夏 兼，徐福建

(1.廣東省長大公路工程有限公司， 廣東 廣州 510620； 2.南京東大自平衡樁基檢測有限公司， 江蘇 南京 210018)

廣佛肇高速公路全線位于廣東省肇慶市，全長174.919 km，預(yù)算212.94億元，橋隧比為36.55%，2013年10月開工建設(shè)，計劃2017年6月建成通車，設(shè)計速度100 km/h，是肇慶市“三縱四橫”高速公路網(wǎng)中的三橫，為廣東省第一條采用“BOT+EPC”模式建設(shè)的高速公路[1]。作為典型的山區(qū)高速公路，其最為顯著的工程特點為施工運營能耗高，該項目大部分路段地處山嶺重丘及不良地質(zhì)區(qū)，現(xiàn)場試驗及工程建設(shè)的難度較大。

嵌巖樁因單樁承載力高、沉降變形小且收斂快、地質(zhì)適應(yīng)性強等突出優(yōu)勢，在橋梁工程領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛[2]，且隨著建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)承擔(dān)的荷載越來越大，嵌巖樁的承載力分析與靜載荷試驗朝著大直徑、深長嵌巖樁方向發(fā)展[3-5]。在廣佛肇高速公路建設(shè)中，嵌巖樁為工程穿越不良地質(zhì)區(qū)，將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞至地基深部強度較高、壓縮性較小的巖土層方面發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。在設(shè)計施工橋梁基礎(chǔ)時，規(guī)范規(guī)定需要進行現(xiàn)場靜載試驗來確定樁基的承載性狀，保證樁基的承載力安全性，并為設(shè)計提供參考依據(jù)，而傳統(tǒng)的靜載荷試驗(如堆載法、錨樁法)往往具有費時、費力、受場地條件影響大、試驗風(fēng)險大、成本高等缺點[6-7]。近十幾年來日益發(fā)展和成熟的樁基自平衡測試技術(shù)與傳統(tǒng)靜載試驗相比具有顯著的優(yōu)勢，且通過等效轉(zhuǎn)換可以準確得到樁頂荷載-位移關(guān)系、樁身軸力分布、樁側(cè)摩阻力分布以及樁基的極限承載力等[8-10]，完全滿足工程精度要求，工程應(yīng)用極為廣泛，被稱為樁基檢測的革命[11-12]。

1 試樁工程概況

圖1 試樁各地質(zhì)參數(shù)及鋼筋計分布圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 極限承載力分析

三根試樁的自平衡Q-s曲線如圖2所示，根據(jù)《建筑基樁自平衡靜載荷試驗技術(shù)規(guī)程》[13](JGJ/T 403—2017)中相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)確定方法，可將自平衡靜載試驗測得的荷載-位移曲線等效轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的樁頂荷載-位移曲線，并依據(jù)規(guī)范或經(jīng)驗分析得出試樁的單樁承載力，轉(zhuǎn)化曲線如圖3所示。

圖2 試樁自平衡Q-s曲線

圖3試樁等效轉(zhuǎn)換曲線

由圖3可以看出，三根試樁的樁頂?shù)刃-s曲線均為緩變型，無明顯轉(zhuǎn)折，根據(jù)相關(guān)研究成果[2，14]可以判斷，試樁仍處于彈性壓縮階段。由等效轉(zhuǎn)換曲線可得三根試樁在樁頂極限加載值及設(shè)計荷載下對應(yīng)的樁頂位移值，如表2所示。

表2 試樁承載力及對應(yīng)的樁頂位移值

根據(jù)表2可知，三根試樁的自平衡加載承載值均大于設(shè)計值，且與設(shè)計值相比存在較大的安全儲備，在設(shè)計樁頂荷載作用下，試樁的位移量較小，滿足工程對承載力和沉降的要求。

對于樁頂荷載-位移曲線呈現(xiàn)緩變型的大直徑嵌巖樁，往往取樁頂極限位移su對應(yīng)的承載力作為該大直徑嵌巖樁的極限承載力，參考類似工程及規(guī)范[13，15]，故取40 mm為試樁極限位移。由于自平衡試驗中三根試樁的上段樁和下段樁均未達到極限位移40 mm，故為求得極限位移所對應(yīng)的極限承載力，對試樁數(shù)據(jù)進行曲線擬合，據(jù)此來計算三根試樁的極限承載力。研究表明，樁頂荷載與樁頂位移之間近似滿足雙曲線的函數(shù)關(guān)系[16-17]，故采用Christon(1967)的雙曲線擬合方法進行轉(zhuǎn)化，并利用MATLAB最小二乘法進行線性擬合，如式(1)所示：

(1)

式中：Q為樁頂荷載，kN；S為樁頂位移，mm；a和b為雙曲線擬合系數(shù)。

為保證數(shù)據(jù)擬合的精度，要求擬合得到的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，對偏差較大的數(shù)據(jù)點不予考慮且保證參與擬合的數(shù)據(jù)點不少于5個，以保證數(shù)據(jù)擬合的可靠性。擬合得到的三根試樁的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，說明線性擬合的精度極高，擬合結(jié)果如表3所示。

表3 試樁不同承載力及對應(yīng)位移值

比較表3中擬合得到的極限承載力與設(shè)計承載力，可知40 mm的極限樁頂位移對應(yīng)的承載力可以達到設(shè)計值的3.64～5.56倍，而一般情況下安全系數(shù)取值為2，故設(shè)計值較為保守，安全儲備大。

2.2 樁側(cè)阻力分析

由樁身埋設(shè)的鋼筋計可計算得到各土層的側(cè)摩阻力，三根試樁在極限加載荷載下的巖土層側(cè)摩阻力與地勘報告的對比如表4所示。

根據(jù)表4中的試驗結(jié)果可知，實測土層的側(cè)摩阻力普遍低于地勘報告給出的土層摩阻力，僅在荷載箱附近接近于地勘報告推薦的摩阻力取值，而巖層的摩阻力明顯高于土層，其值與巖石的飽和單軸抗壓強度正相關(guān)[18]，巖層的側(cè)摩阻力對樁的承載力有較大的貢獻。由試驗結(jié)果可知，達到極限承載力時，巖層部位的樁-巖相對位移大致為5 mm左右，進一步驗證了各樁仍處于彈性壓縮階段。樁基進入巖層后，在全風(fēng)化、強風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層中，各巖層側(cè)摩阻力較穩(wěn)定，變化不大，實測樁巖側(cè)摩阻力隨加載值穩(wěn)定增加，隨樁長在各巖帶近似線性增加。側(cè)摩阻力在各巖層交界面處存在一定的突變，隨巖層強度增大而增大，對比三根試樁，其變化比例如表5所示。

表4 實測試樁各巖土層摩阻力沿深度分布表

表5 巖層交界面?zhèn)饶ψ枇ψ兓壤?/p>

由表5可知，由全風(fēng)化、強風(fēng)化巖帶向中風(fēng)化巖帶進入時，其側(cè)摩阻力變化最大，承載力特性提升明顯，故嵌巖樁宜進入中風(fēng)化巖帶；而由中風(fēng)化巖帶向微風(fēng)化巖帶進入時，其側(cè)摩阻力變化不大，提升不明顯，且樁端應(yīng)力遠低于巖石飽和單軸抗壓強度，可相應(yīng)提高嵌巖樁端阻力的設(shè)計值。因此，若中風(fēng)化巖層能提供足夠的極限承載力，則嵌巖樁樁端可不進入微風(fēng)化巖帶，從而有效節(jié)省工程造價。

2.3 樁端阻力分析

三根試樁在各級加載情況下的樁端荷載-位移曲線如圖4所示。

由圖4可知，三根試樁的樁端阻力-位移曲線均為緩變型。隨著樁端持力層承載力的增大，其極限承載力增大且相應(yīng)位移減小，達到極限承載力所需的樁端位移約在8 mm～11 mm之間。對比三根試樁可知，大降口大橋左線2#-1樁，其樁端位于微風(fēng)化砂巖層，但其較另外兩根嵌固于中風(fēng)化砂巖層試樁的樁端阻力并未有顯著的提升，說明中風(fēng)化砂巖層所提供的樁端阻力已滿足要求。

圖4試樁樁端阻力-位移曲線圖

2.4 試樁承載力構(gòu)成分析

三根試樁在極限加載荷載作用下的側(cè)摩阻力及端阻力所占的比例如表6所示。

早期的嵌巖樁常被視為端承樁進行設(shè)計，由表6中的荷載分擔(dān)比例可見，三根試樁在極限加載荷載作用下的側(cè)摩阻力及端阻力均得到較好的發(fā)揮，樁端阻力所占比例略大于樁側(cè)阻力，樁側(cè)阻力在設(shè)計中不容忽視。在砂巖嵌巖樁中，側(cè)摩阻力能夠較好地發(fā)揮，基本為40%以上，故在佛山地區(qū)進行砂巖中的嵌巖樁承載力設(shè)計時，在滿足保守設(shè)計的前提下，宜適當(dāng)提高側(cè)摩阻力的占比，即減小樁基的嵌巖深度。

表6 試樁承載力構(gòu)成表

由以上分析可知，試樁的極限承載力遠大于設(shè)計承載力，設(shè)計值較為保守；通過對試樁側(cè)摩阻力和端阻力的進一步分析可知，若中風(fēng)化巖層能提供足夠的極限端阻力，則嵌巖樁樁端可不進入微風(fēng)化巖帶，適當(dāng)?shù)乜s短樁長或減小樁徑，從而有效的節(jié)省基礎(chǔ)的成本。

3 結(jié) 論

基于以上對廣佛肇高速公路3根大直徑嵌巖樁的現(xiàn)場自平衡靜載荷試驗及結(jié)果的對比分析，可得以下基本結(jié)論與建議：

(1) 三根試樁的等效Q-s曲線均為緩變型，無明顯拐點，試樁處在彈性壓縮階段，承載力均達到設(shè)計要求，且承載力設(shè)計值較為保守，安全儲備大。

(2) 樁頂在極限加載條件下，端阻力約承擔(dān)總荷載的52%～57%，側(cè)阻力約承擔(dān)總荷載的43%～48%，兩者近似相等且均得到較好的發(fā)揮，且嵌巖段的側(cè)阻力占較大比重， 故在嵌巖樁的設(shè)計中不能簡單的將其視為端承樁而忽略側(cè)阻力的作用。

(3) 中風(fēng)化巖層對嵌巖樁的側(cè)摩阻力提升效應(yīng)明顯，而當(dāng)樁端進入微風(fēng)化巖層時側(cè)摩阻力變化不大，且樁端阻力沒有顯著的提升，故當(dāng)中風(fēng)化巖層能提供足夠的極限承載力，則嵌巖樁樁端可不進入微風(fēng)化巖帶，從而有效節(jié)省工程造價。