珊瑚礁灰岩地层灌注桩侧摩阻...征及发挥系数取值研究与应用_张永涛.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220331；修回日期：修回日期：20220624 基金项目：基金项目：湖北省科技厅高端外国专家项目(2021EJD012)；中国交通建设股份有限公司科技研发项目(2018ZJKJPTJS02)Supported by the Senior Foreign Expert Project of Hubei Provincial Department of Science and Technology(Grant No.2021EJD012)and Technology R&D Project of China Communications Construction Co.，Ltd.(Grant No.2018ZJKJPTJS02)作者简介：作者简介：张永涛(1978)，男，博士，2000 年毕业于同济大学交通土建工程专业，现任教授级高级工程师，主要从事大跨桥梁结构与基础方面的研究工作。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0309 珊瑚礁灰岩地层灌注桩侧摩阻力特征及珊瑚礁灰岩地层灌注桩侧摩阻力特征及 发挥系数取值研究与应用发挥系数取值研究与应用 张永涛1，2，刘玉擎1，陈培帅2，罗会武2，邓志强2，喻成成2(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040)摘要：摘要：为了探究界面形态及界面胶结状态对珊瑚礁灰岩灌注桩侧阻发挥系数的影响，以援马尔代夫中马友谊大桥区域的礁灰岩为研究对象，利用大型直剪仪开展礁灰岩混凝土界面剪切试验，研究完整岩体状态的珊瑚礁灰岩混凝土界面强度发挥机制，结合现场自平衡试桩试验，研究破碎及较破碎岩体状态的珊瑚礁灰岩层灌注桩侧阻发挥系数。结果表明：(1)当礁灰岩与混凝土界面无填充或泥皮填充时界面破坏为滑动摩擦，当混凝土直接浇筑在礁灰岩上面时，界面破坏受控于礁灰岩内部缺陷；(2)礁灰岩与灌注桩无胶结时，锯齿界面的抗剪强度均高于直桩界面，约 77%；(3)礁灰岩与灌注桩胶结时，由于水泥浆的扩散、填充作用，礁灰岩混凝土界面形成了界面增强体，界面强度发挥受控于礁灰岩内部缺陷，界面形态对界面剪切强度无明显提升作用；(4)结合现场自平衡试桩试验，确定了清水成孔工艺破碎岩体的礁灰岩层灌注桩嵌岩段桩侧摩阻力发挥系数为 0.0530.108，高于陆源岩石 2 倍以上。以上成果揭示了珊瑚礁灰岩层灌注桩侧阻发挥机制，论证了清水成孔工艺灌注桩能充分发挥礁灰岩地层承载性能，可为岛礁大型工程基建的设计及施工提供参考。关键词：关键词：桩基础；礁灰岩；灌注桩；界面剪切；桩侧摩阻力发挥系数；自平衡试桩法 中图分类号：中图分类号：TU 47 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03074810 Research and application of lateral friction resistance characteristics and coefficient value of cast-in-place piles in coral reef limestone strata ZHANG Yongtao1，2，LIU Yuqing1，CHEN Peishuai2，LUO Huiwu2，DENG Zhiqiang2，YU Chengcheng2(1.School of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.CCCC Second Harbour Engineering Company Ltd.，Wuhan，Hubei 430040，China)Abstract：In order to explore the influence of interface form and filling state on the lateral friction resistance play coefficient of reef limestone-cast-in-place piles，the reef limestone in the area of China-Malaysia Friendship Bridge was used as the research object，and the reef limestone-concrete interface shear test was carried out with a large direct shear instrument to study the strength play mechanism of coral reef limestone-concrete interface in the intact rock state，and the lateral resistance play factor of coral reef limestone layer-cast-in-place pile in the fractured and more fractured rock state was studied in combination with the field self-balancing pile test.The results show that：(1)when the interface between reef limestone and concrete is not filled or filled with mud skin，the interface damage 第 42 卷 第 3 期 张永涛等：珊瑚礁灰岩地层灌注桩侧摩阻力特征及发挥系数取值研究与应用 749 is sliding friction，and when concrete is poured directly with reef limestone，the interface damage is controlled by the internal defects of reef limestone；(2)When the reef limestone and the cast-in-place pile are not cemented，the shear strength of the saw tooth interface is higher than that of the straight pile interface，about 77%；(3)When the reef limestone is cemented with the cast-in-place pile，due to the diffusion and filling of the cement slurry，the reef limestone-concrete interface forms an interface reinforcement.The failure surface of reef limestone-concrete specimens is controlled by the internal defects of the reef limestone.The interface form does not significantly improve the shear strength of the interface；(4)Combined with the field self-balancing test pile test，it is determined that the coefficient of lateral friction resistance of the rock-socketed section of the rock-socketed pile in the reef limestone stratum with the broken rock of clear water pore-forming process is 0.0530.108，which is more than 2 times higher than that of the land source rock.The above results demonstrate that the clear-water pore-forming cast-in-place pile can give full play to the bearing performance of reef limestone strata，and can provide reference for the design and construction of large-scale engineering infrastructure on islands and reefs.Key words：pile foundations；reef limestone；bored pile；interface shear test；exertion coefficient of pile side resistance；self-balanced test 1 引引 言言 “海上丝路”沿线外海分布着大量的珊瑚岛礁，连岛桥梁工程、港航工程和工民建领域等基础建设发展潜力大，但需解决珊瑚礁地质中桩基设计难题。珊瑚礁沉积物主体为礁灰岩，其成岩作用及后生演化作用独特，完全不同于常规的陆源沉积物，具有复杂的工程特性1-2。钢管打入桩施工快捷，常作为海洋工程中的基础形式，但珊瑚礁地层中钢管打入桩桩侧摩阻力不能充分发挥，承载效率不高3-4。灌注桩是一种能大幅提高侧阻的桩基类型，试桩孔显示其侧壁为锯齿状，明显不同于陆源岩石地层的成孔形态。礁灰岩地层的灌注桩成孔形态及界面填充状态对桩基侧摩阻发挥系数的影响有待深入研究。王新志等5对礁灰岩进行了物理力学性质测试，发现珊瑚礁灰岩的孔隙率较大，抗压强度较低但峰后残余强度较大。刘海峰等6基于礁灰岩的应力应变曲线，采用考虑应力跌落的相对大小及绝对速率的脆性指标计算方法对礁灰岩进行了脆性特征评价。孙宗勋和卢 博7与杨永康等8分别对取自南沙、西沙群岛的礁灰岩进行室内试验，分别建立了礁灰岩密度、孔隙率以及强度与波速的回归方程。孟庆山等9对礁灰岩进行了单轴冲击试验，发现冲击荷载下礁灰岩主要发生沿轴向的张拉破坏，且破坏主要发生在生物组分、珊瑚砾块与珊瑚藻的胶结面等薄弱部位，且存在较明显的压密阶段。国内的桩基研究多集中于陆源岩石，人们对桩基的荷载传递机制和桩身破坏模式进行了大量研究，得到桩岩相对刚度、外荷载等级对荷载传递特性的影响10-11。同时对珊瑚礁地层桩基的承载力发挥机制也进行了深入研究。F.M.Ghazali 等12对红海近岸珊瑚礁灰岩地层进行钻孔灌注后压浆桩和打入桩的对比试验，得出钻孔灌注后压浆桩的承载力远高于打入桩。万志辉等13-14通过开展桩端后压浆桩静载荷试验，证实了桩端后压浆的压力浆液可充填岩体孔隙与孔洞，改善珊瑚礁灰岩层中的薄弱的区域，产生的负摩阻力可以增大压浆桩的总侧阻力，提高桩基承载力并减小沉降量。刘海峰等15-17通过小尺寸剪切试验，研究了灰岩混凝土界面的剪切强度受礁灰岩结构类型的影响，证明了水泥浆在礁灰岩中的扩散有加固作用，提出嵌岩桩侧摩阻力及桩端应力受礁灰岩结构类型和界面强度影响较大。同时开展的礁灰岩摩擦桩模型试验表明，礁灰岩摩擦桩具有较高的承载力，适合作为珊瑚礁地层的桩基形式。但由于礁灰岩试件较小，可能无法忽略孔隙对剪切试验结果