复杂软岩地质桩基础承载特性研究

来源：核心期刊咨询网时间：2020-08-10 10:5712

摘要：摘要：软岩地质在桥梁桩基础工程中广泛存在，其具有岩性复杂、夹层风化、承载能力差异大等特征，而现行规范中未明确复杂软岩地质中的桩基承载能力计算方法。本文按以经验参数法计算单桩竖向极限承载力的思路，结合工程实例对复杂软岩地质桩基承载特性进行探

　　摘要：软岩地质在桥梁桩基础工程中广泛存在，其具有岩性复杂、夹层风化、承载能力差异大等特征，而现行规范中未明确复杂软岩地质中的桩基承载能力计算方法。本文按以经验参数法计算单桩竖向极限承载力的思路，结合工程实例对复杂软岩地质桩基承载特性进行探究，并针对不同地质情况给出了相应桩基设计原则，对同类地质的桥梁桩基设计、施工具有指导意义。

　　关键词：软岩;桩基础;承载特性;软弱夹层

　　0引言

　　随着桥梁结构跨度的增大，往往下部结构承担的荷载较高，其基础形式一般以中、微风化岩层作为持力层的嵌岩桩基础方案。桩基础通过桩的侧面和端部接触将荷载传递给桩周土体或深层岩层，因桩基具有很大的侧向和竖向刚度，其承载性状一般由桩周土(岩)体决定。对于某些特定复杂软岩地质，可能出现岩层埋深较大、软弱夹层交替出现、岩石裂隙极发育、岩石饱和单轴抗压强度较低等现象。

　　若要满足嵌岩桩基岩以下连续岩层厚度不小于3D和基岩单轴抗压极限强度的规范、设计要求，且考虑到软弱夹层、发育裂隙会削弱持力层端阻力的发挥，往往要大幅增加桩基长度或扩大桩基直径以获得足够的承载力。综合施工工期、经济效益、结构安全等因素，必须对复杂软岩地质桩基础承载特性展开探究，从设计方面提出桩基础安全合理的解决方案。

　　1软岩的力学特征

　　软岩一般是由固体相、液体相、气体相组成的多相体，固体相是由大小不等、性状不同的矿物颗粒以不同的排列方式组合构成软岩的主要成分;在颗粒之间的空隙中存在液相的水溶液和气体，三相相互作用的形态决定了软岩的力学性质。

　　软岩往往成岩时间短、成岩作用差、岩性变化大，其最大力学特征具有较强的遇水软化性、膨胀性，同时具有脱水脆性破坏的特征。在荷载作用下表现出承载力低、变形大等工程特性，已有硬质岩石相关工程的设计规范不能直接应用于软岩工程中。

　　软岩岩芯易受扰动、应力状态变化和试验条件等因素影响，其单轴抗压强度测试结果往往不具备代表性和实时性，不同规格的软岩试样对单轴抗压强度的影响巨大。在勘察设计中必须根据岩芯风化度、完整度、坚硬度、尺寸进行强度折减。

　　以广东省广花平原具有代表性的软岩地层下四三系地层为例，岩性主要以泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩为主，上覆发育沉积层较厚，基岩的埋深较深且风化程度差异较大，裂隙极发育，存在软弱夹层。岩土物理力学性质室内试验结果分析表明，中风化泥质粉砂岩层饱和单轴抗压强度为2.8～7.4MPa，标准值为37MPa;微风化泥质粉砂岩层饱和单轴抗压强度为45～155MPa，标准值为9.0MPa。根据强度值，强、中风化泥质粉砂岩应划为极软岩类。

　　2复杂软岩地质桩基承载特征

　　根据桩基轴向荷载传递理论，桩基极限承载力为土(岩)体的极限抗力或桩体承受的极限荷载，对于软岩地质，极限承载力一般由土(岩)层抗力决定。确定桩基承載能力的手段主要有以下几种：(1)原位测试;(2)室内模型试验;(3)数值分析;(4)经验公式(规范)。其中原位测试是最直接、最权威的检测方法，但受制于成本和现场条件较难实施;室内模型试验和数值分析易受岩样代表性和选取边界条件影响无法精确推断相应参数;规范的经验公式也有适用性不全面等不足之处。

　　《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)认为单桩竖向极限承载力标准值Quk由总极限侧阻力Qsk、总极限端阻力Qpk两部分组成：

　　或发育裂隙的嵌岩桩，应以夹层的端阻力标准值计算竖向极限承载力，且须根据相关极软岩基荷载试验数据对《规范》的极限端阻力极值进行修正：按1500～3800kPa的上下限，以插值法计算天然单轴抗压强度2.5～5.0MPa岩基对应的极限端阻力标准值。而对于软岩地质桩基极限侧阻力《规范》中未给出计算推荐值，需通过现场自平衡法载荷试验或根据岩芯模型试验确定。

　　3工程实例分析

　　某桥梁工程为双向六车道高速公路主线桥，设计荷载为公路-I级，上部结构设计为双肢墩大挑臂盖梁，30米标准跨径小箱梁，桥面全宽33米;基础形式为对称布置群桩和“工”字形整体式承台。其桩基直径为1.8m，单桩承载力特征值为21500kN，地质资料揭示微、中风化持力层下卧极软强风化夹层，超前钻孔芯样如图1所示，现拟探究该地质条件下满足承载力要求的桩长。

　　。

　　若嵌岩桩按端承桩考虑，即不考虑桩侧阻力发挥，岩层<3-4>单轴抗压强度虽满足持力层的要求，但其厚度小于3D且下卧软弱夹层，须以岩层<4-4>作为持力层，按嵌岩1.5D计算，设计桩长为55.2m。

　　若嵌岩桩按摩擦端承桩考虑，岩层<3-4>层底累计极限摩阻力已大于承载力特征值，桩基极限端阻力取值为软弱夹层<3-2>的极限端阻力3245.6kN，设计桩长为39.9m。

　　若按摩擦桩考虑，即不考虑桩端软弱夹层的阻力发挥，设计桩长为42.86m。

　　由以上计算结果可知，在复杂软岩地质条件下，对桩基采取不同的设计原则往往计算桩长差异较大。

　　4复杂软岩地质桩基础设计探讨与施工建议

　　一般嵌岩桩受荷后，最先出现的是嵌岩段的侧阻力，其次是端阻力，最后才是桩土摩阻力。对于软岩桩基础，持力层往往埋深较大，桩侧阻力发挥了不可低估的作用，尤其是风化程度较高软岩，其粘聚力和内摩擦角对承载力有显著影响，甚至当深度超过某一临界值时，桩端阻力趋于零，此时嵌岩桩已成为纯粹的摩擦桩。考虑到桩端以下可能存在的极软夹层或裂隙发育的影响，桩基础必须根据地质情况合理确定软岩桩侧阻力、端阻力的分配比例，尽量让侧阻和端阻充分发挥作用，达到最大的经济效益，建议原则如下：

　　(1)若桩端以下3D范围不存在软弱夹层或发育裂隙，可根据持力层埋深灵活选用端承桩或摩擦端承桩合理确定桩长。

　　(2)当桩端以下存在软弱夹层但无法确定桩端承载条件或承载能力过低时，须按最不利情况考虑甚至不考虑桩端阻力作用发挥，宜按摩擦桩设计。

　　(3)当桩端以下存在确定承载能力的软弱夹层时，应根据承载力特征值对各岩层累计侧阻力和端阻力进行复核，以经济性为原则按摩擦桩或摩擦端承桩设计。

　　软岩岩性大多十分复杂，实际施工反映的地质情况可能会与地质钻孔揭示地质不一致。图2为微风化泥质粉砂岩层对应成孔渣样，观察渣样较破碎，含泥量较高，轻掰即断，晒干后由严重龟裂现象，与微风化岩描述不符。建议施工过程中要及时组织具备丰富地质经验工程师对渣样进行判断，必要时在原位重新进行地质补探。

　　实际施工实践证明，软岩地质中采用旋挖钻机钻进速度较快，且能采用干钻法减少泥浆排放，环保和经济效益明显，在工期紧张、作业面多等条件下具备可推广性。

　　5结语

　　软岩测试单轴抗压强度往往不能客观反映实际强度，尤其对软弱夹层或裂隙发育层须通过现场原位试验掌握其特性。因此对于复杂软岩地质的桩基础设计前须加强地质勘察，合理确定各土(岩)层的折减系数以及抗力参数，综合考虑结构安全、经济效益和施工难度确定桩承载特性和桩基长度。软岩岩性变化通常较复杂，施工中须密切关注进尺情况，宜随施工进度实施动态设计。

　　参考文献

　　[1]谷仓勇.确定软岩地基桩基承载力参数的新方法与运用[J].科技创新导报，2019，3(1)：4748.

　　[2]刘松玉，季鹏，韦杰，等.大直径泥质软岩嵌岩桩的荷载传递性质[J].岩土工程学报，1998，20(4)：5861.

　　[3]湛铠瑜.中风化极软岩桩的极限端阻力和极限侧阻力研究[J].建筑结构，2014，44(8)：2125.

　　推荐阅读：《岩石矿物学杂志》是由中国地质学会岩石学专业委员会、矿物学专业委员会、中国地质科学院地质研究所联合主办的学术性期刊，属地质类全国中文核心期刊，双月刊，科学出版社出版，国内外公开发行，逢单月25日出版。

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