泥巖地基及嵌巖灌注樁的承載特性試驗

張亞妹， 秘金衛(wèi)， 白曉宇*， 閆楠， 桑松魁， 林振華， 王波， 陳吉光， 何來勝

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 青島 266520； 2.中鐵建投(青島)城市開發(fā)建設(shè)有限公司， 青島 266031； 3.中建八局第二建設(shè)有限公司， 濟(jì)南 250014； 4.中國建筑第五工程局有限公司， 長沙 410004)

泥巖屬于沉積巖，是一種層理不明顯的塊狀黏土巖，在中國各地廣泛分布。泥巖生成的地質(zhì)年代一般在白堊紀(jì)或以前，但也有第三系泥巖，第三系泥巖的工程性質(zhì)相對較差。白堊系王氏群泥巖[1]位于青山群或大盛群之上、第三系之下的一套紅色碎屑巖系，可分為5個巖性組合，自下而上分為林家莊組、辛格莊組、紅土崖組、金崗口組及膠州組，主要分布在青島膠州市及城陽區(qū)，其中城陽區(qū)分布的含砂偏多。當(dāng)泥巖含砂時，勘察階段定名為砂質(zhì)泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，甚至定為泥質(zhì)粉砂巖，但是，當(dāng)含砂量增大，超過一定限值，更多地顯示出砂巖的性質(zhì)時，就應(yīng)該另當(dāng)別論了。

隨著中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，與巖體密切相關(guān)的工程建設(shè)規(guī)模越來越大，工程巖體穩(wěn)定性問題日漸突出，眾多專家學(xué)者都將泥巖的蠕變特性作為研究重點，產(chǎn)出了一批有價值的研究成果[2-4]。此外，通過對泥巖力學(xué)特性的研究也是預(yù)防泥巖失穩(wěn)的有效措施之一[5-7]。于懷昌等[8-9]為研究粉砂質(zhì)泥巖常規(guī)力學(xué)特性，對飽和粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗，得出了其力學(xué)特性試驗結(jié)果。

對于泥巖的工程特性，已有部分學(xué)者對泥巖地基打入樁進(jìn)了初步研究，依托于實際工程，開展了大量的靜載荷試驗，取得了一些有益的研究成果[10-12]。陳章楷等[13]開展了抗拔靜載試驗，驗證了動測試驗結(jié)果，研究了強(qiáng)風(fēng)化泥巖樁基的承載能力。王衛(wèi)東等[14-15]對武漢綠地中心某微風(fēng)化地基嵌巖樁開展了靜載荷試驗，明確了嵌巖樁的荷載傳遞機(jī)理和承載特性，指出嵌巖樁荷載-位移(Q-s)曲線為緩變型。陳開倫等[16]利用圖解法研究了嵌巖樁Q-s曲線極限承載力判定取值問題。周潔等[17]系統(tǒng)研究了工程實踐中嵌巖單樁承載力計算方法。胡啟軍等[18]研究分析了干孔沉渣和濕孔沉渣對泥巖地基單樁承載特性的影響規(guī)律。牟洋洋等[19]在青島某強(qiáng)風(fēng)化泥巖地基上開展了天然地基和水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基靜載荷試驗，得到了天然地基和復(fù)合地基的變形特性和承載性能。苗德滋等[20-21]對青島地區(qū)某強(qiáng)風(fēng)化泥巖地基嵌巖樁開展了靜載荷試驗，通過嵌入持力層為硬巖、泥質(zhì)軟巖和硬質(zhì)土中打入樁的Q-s曲線，探明了嵌巖樁變形特性與巖土體強(qiáng)度的關(guān)系。

綜上所述，目前對泥巖力學(xué)特性的研究僅限于室內(nèi)力學(xué)試驗或現(xiàn)場泥巖地基中樁基靜載荷試驗，鮮見采用室內(nèi)試驗與現(xiàn)場原位試驗相結(jié)合的方法對泥巖地基的承載性能和變形特征進(jìn)行綜合評價。因此，現(xiàn)基于青島地區(qū)某工程試驗場地，開展泥巖地基的原位測試、現(xiàn)場灌注樁靜載荷試驗、泥巖室內(nèi)物理力學(xué)試驗，綜合分析泥巖的工程性質(zhì)、承載特性、變形及強(qiáng)度特性，揭示泥巖地基及其嵌入風(fēng)化泥巖中灌注樁的承載機(jī)制。

1 泥巖的物理力學(xué)試驗

1.1 泥巖的礦物組成及物理性質(zhì)

泥巖工程性質(zhì)在很大程度上取決于其微觀組成，泥巖的黏土礦物是主要成分，試驗選取泥巖打入樁試驗場地的土進(jìn)行顆粒分析以及其他物理指標(biāo)試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1中兩個鉆孔都位于試樁邊，深度在樁端位置，兩個鉆孔的指標(biāo)相差不大。其中黏土礦物(指小于0.005的粒度)的含量并未超過50%，所以并不是典型的黏土巖，或者說，帶有一定的砂性。表1中土樣的自由膨脹率為32%～37%，小于40%，說明不是膨脹性巖。

泥巖的水理性質(zhì)方面，其透水性不強(qiáng)，但浸水后強(qiáng)度降低較明顯，具有遇水軟化性質(zhì)；泥巖有著膨脹性和崩解性，尤其是大量含有細(xì)粒黏土礦物的泥巖，遇水后更容易產(chǎn)生膨脹和崩解，嚴(yán)重威脅巖土工程的安全[22-24]。鐘志彬等[25]曾通過室內(nèi)原狀巖樣的浸水物化膨脹性試驗，揭示了川中紅層非膨脹(或弱膨脹)泥巖在浸水條件下的時效變形特征。李永志等[26]對不同含水率的重塑樣、黏土單礦物樣、配土樣進(jìn)行直剪試驗，得到了膨脹性紅層泥巖在不同含水率狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。泥巖的水理性質(zhì)對樁的承載力影響不容忽視。

表1 泥巖土工試驗結(jié)果Table 1 Mudstone geotechnical test results

1.2 泥巖的力學(xué)性質(zhì)試驗指標(biāo)

泥巖地基打入樁試驗場地在打樁前未擾動狀態(tài)下全風(fēng)化泥巖的室內(nèi)力學(xué)試驗結(jié)果如表2所示。表2中，剪切試驗采用直接剪切試驗中快剪的方法，壓縮試驗采用快速固結(jié)法，最大固結(jié)壓力為400 kPa。

對于泥巖的強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化帶，室內(nèi)試驗無法作出直剪和壓縮性指標(biāo)。巖芯取樣抗壓試驗也難以進(jìn)行，巖土工程勘察報告中僅給出中風(fēng)化泥巖的巖芯點荷載試驗結(jié)果，如表3所示，因為點荷載選用巖塊進(jìn)行試驗，推算抗壓強(qiáng)度偏高。

2 泥巖的原位測試及靜載試驗

2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

白堊系以前的中生代泥巖，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT試驗)錘擊數(shù)較高，強(qiáng)風(fēng)化泥巖有時可達(dá)到50擊；白堊系的錘擊數(shù)稍低，第三系泥巖最低，強(qiáng)風(fēng)化帶SPT擊數(shù)一般僅為15～30擊。賈維瑞等[27]結(jié)合安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)，對白堊系和第三系泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖提出劃分標(biāo)準(zhǔn)，中等風(fēng)化泥巖N63.5≥80擊，實際應(yīng)用時還可以通過剪切波速劃分。

本試驗場地在打樁前進(jìn)行現(xiàn)場勘察時，中風(fēng)化巖層未進(jìn)行SPT試驗，僅在強(qiáng)風(fēng)化泥巖中開展SPT試驗?，F(xiàn)場鉆探顯示，強(qiáng)風(fēng)化泥巖的下部巖芯呈碎塊-塊-短柱狀，軟硬不均。在該層進(jìn)行SPT測試90次，其中8次的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)介于82～150擊，參考文獻(xiàn)[27]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，N63.5≥80擊，不參與本次統(tǒng)計，其余82次的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4的標(biāo)貫結(jié)果分析：①該場區(qū)泥巖的強(qiáng)度表現(xiàn)出非均勻性，標(biāo)貫擊數(shù)差異較大，這也是后面分析樁的承載力所必須考慮的；②強(qiáng)風(fēng)化層有些標(biāo)貫擊數(shù)偏高，個別達(dá)到150擊，屬于互層或夾層，因此標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)超過80擊的不再2本次試驗的統(tǒng)計范圍?？梢?，泥巖地基的不均勻性，可能是導(dǎo)致其承載力差異的主要原因之一。

2.2 泥巖地基承載力靜載試驗

2.2.1 試驗方法及試驗過程

在泥巖地基上進(jìn)行靜載荷試驗最能反映其承載能力。在試驗場地周邊的另一處工程場地進(jìn)行了全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖的靜載荷試驗。全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥巖靜載荷試驗圓形承壓板直徑為80 cm、面積為0.5 m2，個別方形承壓板邊長為50 cm、面積為0.25 m2，中風(fēng)化泥巖靜載荷試驗的圓形承壓板直徑為30 cm、面積為0.07 m2。試驗方法均采用慢速維持荷載法，由壓重平臺提供反力。

全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥巖現(xiàn)場靜載試驗過程如圖1所示，中風(fēng)化泥巖現(xiàn)場靜載試驗過程如圖2所示。

圖1 全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥巖靜載試驗現(xiàn)場Fig.1 Static test site of fully weathered and strongly weathered mudstone

表2 全風(fēng)化泥巖室內(nèi)力學(xué)試驗結(jié)果Table 2 Results of indoor mechanical test of fully weathered mudstone

表3 中風(fēng)化泥巖巖芯點荷載試驗結(jié)果Table 3 Results of core point load test of moderately weathered mudstone

表4 試驗場地SPT試驗結(jié)果Table 4 SPT test results of test site

圖2 中風(fēng)化泥巖靜載試驗現(xiàn)場Fig.2 Weathered mudstone static load test site

2.2.2 試驗結(jié)果分析

本次泥巖靜載試驗選取了4個全風(fēng)化泥巖靜載試驗點，3個強(qiáng)風(fēng)化泥巖靜載試驗點以及3個中風(fēng)化泥巖靜載試驗點，圖3和圖4分別分析了全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥巖靜載試驗的荷載-位移(P-s)曲線和位移-時間對數(shù)(s-lgt)曲線，圖5分析了中風(fēng)化泥巖靜載試驗的P-s曲線，并標(biāo)示出對應(yīng)的載荷板面積和形狀。試驗結(jié)果可為研究泥巖地基打入樁在荷載作用下的受力性狀提供依據(jù)[25]。

通過分析全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥巖的P-s曲線和s-lgt曲線，主要得出以下試驗結(jié)果。

(1)由圖3可以得到全風(fēng)化泥巖各靜載試驗點承載力特征值fak及變形模量E0：試驗點TF01的地基承載力特征值為240 kPa，變形模量為13.6 MPa；TF02的地基承載力特征值為240 kPa，變形模量為12.6 MPa；TF03的地基承載力特征值為300 kPa，變形模量為18.6 MPa；TF04的地基承載力特征值為240 kPa，變形模量為7.7 MPa。

(2)由圖4可以得到強(qiáng)風(fēng)化泥巖各靜載試驗點承載力特征值fak及變形模量E0：TF05的地基承載力特征值為480 kPa，變形模量為54.01 MPa；TF06的地基承載力特征值為352 kPa，變形模量為19.28 MPa；TF07的地基承載力特征值為480 kPa，變形模量為67.05 MPa。

(3)由圖5可以得到中風(fēng)化泥巖靜載試驗發(fā)生陡降的前一級荷載(極限荷載)和沉降量：試驗點TF08的極限荷載為5 286 kPa，沉降量為6.93 mm；TF09的極限荷載為4 714 kPa，沉降量為9.72 mm；TF10的極限荷載為3 429 kPa，沉降量為17.04 mm。

圖3 全風(fēng)化泥巖靜載試驗曲線Fig.3 Static load test curve of fully weathered mudstone

圖4 強(qiáng)風(fēng)化泥巖靜載試驗曲線Fig.4 Static load test curve of strongly weathered mudstone

圖5 中風(fēng)化泥巖靜載試驗曲線(圓形，0.07 m2)Fig.5 Weathered mudstone static load test curve(The loading plate area is 0.07 m2 and the shape is round)

(4)全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化泥巖地基各試驗點地基承載力特征值均在P-s曲線中標(biāo)注。綜合分析圖3～圖5發(fā)現(xiàn)，該場地泥巖全風(fēng)化帶及強(qiáng)風(fēng)化帶的P-s曲線基本呈緩變型，初始曲線呈線性變化，變化斜率較小，隨著荷載增加，變化斜率逐漸增大；隨著時間的增加，全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化泥巖s-lgt曲線基本與水平坐標(biāo)軸平行，個別試驗點如TF01、TF02和TF04在荷載較大時，隨著時間的增加，變形突然增大。而泥巖中風(fēng)化帶在破壞時發(fā)生了壓裂及隆起現(xiàn)象，P-s曲線初始呈線性變化，當(dāng)荷載增大到某一荷載，曲線變?yōu)槎附敌停易儺愋暂^大。

3 泥巖地基灌注樁承載力靜載試驗

3.1 試驗方案

為了全面了解泥巖的工程性質(zhì)和承載力問題，在泥巖靜載試驗同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行灌注樁的靜載試驗，并且在灌注樁鋼筋籠上安裝了鋼筋應(yīng)力計。

試驗場地共進(jìn)行了9根嵌巖灌注樁的靜載試驗。試樁直徑均為1.0 m，樁長為9.8～13.5 m，場地主要分布粉砂質(zhì)泥巖，試樁的樁長及巖土層分布如表5所示。

樁的靜載試驗采用錨樁法提供反力，加載等級為12級。

樁身內(nèi)力測試的目的是了解各巖土層摩阻力對單樁承載力的貢獻(xiàn)，為設(shè)計提供參考依據(jù)。各試樁在6個截面上安裝鋼筋應(yīng)力計，即：①樁頂?shù)孛娓浇孛嫣?，此斷面為?biāo)定斷面；②土層與全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的界面處；③全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的界面處；④強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與中等風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的界面處；⑤中等風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的界面至樁底端的1/2距離處；⑥樁底端界面處。

表5 試驗樁施工樁長與樁側(cè)巖土層分布Table 5 Test pile construction pile length and pile side geotechnical layer distribution

灌注樁的每個橫截面均勻布置4個鋼筋應(yīng)力計，每根試樁共計24個。每個截面鋼筋應(yīng)力計在4個方向?qū)ΨQ安裝。

3.2 試驗加載及結(jié)果

試驗加載：前期4根試驗樁最大加載至10 800 kN，因試驗樁未達(dá)到破壞，后期5根試驗樁最大加載量提高至12 960 kN，也未破壞。各試樁的試驗結(jié)果如表6及表7所示。

需要指出的是，由于各試樁均未加載至破壞，豎向承載力仍有富余，以上各試樁樁側(cè)摩阻力及樁端阻力未完全發(fā)揮，僅是中間值，不是最后的“真值”。

表6 各試樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果Table 6 Test results of pile vertical compressive static load

表7 不同巖土層樁側(cè)阻力和樁端阻力Table 7 Pile side resistance and pile end resistance in different soil layers

這與本地區(qū)其他嵌巖樁的應(yīng)用現(xiàn)狀是一致的，即靜載試驗幾乎沒有加載到破壞的，除非個別樁存在諸如沉渣、夾泥、斷樁、樁頭處理不佳等施工質(zhì)量問題。

3.3 試驗結(jié)果分析

前4根試樁最大加載至10 800 kN，后5根試樁最大加載至12 960 kN，從前4根和后5根試樁分別選取1根試樁的靜載試驗曲線進(jìn)行分析。圖6為TP01和TP03試樁的靜載試驗曲線。

各試驗樁加載至最大荷載時均未出現(xiàn)破壞，由圖6可知：試樁TP01和TP03的最大沉降量均小于10.80 mm，沉降較??；隨著時間和荷載的增加，試樁沉降量均勻變化，各試樁的豎向抗壓極限承載力值均不低于最大加載值；隨著荷載的增加，試樁TP01和TP03的Q-s曲線均呈拋物線型穩(wěn)定變化趨勢。由試樁TP01和TP03樁基靜載試驗的s-lgt曲線可以看出：試樁TP01加載初期曲線存在明顯的壓密實段，這可能是樁頭未處理好，存在低強(qiáng)度混凝土；TP01加載至5 400 kN以及10 800 kN時，TP03加載至5 400 kN時，Q-s變化曲線斜率突然增大，由TP01和TP03的s-lgt曲線可以看出，在加載至6 480 kN和11 880 kN時延長了監(jiān)測時間，結(jié)果表明Q-s曲線基本按原斜率繼續(xù)變化，究其原因可能是樁基在加載到某一荷載下，泥巖地基發(fā)生了較大的沉降，從而引起樁基發(fā)生較大沉降，或受到地層擾動及環(huán)境因素的影響等。

4 結(jié)論

(1)本試驗場地泥巖中黏土礦物含量未超過50%，所以并非典型的黏土巖，即含有一定數(shù)量的砂，且自由膨脹率小于40%，表明不是膨脹性巖。泥巖不均勻，標(biāo)貫擊數(shù)差異很大，強(qiáng)風(fēng)化層個別標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)到150擊，說明存在軟硬不均的互層或夾層。

圖6 樁基靜載試驗Fig.6 Pile foundation static load test

(2)通過泥巖地基靜載試驗，得到本試驗場地全風(fēng)化泥巖地基承載力特征值和變形模量。該場地泥巖全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化帶地基的P-s曲線基本上屬于緩變型，而中風(fēng)化帶在破壞時發(fā)生了壓裂及隆起，P-s曲線呈陡降型，而且變異性較大。

(3)9根試樁靜載試驗均未發(fā)生破壞，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力未完全發(fā)揮，仍具有一定承載潛力。試驗樁基的Q-s靜載試驗曲線基本呈直線型穩(wěn)定變化趨勢，且整體沉降較小。