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        復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基礎(chǔ)承載特性研究

        2020-08-09 08:37:37李希迪
        現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2020年25期
        關(guān)鍵詞:軟巖樁基礎(chǔ)

        李希迪

        摘要:軟巖地質(zhì)在橋梁樁基礎(chǔ)工程中廣泛存在,其具有巖性復(fù)雜、夾層風(fēng)化、承載能力差異大等特征,而現(xiàn)行規(guī)范中未明確復(fù)雜軟巖地質(zhì)中的樁基承載能力計算方法。本文按以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計算單樁豎向極限承載力的思路,結(jié)合工程實(shí)例對復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基承載特性進(jìn)行探究,并針對不同地質(zhì)情況給出了相應(yīng)樁基設(shè)計原則,對同類地質(zhì)的橋梁樁基設(shè)計、施工具有指導(dǎo)意義。

        關(guān)鍵詞:軟巖;樁基礎(chǔ);承載特性;軟弱夾層

        中圖分類號:TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Adoi:10.19311/j.cnki.16723198.2020.25.078

        0引言

        隨著橋梁結(jié)構(gòu)跨度的增大,往往下部結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載較高,其基礎(chǔ)形式一般以中、微風(fēng)化巖層作為持力層的嵌巖樁基礎(chǔ)方案。樁基礎(chǔ)通過樁的側(cè)面和端部接觸將荷載傳遞給樁周土體或深層巖層,因樁基具有很大的側(cè)向和豎向剛度,其承載性狀一般由樁周土(巖)體決定。對于某些特定復(fù)雜軟巖地質(zhì),可能出現(xiàn)巖層埋深較大、軟弱夾層交替出現(xiàn)、巖石裂隙極發(fā)育、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度較低等現(xiàn)象。

        若要滿足嵌巖樁基巖以下連續(xù)巖層厚度不小于3D和基巖單軸抗壓極限強(qiáng)度的規(guī)范、設(shè)計要求,且考慮到軟弱夾層、發(fā)育裂隙會削弱持力層端阻力的發(fā)揮,往往要大幅增加樁基長度或擴(kuò)大樁基直徑以獲得足夠的承載力。綜合施工工期、經(jīng)濟(jì)效益、結(jié)構(gòu)安全等因素,必須對復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基礎(chǔ)承載特性展開探究,從設(shè)計方面提出樁基礎(chǔ)安全合理的解決方案。

        1軟巖的力學(xué)特征

        軟巖一般是由固體相、液體相、氣體相組成的多相體,固體相是由大小不等、性狀不同的礦物顆粒以不同的排列方式組合構(gòu)成軟巖的主要成分;在顆粒之間的空隙中存在液相的水溶液和氣體,三相相互作用的形態(tài)決定了軟巖的力學(xué)性質(zhì)。

        軟巖往往成巖時間短、成巖作用差、巖性變化大,其最大力學(xué)特征具有較強(qiáng)的遇水軟化性、膨脹性,同時具有脫水脆性破壞的特征。在荷載作用下表現(xiàn)出承載力低、變形大等工程特性,已有硬質(zhì)巖石相關(guān)工程的設(shè)計規(guī)范不能直接應(yīng)用于軟巖工程中。

        軟巖巖芯易受擾動、應(yīng)力狀態(tài)變化和試驗(yàn)條件等因素影響,其單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果往往不具備代表性和實(shí)時性,不同規(guī)格的軟巖試樣對單軸抗壓強(qiáng)度的影響巨大。在勘察設(shè)計中必須根據(jù)巖芯風(fēng)化度、完整度、堅(jiān)硬度、尺寸進(jìn)行強(qiáng)度折減。

        以廣東省廣花平原具有代表性的軟巖地層下四三系地層為例,巖性主要以泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主,上覆發(fā)育沉積層較厚,基巖的埋深較深且風(fēng)化程度差異較大,裂隙極發(fā)育,存在軟弱夾層。巖土物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析表明,中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層飽和單軸抗壓強(qiáng)度為2.8~7.4MPa,標(biāo)準(zhǔn)值為37MPa;微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層飽和單軸抗壓強(qiáng)度為45~155MPa,標(biāo)準(zhǔn)值為9.0MPa。根據(jù)強(qiáng)度值,強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖應(yīng)劃為極軟巖類。

        2復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基承載特征

        根據(jù)樁基軸向荷載傳遞理論,樁基極限承載力為土(巖)體的極限抗力或樁體承受的極限荷載,對于軟巖地質(zhì),極限承載力一般由土(巖)層抗力決定。確定樁基承載能力的手段主要有以下幾種:(1)原位測試;(2)室內(nèi)模型試驗(yàn);(3)數(shù)值分析;(4)經(jīng)驗(yàn)公式(規(guī)范)。其中原位測試是最直接、最權(quán)威的檢測方法,但受制于成本和現(xiàn)場條件較難實(shí)施;室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析易受巖樣代表性和選取邊界條件影響無法精確推斷相應(yīng)參數(shù);規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式也有適用性不全面等不足之處。

        《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)認(rèn)為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk由總極限側(cè)阻力Qsk、總極限端阻力Qpk兩部分組成:

        或發(fā)育裂隙的嵌巖樁,應(yīng)以夾層的端阻力標(biāo)準(zhǔn)值計算豎向極限承載力,且須根據(jù)相關(guān)極軟巖基荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對《規(guī)范》的極限端阻力極值進(jìn)行修正:按1500~3800kPa的上下限,以插值法計算天然單軸抗壓強(qiáng)度2.5~5.0MPa巖基對應(yīng)的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。而對于軟巖地質(zhì)樁基極限側(cè)阻力《規(guī)范》中未給出計算推薦值,需通過現(xiàn)場自平衡法載荷試驗(yàn)或根據(jù)巖芯模型試驗(yàn)確定。

        3工程實(shí)例分析

        某橋梁工程為雙向六車道高速公路主線橋,設(shè)計荷載為公路-I級,上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙肢墩大挑臂蓋梁,30米標(biāo)準(zhǔn)跨徑小箱梁,橋面全寬33米;基礎(chǔ)形式為對稱布置群樁和“工”字形整體式承臺。其樁基直徑為1.8m,單樁承載力特征值為21500kN,地質(zhì)資料揭示微、中風(fēng)化持力層下臥極軟強(qiáng)風(fēng)化夾層,超前鉆孔芯樣如圖1所示,現(xiàn)擬探究該地質(zhì)條件下滿足承載力要求的樁長。

        。

        若嵌巖樁按端承樁考慮,即不考慮樁側(cè)阻力發(fā)揮,巖層<3-4>單軸抗壓強(qiáng)度雖滿足持力層的要求,但其厚度小于3D且下臥軟弱夾層,須以巖層<4-4>作為持力層,按嵌巖1.5D計算,設(shè)計樁長為55.2m。

        若嵌巖樁按摩擦端承樁考慮,巖層<3-4>層底累計極限摩阻力已大于承載力特征值,樁基極限端阻力取值為軟弱夾層<3-2>的極限端阻力3245.6kN,設(shè)計樁長為39.9m。

        若按摩擦樁考慮,即不考慮樁端軟弱夾層的阻力發(fā)揮,設(shè)計樁長為42.86m。

        由以上計算結(jié)果可知,在復(fù)雜軟巖地質(zhì)條件下,對樁基采取不同的設(shè)計原則往往計算樁長差異較大。

        4復(fù)雜軟巖地質(zhì)樁基礎(chǔ)設(shè)計探討與施工建議

        一般嵌巖樁受荷后,最先出現(xiàn)的是嵌巖段的側(cè)阻力,其次是端阻力,最后才是樁土摩阻力。對于軟巖樁基礎(chǔ),持力層往往埋深較大,樁側(cè)阻力發(fā)揮了不可低估的作用,尤其是風(fēng)化程度較高軟巖,其粘聚力和內(nèi)摩擦角對承載力有顯著影響,甚至當(dāng)深度超過某一臨界值時,樁端阻力趨于零,此時嵌巖樁已成為純粹的摩擦樁??紤]到樁端以下可能存在的極軟夾層或裂隙發(fā)育的影響,樁基礎(chǔ)必須根據(jù)地質(zhì)情況合理確定軟巖樁側(cè)阻力、端阻力的分配比例,盡量讓側(cè)阻和端阻充分發(fā)揮作用,達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益,建議原則如下:

        (1)若樁端以下3D范圍不存在軟弱夾層或發(fā)育裂隙,可根據(jù)持力層埋深靈活選用端承樁或摩擦端承樁合理確定樁長。

        (2)當(dāng)樁端以下存在軟弱夾層但無法確定樁端承載條件或承載能力過低時,須按最不利情況考慮甚至不考慮樁端阻力作用發(fā)揮,宜按摩擦樁設(shè)計。

        (3)當(dāng)樁端以下存在確定承載能力的軟弱夾層時,應(yīng)根據(jù)承載力特征值對各巖層累計側(cè)阻力和端阻力進(jìn)行復(fù)核,以經(jīng)濟(jì)性為原則按摩擦樁或摩擦端承樁設(shè)計。

        軟巖巖性大多十分復(fù)雜,實(shí)際施工反映的地質(zhì)情況可能會與地質(zhì)鉆孔揭示地質(zhì)不一致。圖2為微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層對應(yīng)成孔渣樣,觀察渣樣較破碎,含泥量較高,輕掰即斷,曬干后由嚴(yán)重龜裂現(xiàn)象,與微風(fēng)化巖描述不符。建議施工過程中要及時組織具備豐富地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)工程師對渣樣進(jìn)行判斷,必要時在原位重新進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)探。

        實(shí)際施工實(shí)踐證明,軟巖地質(zhì)中采用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)速度較快,且能采用干鉆法減少泥漿排放,環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益明顯,在工期緊張、作業(yè)面多等條件下具備可推廣性。

        5結(jié)語

        軟巖測試單軸抗壓強(qiáng)度往往不能客觀反映實(shí)際強(qiáng)度,尤其對軟弱夾層或裂隙發(fā)育層須通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)掌握其特性。因此對于復(fù)雜軟巖地質(zhì)的樁基礎(chǔ)設(shè)計前須加強(qiáng)地質(zhì)勘察,合理確定各土(巖)層的折減系數(shù)以及抗力參數(shù),綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)效益和施工難度確定樁承載特性和樁基長度。軟巖巖性變化通常較復(fù)雜,施工中須密切關(guān)注進(jìn)尺情況,宜隨施工進(jìn)度實(shí)施動態(tài)設(shè)計。

        參考文獻(xiàn)

        [1]谷倉勇.確定軟巖地基樁基承載力參數(shù)的新方法與運(yùn)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2019,3(1):4748.

        [2]劉松玉,季鵬,韋杰,等.大直徑泥質(zhì)軟巖嵌巖樁的荷載傳遞性質(zhì)[J].巖土工程學(xué)報,1998,20(4):5861.

        [3]湛鎧瑜.中風(fēng)化極軟巖樁的極限端阻力和極限側(cè)阻力研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2014,44(8):2125.

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