安装了3个钢筋应力计。

表1 试桩参数Tab.1 Test pile parameters

图1 1#、2#、5#、6#试桩示意图Fig.1 Schematic diagram of 1#，2#，5# and 6# test pile

3 现场试验

3.1 试验原理

1969年，日本的中山(Nakayama)和藤关(Fujiseki)提出用桩侧阻力来作为桩端阻力的反力测试桩的承载力，称为桩端加载试桩法。20世纪末，Cernac和Osterberg等发展了相似的技术。Osterberg将此技术运用于工程实践，并推广至全世界。因此，这种检测方法称为Osterberg-Cell载荷试验或者O-cell载荷试验。

和传统的静载试验相比，自平衡检测技术设备简易，施工场地占用率小，节省物资，不需要笨重的反力设施，试桩准备作业省时、省力、安全。该试验方法节省试验用度，耗时少，有利于增加试桩的数目，拓宽检测面，已在全国许多地区成功应用。国内学者邓立志等[7],郑莎莎[8],龚维明等[9-10]，戴国亮等[11]，庞国英等[12]，黄生根等[13]进行了不同情况桩的现场自平衡试验。

本次试验采用了自平衡检测技术来对桩基承载力进行试验检测。自平衡检测技术检测桩：在桩身平衡点安装荷载箱；对荷载箱施加垂直荷载；同时测得荷载箱上、下部各自承载力和荷载-位移曲线，由此计算得到桩顶竖向受荷的承载力大小及荷载-位移特性。自平衡测桩装置见图2。

图2 自平衡试验原理图Fig.2 Schematic diagram of self-balance test

3.2 试验规程

以慢速维持荷载法作为加载方式，试桩承载力的测试按《基桩承载力自平衡检测技术规程》(DBJ 52/T079—2016)[14]要求执行，4根试桩按照统一的加卸载分级进行试验。同时，根据附录B中的等效转换法，可以将自平衡检测技术所得桩身上部荷载位移曲线和桩身下部荷载位移曲线等效转换为传统的静载荷试验的荷载位移曲线，见图3。

图3 结果转换图Fig.3 Result conversion diagram

4 试验结果分析

4.1 Q-S曲线分析

根据工程项目现场实际的情况，检测试验严格按照相关规范的要求进行。由现场自平衡静载荷检测结果能够得出，1#、2#、5#、6#试桩在加载到预估极限载荷时均未发生破坏。根据检测结果可以看出：4根试桩的Q-S曲线均为“缓变型”曲线，并且在加载过程中并未发生陡降现象。4根试桩的上下桩的Q-S曲线见图4。4根试桩的最终加载值、上桩最大位移、下桩最大位移见表2。

从图4可以看出：当加载载荷量小于三级载荷时，试桩上桩、下桩位移量较小，桩体承载力未能充分发挥作用；作用在桩上的荷载主要由桩端阻力承载，桩侧摩阻力并未全面发挥效用。当加载载荷大于三级载荷时，桩侧土和桩身发生了相对位移，桩侧土与桩身之间的摩阻力在桩身承载力上起到了较大的作用；随着荷载的不断增加，桩端阻力逐渐发挥作用，与桩侧摩阻力共同承担荷载。

4.2 中风化泥岩嵌岩桩承载特性分析

由现场自平衡静载荷试验所记录的桩身轴力与载荷的数据分析，可以得到在不同的荷载作用下，1#、2#、5#、6#试桩桩身轴力分布曲线，见图5。

图4 试桩的Q-S曲线Fig.4 The Q-S curve of the test pile

表2 现场试验加载位移结果Tab.2 The displacement results of the field test loading

传统静载荷试验可得一条倒三角形的轴力分布图，轴力最大的位置在桩基础的顶部，最小的位置在靠近桩底的位置。传统桩基础轴力的分布随桩基础埋置深底的变化而变化，一般是逐渐递减的规律。从图5可以看出：荷载箱以上桩段，桩身轴力的大小随桩身埋置深度的增加而增大，形成下大上小分布；嵌岩段的桩身轴力变化幅度相较于非嵌岩段要大得多。因此，以中风化泥岩作为嵌岩桩持力层时，桩侧摩阻力与桩端阻力一起承担嵌岩段的桩身荷载，其中起主要承担作用的是桩侧摩阻力。

根据DBJ 52/T079—2016，4根试桩单桩竖向抗压极限承载力Qu可由式(1)确定。

(1)

式中：Qu为桩的单桩竖向抗压极限承载力；Qsu为桩上段桩的极限承载力；Qxu为桩下段桩的极限承载力；W为桩荷载箱上部桩自重；γ为桩的向下、向上摩阻力转换系数，γ取1.0。

分别计算出各个试桩的抗压极限承载力之后，根据DBJ 52/T079—2016确定试桩的抗压承载力特征值。计算结果见表3。

根据JGJ 94—2008第5.3.2条和《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72—2004)[15]第8.3.12条规定，计算风化泥岩层极限端阻力标准值qpk和中风化泥岩层的桩侧极限侧阻力标准值qsk，见式(2)、(3)。根据现场试验所得数据计算qpk、qsk，计算结果分别见表3、表4。

(2)

图5 中风化泥岩嵌岩桩轴力分布图Fig.5 Axial force distribution of moderately weathered mudstone

(3)

式中：Qu上为荷载箱上部桩的极限值；Qu下为荷载箱下部桩的极限值；Ap为桩端截面面积；Pz为极限荷载作用下距荷载箱3 m处钢筋应力计所在截面的轴向力；W为荷载箱上部桩嵌岩段自重；μ为桩身截面周长；l为荷载箱与钢筋应力计所在截面之间试桩桩身长度，l=3 m。

表3 各桩极限承载力计算结果Tab.3 Ultimate bearing capacity calculation results of each pile

由表3可知：4根试桩的极限端阻力标准值为6 195 kPa，极差为0 kPa，小于4根试桩平均值的30%(6 195×30%=1 859 kPa)，满足规范和设计要求。根据JGJ 72—2004中的规定，嵌岩灌注桩中等风化岩石极限端阻力取值为3 000～9 000 kPa。结合场区中风化泥岩遇水易软化的特性，本场区中风化泥岩层桩端极限端阻力标准值建议取qpk=6 100 kPa。

由表4可知，4根试桩中风化泥岩层桩侧极限侧阻力标准值极差为609 kPa-604 kPa=5 kPa，小于4根试桩平均值的30%(607×30%=182 kPa)。根据JGJ 72—2004中的规定，嵌岩灌注桩中等风化岩石极限侧阻力取值为300～800 kPa。结合场区中风化泥岩遇水易软化的特性，中风化泥岩层桩侧极限侧阻力标准值建议取qsk=600 kPa。

综上可以得出：桩侧摩阻力与桩端阻力在桩承载力中的相应占比，分别为9%、91%，桩侧摩阻力占比小，端阻力主要承担作用在桩底的荷载，本次试验的4根试桩都属于端承摩擦型。

表4 中风化泥岩层桩侧极限侧阻力标准值qsk计算结果Tab.4 The calculation results of standard value of ultimate lateral resistance of piles in middle weathered mudstone layer

5 结论与建议

对贵州省内某建设工程项目的基桩现场进行自平衡静载荷试验，由中风化泥岩嵌岩桩的承载性能分析，得到以下结论和建议：

(1)所有试桩的荷载位移曲线都是没有明显拐点的缓慢变形曲线。在试验结束时，桩体产生了一定的回弹量，即持力层的地基承载力未达到极限值，有一定的富余。

(2)试验结果表明，通过自平衡法确定中风化泥岩桩的极限侧阻力和极限端阻力是可行的。在嵌岩深度满足规范要求时，可采用试验的极限侧阻力和极限端阻力对试桩的单桩竖向承载力特征值进行估算。

(3)从桩身轴力分布图可知，基桩自平衡静载荷试验轴力分布与荷载箱的埋置位置有关。在荷载箱上部，桩身轴力随埋置深度的增加而增大，呈三角形分布。这与传统静载荷试验桩身轴力倒三角分布有明显区别。而且，在嵌岩段的桩身轴力变化幅度相较于非嵌岩段要大得多。

(4)从桩端阻力和桩侧阻力的计算结果可以看出：在中风化泥岩层中，试桩底部端阻力主要承担试桩顶部荷载，桩侧阻力承担荷载比例较小，可以为贵州地区的建筑基桩设计提供一定的参考。

(5)本场区内岩层为中风化泥岩，存在较丰富的地下水。岩基的承载性能受外界因素影响较大，中风化泥岩遇水易软化。施工时应引起高度重视，防止一切形式的地下水对桩底中风化泥岩长时间浸泡，影响岩基的承载性状。