基于自平衡法地质破碎带桩基承载能力研究

徐文冰，李小伟，赵 军，罗 航，陈洪朋

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430014；2.湖北交通投资集团有限公司，湖北武汉 430050）

引言

自平衡法因其试验设备轻便、具有较强的适应性以及能够明显区分桩侧摩阻力和桩端阻力各自的变化情况而被广泛的应用到桥梁桩基承载能力测试中。但本文主墩桩基位于区域性深大构造断裂“襄樊-广济断裂”带内，其地层分布易破碎，且分布十分不均匀；在该地质条件下桩基成孔过程中钻头易倾斜，成孔质量控制难度大，进而影响成桩质量，对桩基承载能力可能有显著的影响。因此，在该地质条件下基于自平衡荷载试验法探究钻孔灌注桩承载能力具有重大的意义。

本文以鄂黄第二过江通道（燕矶长江大桥）项目南岸侧主墩试桩试验为依据，研究地质断裂破碎层桩基在各级荷载作用下各标高的断面轴力、侧摩力随加载等级与深度变化的影响规律，并为设计单位确定桩基基本参数及桩基施工提供重要的参考依据，也为类似地质条件下桥梁工程的桩基设计及施工提供借鉴经验。

1 工程概况

1.1 项目概况

鄂黄第二过江通道（燕矶长江大桥）位于湖北省鄂州市和黄冈市，是鄂州机场的重要配套性工程，也是连接黄冈与鄂州的重要过江通道，为鄂州黄冈两地协同发展的重要工程。主桥为不同垂跨比高低空间四主缆双层钢桁梁悬索桥，通过前期勘测成果表明：主桥鄂州侧主塔基础位于区域性深大构造断裂“襄樊-广济断裂带“内，地层极其破碎，且分部极为不均。由于原地质勘探无法具体且全面的揭示鄂州侧主墩地质情况，为了进一步明确鄂州侧主墩桩基的设计参数及加快施工，在设计主墩位置附件处开展主墩试桩施工，以便于准确获得地质构造参数和验算桩基设计参数以及确定施工工艺的可行性。

1.2 试桩设计参数及施工工艺

1）试桩桩长80.0 m，设计桩径D=2.5 m，实际桩径2.65 m，为摩擦桩设计，桩身完整性经检测为I 类桩；

2）桩端持力层为糜棱岩，桩顶标高+17.6 m，桩底标高-62.4 m；

3）钢筋笼直径2.35 m，主筋采用Ф32 钢筋，箍筋采用Ф10 钢筋，其中桩顶以下0～40 m 为加密段，主筋间距14.5 cm，箍筋间距10 cm，40～80 m为非加密段，主筋间距29 cm；

4）混凝土设计强度等级为水下C35；

5）桩基成孔采用旋挖钻成孔，混凝土灌注采用导管法水下混凝土灌注施工工艺；

6）预估试桩处桩基竖向抗压承载力约40 399 kN。

1.3 地质条件

地层从上到下依次为1.70 m 厚粉土、8.00 m 厚粉细砂、7.90 m 厚粉质黏土、28.10 m 厚糜棱岩、9.20 m 厚中风化灰岩、4.60 m 厚糜棱岩、8.10 m 厚灰岩、桩底为糜棱岩。

表1 试桩处地质技术参数

2 自平衡试验过程

2.1 试验方法及原理

自平衡试桩法是通过计算分析在桩身特定位置安装加载荷载箱，将其与钢筋笼连接成为整体，通过自身油泵加压系统平衡其上部桩身的摩阻力和自重与下部桩身的摩阻力及桩端阻力[1]。利用不同断面上的钢筋位移计测试其变形，根据荷载及位移变化曲线分别判断桩身上部的侧摩阻力与桩身下部的侧摩阻力以及岩土的变形[2-3]。

图2 自平衡荷载箱布置及安装图

2.2 试验参数确定

1）本次试验分15 级进行加载，分5 级进行卸载，加载与卸载分级见表2[4-5]。

表2 加载与卸载分级

2）荷载箱位置确定

自平衡荷载试验中，荷载箱位置对确定桩基承载能力有显著的影响。本次试验中荷载箱位置的确定按照“规范经验值法”，即上桩与下桩的承载能力相等的原则：

其中：

Q上（下）为上桩（下桩）侧摩阻力；

M 为上桩重量；

σ 为桩端阻力，A 为其面积。

本试验最终确定荷载箱埋置距离桩底25 m 的位置，即安装在层厚4.6 m 的糜棱岩位置。

2.3 试验程序

加载采用慢速维持荷载法，测试按交通部标准《基桩静载试验 自平衡法》（JT/T 738-2009）进行[1]。

每级加载值为预估极限承载力的1/15，每级荷载在加载时的变化量不得超过当级荷载的10 %。每级加载或者卸载时每15 min 测量位移计读数，确定位移量，当位移变化稳定时（≤0.1 mm）进行下一级的加载或者卸载[6-7]。

当出现以下情况时可判定试验终止：

1）桩身总位移量≥40 mm，且本级荷载的位移量达到上级荷载时变形量的5 倍时，加载即可终止。此时当前荷载值的前一级荷载值判定为极限加载值。

2）桩身总位移量≥40 mm，但加载后24 h 后位移量仍未达稳定，可认为土体存在持续变形，加载即可终止。此时当前荷载值的前一级荷载值判定为极限加载值。

3）对于特殊地质条件下总位移量＜40 mm，但加载量已达到相应的设计荷载（含安全系数），加载即可终止。此时当前荷载值判定为极限加载值[8]。

3 试验结果及分析

3.1 荷载与位移测试结果

桩基加载至2×63 997 kN 时，荷载箱上桩位移1.56 mm（累计位移17.97 mm），下桩位移28.16 mm（累计位移50.54 mm），此时荷载箱下桩位移量超过前一级荷载的位移量（4.79 mm）的5 倍，且总位移量大于或等于40 mm，因此根据试验条件终止加载。此时上桩极限加载值取本级荷载63 997 kN，下桩极限加载值取前一级荷载58 664 kN，其测试位移荷载曲线见图3 所示，试验的累计位移最大值见表3 所示。

图3 每级荷载下的位移变化曲线

表3 极限荷载下实测位移累计值

从图3 可知，上桩、下桩及桩顶位移均随着荷载等级的增加而增加，下桩荷载位移变大幅度大于上桩，表明桩基底部的糜棱岩承载能力明显下降，这与糜棱岩岩层强度较低（约2 MPa），遇水软化的特征相符。

3.2 桩身轴力测试结果

按照在不同标高处埋设应力计测试桩基截面荷载作用下的应力-应变关系，试验中桩基13 个截面在各级荷载作用下轴力的变化情况见图4。

图4 轴力与荷载曲线

由上图可知，随着荷载的加大，各级轴力逐渐变大，并从荷载箱位置逐步向桩顶及桩底减少，其主要原因在于桩基侧摩阻力及基底承载力的存在使得轴力的传递不断衰减。

3.3 桩侧摩阻力测试结果

根据桩基各截面轴力测试结果分析得出桩基侧摩阻力与深度及位移的关系曲线见图5、图6（上桩对应侧摩阻力已扣除桩身自重并转换为正摩阻力，并已按实际桩径2.65 进行了修正）。

图5 桩侧摩阻力随深度分布

图6 桩侧摩阻力-位移图

从上图可知，在同一深度范围内，摩阻力随着荷载等级的增加而增加，且由于各深度范围地层岩性不一致，摩阻力也呈现出不同，其变化情况与地质分布情况基本吻合，粉细黏土层及粉砂层摩阻力较小，中风化灰岩层摩阻力较大。在一定位移变化范围内，摩阻力随着桩位移的增大而增大；其后摩阻力不再随着位移的增加而发生变化，说明其桩身应力大于其桩侧摩阻力。

3.4 桩基承载能力结果分析

依照前述桩端阻力计算方法，得出桩端承载能力与桩端位移之间的关系曲线如图7 所示。桩端阻力随着加载量的进行逐渐变大，其位移变化也逐渐增加，但随着加载量的逐级增加，位移变大量变大，而非呈现线性关系，表明桩端承载力逐渐变弱，由弹性变形转化为非弹性变形，这也与基底最终回弹率较低相吻合。

图7 端承力与桩端位移关系图

3.5 等效转换结果

通过将自平衡法测试结果根据向上向下位移同步的拟合原则，进行位移叠加，向传统静载试验的桩顶荷载-位移曲线转换，即可将桩侧摩阻力与变位量的关系、荷载箱荷载与向下变位量的关系，换算成桩顶荷载对应的荷载—沉降关系，得出等效荷载Q 与沉降S 的关系见图8。

图8 等效荷载与位移关系

从图8 可知，等效位移随着等效荷载的增加而增加，呈线性相关，而荷载达到该基桩极限承载能力123 262 kN 时，其对应位移为51.07 mm，位移变化量呈现非线性关系，出现突变拐点，桩端承载力逐渐变弱，由弹性变形转化为非弹性变形，接近失去承载能力。

按照前述桩侧摩阻力和桩端承载力测试结果，桩侧摩阻力和桩端承力分别占承载力的87.8 %和12.2 %。由此可见，对于该此地质破碎带钻孔灌注桩的承载能力以侧摩阻力为主，这与桩底位于糜棱岩层，该岩层承载能力较低存在较大关系。由此可见，地质断裂破碎层导致地质破碎，岩层分布不均及岩性变化对桩基承载能力造成较大影响。

3.6 桩基承载力分析

该桩竖向抗压承载能力测试值Qu见表4。

表4 试桩承载力分析结果

由此可见，试桩竖向抗压承载能力123 262 kN，远大于与预估承载能力40 399 kN。

4 结语

通过自平衡荷载试验法对地质断裂破碎带钻孔灌注桩承载能力进行测试，得出其桩基在各级荷载作用下个标高的桩基轴力值、摩阻力随加载等级与深度变化的影响规律，得出其主要结论如下：

1）通过自平衡法桩基荷载试验，证明采用旋挖钻进行桩基成孔的孔深、孔径、垂直度满足规范要求，也表明桩基施工工艺的可行性；

2）该地质破碎带钻孔灌注桩承载能力为123 232 kN，约为预估承载能力的3 倍，完全满足设计要求，为类似地质断裂破碎带条件下的桩基参数设计提供数据支撑；

3）地质破碎带桩基在各地层的摩阻力试验结果与地勘测试的摩阻力基本吻合，试验结果进一步修正了该地质破碎带下的岩石地层特性，为摩擦桩的深化设计提供了坚实理论依据；

4）桩侧摩阻力与桩端承力分别为108 146 kN及 15 116 kN，其在承载能力中的占比分别为87.74 %及12.26 %，对于该此地质破碎带钻孔灌注桩的承载能力以侧摩阻力为主，而桩底位于糜棱岩层，其承载能力较低。地质断裂破碎层导致地质破碎，岩层分布不均及岩性变化对桩基承载能力造成较大影响；

5）桩身轴力、位移以及各截面摩阻力均与加载荷载呈类似线性变化规律，符合常规的Q-S 曲线特性，也表明各地层地质条件相对稳定。

综上所述，一方面本项目地质破碎带钻孔灌注桩自平衡试验完全满足设计要求，虽然试验的承载能力存在较大的冗余，但地质破碎带的地质条件变化复杂，不同标高处岩石特性变化大，桩基桩长设计及持力层选择时应充分考虑其影响，确保桩基承载力满足要求。另一方面也表明在类似地质断裂破碎带采用旋挖钻成孔及水下混凝土灌注工艺满足桩基质量要求，该试验也为其他工程项目在类似地质条件下的桩基设计及施工提供重要参考。