李懿，馬秋柱，吳喬

（1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積物，它主要由古代硅藻的遺骸組成。其化學(xué)成分主要是無(wú)定形的SiO2，含少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO和有機(jī)質(zhì)。硅藻土以其質(zhì)輕、多孔而著稱，作為礦物材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。但關(guān)于硅藻土工程特性的相關(guān)研究比較少見，國(guó)際上關(guān)于硅藻土工程應(yīng)用的案例極為罕見。目前國(guó)際上已有報(bào)道的案例只有墨西哥城和日本大阪關(guān)西機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目[1-3]，但這些文章的研究范圍也僅局限在硅藻土的物理特性和室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)方面。關(guān)于硅藻土地基中樁基承載力的研究尚處于“空白”狀態(tài)，因此研究硅藻土層中的樁側(cè)摩阻力對(duì)于建設(shè)在硅藻土地基上的工程具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

納米比亞某港口項(xiàng)目擬在近岸海域填筑人工島以形成陸地，并在其上建造高樁碼頭泊位和集裝箱堆場(chǎng)。在該項(xiàng)目的勘察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)下覆有厚度超過(guò)20 m的硅藻土。該區(qū)硅藻土呈綠灰至灰綠色、局部淺灰褐色，似粉土狀，局部夾薄層至極薄層粉細(xì)砂、質(zhì)輕、多孔。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，表層為薄層的松散沉積物，其下為厚約20 m的密實(shí)砂層，再往下為厚約28 m的巨厚層硅藻土，底層為密實(shí)砂層和膠結(jié)砂礫層；區(qū)內(nèi)基巖為花崗巖，埋深在60 m以下。

2 硅藻土結(jié)構(gòu)及工程特性

硅藻土的工程特性非常特殊，為一種強(qiáng)結(jié)構(gòu)性土，硅藻土顆粒呈棱角狀并分布有大量的微孔隙。土工測(cè)試結(jié)果顯示絕大多數(shù)顆粒的粒徑分布在5～50μm之間，屬于粉粒級(jí)別，小于2μm的顆粒含量約占31.8%，這一顆粒分析結(jié)果與“墨西哥硅藻土”的分析結(jié)果基本一致，只是小于2μm的顆粒含量較“墨西哥硅藻土”的40%略低[1-2]。

由于硅藻土顆粒中存在大量微孔隙，不但造成其密度非常小甚至接近于泥漿，而且還為孔隙水和氣體的附著提供了空間。根據(jù)土工試驗(yàn)測(cè)試，硅藻土含水率非常高，約為200%，而且還含有較多的硫化氫氣體，探區(qū)土層的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中砂土層的剪切指標(biāo)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)獲得。

表1 土層的土工試驗(yàn)結(jié)果Table1 Soil test results

3 單樁承載力試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了確定硅藻土地層中單樁承載力特征值，在本工程代表性地段進(jìn)行了樁基靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)樁于2014年11月開始施工，首先采用90 kW回旋鉆鉆孔，然后調(diào)用55 kW的沖孔樁機(jī)進(jìn)行底部堅(jiān)硬巖土層施工。樁基設(shè)計(jì)樁徑1.3 m，樁基類型為水下混凝土灌注樁，設(shè)計(jì)荷載7 037 kN，最大試驗(yàn)荷載15 915 kN，樁頂標(biāo)高+3.60 m，樁底標(biāo)高-60.10 m。根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果，3倍設(shè)計(jì)荷載條件下最大沉降量為33.14 mm，殘余沉降量為18.19 mm；設(shè)計(jì)荷載條件下的最大沉降量為6.51 mm，殘余沉降量為0.99 mm。測(cè)試結(jié)果表明樁基承載力滿足不小于3倍設(shè)計(jì)荷載的項(xiàng)目規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

試驗(yàn)分3級(jí)荷載采用循環(huán)加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，各級(jí)荷載情況下測(cè)得樁體沉降量見表2。試驗(yàn)樁體周圍的土層分布情況及各種荷載情況下傳感器測(cè)得的樁體軸力分布如圖1所示，傳感器編號(hào)從上到下依次為1～10號(hào)，從3號(hào)傳感器（-29.3 m）開始至6號(hào)傳感器（-46.9 m）為硅藻土層段。實(shí)測(cè)獲得的各壓力級(jí)情況下灌注樁側(cè)摩阻力隨深度在土層中的變化情況如圖2。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示由于硅藻土密度非常小，上覆壓力變化不大，因此隨深度增加側(cè)摩阻力在硅藻土層中的增長(zhǎng)十分緩慢。

表2 各級(jí)荷載情況下的樁頂沉降量Table 2 Pile-top settlement at all loading levels

圖1 試驗(yàn)樁的地層結(jié)構(gòu)及各壓力段的樁體軸力分布Fig.1 Geological structureand axial force distribution along the test pile

圖2 灌注樁側(cè)摩阻力分布情況Fig.2 Distribution of cast-in-situ pile shaft resistance

4 樁側(cè)摩阻力的計(jì)算

在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》以及一些行業(yè)和地方規(guī)范中給出了常見土類和不同成樁工藝情況下樁側(cè)摩阻力的推薦值。一般取值標(biāo)準(zhǔn)主要是參照土層類別及相應(yīng)的物理試驗(yàn)指標(biāo)，但對(duì)于硅藻土這類特殊土卻失去了參考價(jià)值，這給項(xiàng)目的樁基設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

樁側(cè)摩阻力的大小與土體的不排水抗剪強(qiáng)度、樁基埋深、樁體長(zhǎng)徑比等因素有關(guān)，《Pile Design and Construction Practice》中給出了下述計(jì)算模型如式（1）[4]，該模型適用于黏性土中的樁側(cè)摩阻力計(jì)算。

式中：F為長(zhǎng)度系數(shù)，與樁基礎(chǔ)的埋深和樁徑的比值有關(guān)（如圖3）；αP為凝聚力系數(shù)，由抗剪強(qiáng)度和上覆有效壓力確定（如圖4）；cu為土層的原位不排水抗剪強(qiáng)度；As為樁側(cè)表面積。

圖3 長(zhǎng)度系數(shù)F取值與長(zhǎng)徑比的關(guān)系Fig.3 Relation between the length factor F and length/width ratio

圖4 αP與不排水抗剪強(qiáng)度及有效上覆壓力的關(guān)系Fig.4 Relation betweenαP and undrained shear strength and effective overburden pressure

其中硅藻土層的不排水抗剪強(qiáng)度可由強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)通過(guò)式（2）獲得：

式中：σv憶為土層的上覆有效壓力，土層的強(qiáng)度指標(biāo)如表1。將式（2）代入式（1），整理可得單位面積的樁側(cè)摩阻力如式（3）。

式（3）表述的單位面積的樁側(cè)摩阻力與上覆土層有效壓力成線性關(guān)系，（FαPtancu）和（FαPccu）兩部分為固定值。

上述式（1）僅適用于常規(guī)土中打入樁的情況，對(duì)灌注樁而言，由于施工工藝的影響，灌注樁的樁側(cè)摩阻力相對(duì)打入樁的折減系數(shù)在10%～30%之間[5]。為了驗(yàn)證式（1）在硅藻土中灌注樁的適用性并確定綜合折減系數(shù)△的取值，本文采用樁基靜載試驗(yàn)時(shí)的邊界條件進(jìn)行計(jì)算。樁基試驗(yàn)時(shí)，地面標(biāo)高為+2.3 m，地下水位+1.0 m；原始海床面標(biāo)高-3.0 m，回填砂土天然密度1.65 g/cm3。樁體長(zhǎng)細(xì)比為L(zhǎng)/B=62.4 m/1.3 m=48，參考圖3，F(xiàn)值取1.0。根據(jù)上覆土層厚度和各土層的密度情況可以計(jì)算獲得硅藻土層上覆壓力為215～305 kPa，相應(yīng)的αP取值在0.95～1.0之間。

依據(jù)表3對(duì)比3～6號(hào)傳感器之間硅藻土層側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，其側(cè)摩阻綜合折減系數(shù)達(dá)到35%～45%，比常規(guī)土中10%～30%的折減系數(shù)略高。這可能與以下原因有關(guān)：1）硅藻土自身的特殊性質(zhì)，質(zhì)輕、孔隙率高，因此其樁側(cè)摩阻較常規(guī)土偏??；2）硅藻土是一種結(jié)構(gòu)性的土，在灌注樁成孔施工過(guò)程中造成土體發(fā)生一定程度的結(jié)構(gòu)變化，也降低了樁側(cè)摩阻。

表3 側(cè)摩阻力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表Table3 Comparison between calculated and measured value of shaft resistance

5 結(jié)語(yǔ)

本工程通過(guò)樁基承載力試驗(yàn)驗(yàn)證了在物理性質(zhì)特殊的硅藻土中灌注樁的側(cè)摩阻力依然可以采用一般黏性土的樁側(cè)摩阻力計(jì)算公式，即本文公式（1）進(jìn)行計(jì)算，且這一模型可以較好地反應(yīng)出樁側(cè)摩阻力在深度方向和不同土層中的變化情況和變化規(guī)律。但由于硅藻土本身物理性質(zhì)特殊（輕質(zhì)、多孔、吸附性極強(qiáng)）、土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，因此會(huì)導(dǎo)致灌注樁的側(cè)摩阻力在硅藻土層中的折減較常見土層略多，計(jì)算灌注樁在硅藻土層中的側(cè)摩阻力時(shí)需要考慮合理的綜合折減系數(shù)。

由于本工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，還存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)、施工工藝等方面的不確定性，需要展開進(jìn)一步的研究來(lái)確定灌注樁在硅藻土中側(cè)摩阻力設(shè)計(jì)值。

[1] 馬秋柱，何智敏，蔡澤明.納米比亞硅藻土的工程特性[J].水運(yùn)工程，2017（12）：80-84.MA Qiu-zhu,HE Zhi-min,CAI Ze-ming.Engineering properties of diatomaceousin Namibia[J].Port&Waterway Engineering,2017(12):80-84.

[2]MESRIG,ROKHSARA,BOHORBF.Composition and compressibility of typical samplesof Mexico City clay[J].Geotechnique,1975,25(3):527-554.

[3]DIAZ-RODRIGUEZJ,ABRAHAM.Diatomaceoussoils:monotonic behavior[C]//International symposiumon deformation characteristics of geomaterials.Seoul,Korea,2011.

[4] TOMLINSON M,WOODWARD J.Pile design and construction practice[M].6th ed.U.K.:Palladian Publications,2015.

[5] FLEMING W G K,SLIWINSKI Z.The use and influence of ben原tonite in bored pile construction[R].London:Construction Industry Research and Information Association(CIRIA),1977.

[6]GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB 50007—2011,Codefor design of buildingfoundation[S].

[7]JGJ94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].JGJ94—2008,Technical codefor buildingpilefoundations[S].