花岗岩风化残积地层基桩侧摩阻性能试桩分析_刘雪岭.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202210010开放科学（资源服务）标识码（OSID）花岗岩风化残积地层基桩侧摩阻性能试桩分析刘雪岭，左战旗，王亚芳（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300000）摘要：以广州市轨道交通 7 号线某停车场建筑基桩现场工程试桩为例，分析花岗岩残积地层中钻孔灌注桩侧摩阻力取值问题，同时对影响钻孔灌注桩成桩质量的因素进行分析；通过对泥浆护壁成孔的钻孔灌注桩和预应力高强管桩的基桩成桩质量及桩基检测结果进行对比，论述两种桩型在该类地层中的适用性。关键词：花岗岩风化残积地层；建筑基桩选型；侧摩阻力；钻孔灌注桩；预应力管桩中图分类号：U435文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0148 05 0 引言广东地区花岗岩分布广泛，尤其在广州市及其周边地区花岗岩残积地层较厚，大多基桩设计为摩擦桩或摩擦端承桩。由于花岗岩风化残积层具有遇水易软化崩解的特性，基桩设计过程中，侧摩阻力的取值问题及桩基施工时的施工工艺问题一直是讨论的焦点1-9。广东省建筑地基基础设计规范6规定：花岗岩残积地层中的泥浆护壁钻（冲、旋挖）孔灌注桩侧摩阻力按软塑黏性土（0.75I1）取值，进行了大幅折减。本文以广州市轨道交通 7 号线姬堂停车场维修楼桩基设计及工程试桩为例，重点分析钻（冲、旋挖）孔灌注桩侧摩阻力参数取值及桩基适用性问题，为该类地层桩基设计和施工提供借鉴。1 工程概况 1.1 场地地貌特征及地层岩性广州市轨道交通 7 号线姬堂停车场位于广州市黄埔区，属剥蚀残丘地貌区，地形相对较平缓。基岩为燕山期花岗岩，第四系覆盖层主要为填土、冲洪积砂层和粉质黏土层、坡积、残积层等。根据广东省建筑地基基础设计规范6，花岗岩残积层及全-强风化层采用实测标准贯入击数 N划分：N70 为强风化，70N40 为全风化，N40为残积土。各地层主要特征如下：杂填土-1（Q4ml）：主要是拆迁遗留的建筑物基础及硬化地面，稍湿，稍压实，颜色较杂，主要成分为人工堆填的黏性土、碎石土、砖块、混凝土块等，均匀性较差。层厚 0.506.20 m，平均厚度 2.25 m。素填土-2（Q4ml）：稍湿-饱和，松散-稍压实，颜色较杂，主要呈灰色、棕红、褐黄色等，主要成分为人工堆填的黏性土、中粗砂、碎石土等，均匀性一般。层厚0.5011.80 m，平均厚度4.54 m。中粗砂层-2（Q3+4al+pl）：主要分布于场地范围浅部，呈灰白色、浅黄色、灰黄色，颗粒成分以石英、长石为主，粒径不均匀，级配良好，磨圆分选一般，含黏粒，饱和，中密，局部稍密。层厚 0.408.20 m，平均厚度 1.62 m。粉质黏土层-2（Q3+4al+pl）：呈灰白色、灰色、褐黄色等，可塑状，由黏粒及粉粒组成，局部含砂粒，干强度及韧性中等。层厚 0.508.20 m，平均厚度 3.08 m。粉质黏土层-3（Qdl）：为坡积土，埋藏较浅，多呈褐黄色，可塑-硬塑状，以黏粉粒组成，含较多砂粒，切面粗糙，韧性低，干强度中等，黏性差。层厚 2.209.60 m，平均厚度 4.86 m。花岗岩残积土层-2（Qel）：为含砂、砾黏性土，呈褐黄色、红褐色、灰褐色等，可塑-硬塑状，由黏粒粉粒及砂粒组成，韧性及干强度中等，黏性一般，遇水易软化崩解，压缩性中等。层厚 0.6024.40 m，平均厚度 9.55 m。全风化花岗岩（）：以含砂、砾黏性土为主，呈褐黄色、灰白色等，风化剧烈，长石已全部风化为矿物，石英颗粒较少，原岩结构基本破坏，岩芯呈坚硬土柱状，遇水易软化崩解，压缩性 收稿日期：2022 11 11作者简介：刘雪岭（1978），男，河南项城人。高级工程师，硕士，主要从事岩土工程勘察工作。E-mail：。路基工程 148 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）中等。层厚 0.9525.80 m，平均厚度 10.54 m。砂土状强风化花岗岩-a（）：呈褐黄色、灰黄色等，风化强烈，原岩结构大部分破坏，岩芯呈砂土状，遇水易软化崩解，压缩性中等。揭露到层厚 0.534.5 m。碎块状强风化花岗岩-b（）：呈褐黄色，岩石风化强烈，组织结构大部分破坏，裂隙发育，岩芯呈碎块状，裂面见铁染，岩块锤击易碎，RQD=0。揭露到层厚 0.316.4 m。1.2 场地水文地质条件场地内地下水按赋存方式分为第四系松散岩类孔隙潜水和块状基岩裂隙水两类。第四系松散岩类孔隙水稳定水位埋深 1.005.50 m，含水层主要为冲洪积中粗砂层-2，富水性中等；块状基岩裂隙水受裂隙发育程度控制，具承压性，水位埋深1.888.08 m，水头高 28.9043.26 m 不等，主要赋存于花岗岩碎块状强风化带和中风化带，裂隙多被充填，赋存条件相对较差，具弱透水性，富水性较差。-2、-3、-2、及-a均为弱透水层，富水性弱-极弱，为相对隔水层。1.3 建筑基桩设计及试桩情况场地内拟建维修楼层高 9 层，框架结构，高约 38 m，设计采用 800 mm 钻孔灌注桩，因基岩较深，故采用了端承摩擦桩，桩长约 4050 m，持力层以花岗岩残积土及全-强风化花岗岩为主。Ra=uqsiali+qpaAp根据勘察资料，通过广东省建筑地基基础设计规范6第 10.2.3 条：，设计计算单桩承载力特征值不小于 3 000 kN。其中，因设计采用钻孔灌注桩，考虑到花岗岩风化残积层具有遇水易软化崩解的特性，在施工过程中会在桩、土之间形成较厚的软塑状泥皮，导致桩侧摩阻力大大降低。故，计算时对花岗岩风化残积层侧摩阻力（qsa）进行了折减，即根据广东省建筑地基基础设计规范6表 10.2.3-1“注 5”的说明，按软塑黏性土（0.75I1）进行了取值。桩基设计参数及试桩位地层分布特征，见表 1。表1桩基设计参数及试桩位地层分布特征地层状态桩侧摩阻力特征值qsa/kPa桩端阻力特征值qpa/kPa地层层厚/mL15L15#1桩#2桩#3桩填土层（Qml）杂填土-1松散-稍压实10 1.5 1.0素填土-210 4.2冲洪积层（Q3+4al+pl）中粗砂-2稍密-中密30 1.4粉质黏土-2可塑28 5.8坡积土层（Qdl）粉质黏土-3可塑30 8.5 2.2花岗岩残积土层（Qel）含砂、砾黏性土-2可塑-硬塑18550330 5.810.918.1燕山期侵入岩（）全风化花岗岩70N4020700500 3.9 7.5 9.4砂土状强风化花岗岩-aN7023100080017.620.415.9碎块状强风化花岗岩-bN706015001300 5.8 5.2 1.4 钻孔灌注桩试桩及桩基质量检验结果分析现场根据设计方案进行钻孔灌注桩试桩，3 根试桩桩长分别为 43.1、50.2、51.8 m，桩端持力层为-a 或-b。成桩 28 天后，进行静载试验。3 根桩的 Q-s 试验曲线，见图 1，单桩承载力检测结果，见表 2。12002400360048006000601824303642485460Q/kNs/mm12ZH#1桩ZH#2桩ZH#3桩图1静载试验Q-s曲线3 根桩静载试验检测值均大幅低于设计值，且只有设计值的 60%83%。虽然设计承载力已按折减后花岗岩风化残积层侧摩阻力进行了取值计算，但实际桩基单桩承载力仍达不到设计要求。表2试桩桩基承载力情况试验桩号桩长/m设计要求的单桩承载力特征值/kN静载试验检测值/kN单桩极限承载力特征值单桩承载力特征值ZH#143.1300036001800ZH#250.2300042002100ZH#351.8300049902495 对桩基检测结果经声波透射法检测进行复核，3 根试验桩桩身完整性均属类桩；抽芯芯样，见图 2、图 3。3 根桩桩底沉渣厚度 3060 mm，ZH#2刘雪岭，等：花岗岩风化残积地层基桩侧摩阻性能试桩分析 149 发现桩身存在一处空洞及局部混凝土离析，最终判定 ZH#2 属于类桩，ZH#1 和 ZH#3 桩满足设计要求，属类桩。ZH#1、ZH#3 桩检测结果表明，承载力未达到设计要求不是桩身质量问题。空洞空洞麻面图2#2 桩桩身芯样麻面及空洞 桩底沉渣图3#3 桩桩底抽芯芯样 静载荷 Q-s 试验曲线，除 ZH#2 最后一级发生明显陡降外，ZH#1、ZH#3基本为缓变型，也说明不是桩底沉渣导致的变形增加。2 问题分析桩基单桩承载力不足的现象不是桩身质量问题造成，主要原因应该为花岗岩风化残积层侧摩阻力折减仍不到位或是施工工艺方面的问题。近年来，广州城市轨道交通建设中多有花岗岩残积地层泥浆护壁成孔灌注桩达不到设计要求的案例，主要原因是桩侧泥皮厚度较大造成的，有的甚至达 20 mm 以上，桩、土之间存在较厚的软塑状泥皮，大大降低了桩侧摩阻力。针对此问题，广东省建筑地基基础设计规范6规定“花岗岩地层中的泥浆护壁钻（冲、旋挖）孔灌注桩侧摩阻力按软塑黏性土（0.75I1）取值”，通过折减后，多数泥浆护壁成孔灌注桩的桩侧阻力按此取值后与试桩结果大致相符。由于花岗岩地层复杂多变，实际工程中仍不断出现试桩承载力无法满足设计要求，将设计方案由摩擦端承桩变更为嵌岩桩或采用其他桩型的情况。风化残积层的桩侧阻力取值根据地方标准折减后，多数情况与试桩结果大致相符。针对本场地是否折减到位的问题，根据静载试验结果对地质参数进行反算。结果表明：ZH#1 反算出的侧摩阻力特征值 1.62.0 kPa，小于广东省建筑地基基础设计规范6有关淤泥的经验取值（4.08.0 kPa）；ZH#3 反算出的侧摩阻力特征值 7.59.6 kPa，相当于淤泥质土的经验取值（8.013.0 kPa）。两者均大大超出软塑粘性土经验取值范围（14.024.0 kPa），且参数本身与实际地层性状不匹配，若按此反算值进行设计，不合理且不经济。综上，影响本场地桩基承载力的因素主要是施工工艺，对于遇水易软化崩解的花岗岩残积层和风化层，成孔护壁方式及泥浆种类、性能都会明显影响桩的承载力。“泥皮效应”是导致基桩承载力无法满足设计要求的主要原因。3 桩基方案比选结合本场地花岗岩残积土、全-强风化层较厚且发育孤石、中-微风化层埋深较大的情况，设计比选 3 种方案。方案一：采用 600 mm 预应力高强管桩，为端承摩擦型桩。为尽量避开孤石施工，根据孤石埋深情况，考虑通过降低桩承载力，适当增加桩数，减短桩长。设计桩端进入全风化花岗岩持力层不少于 2 m，桩长 2030 m。设计各桩基地质参数与原钻孔灌注桩方案相同，增加桩数后经计算单桩竖向承载力特征值 2 400 kN。为解决持力层遇水软化，采用闭口桩，压桩后立即填灌高度不少于2 m 的细石膨胀混凝土封底。方案二：采用 1 200 mm 钻孔灌注桩，为嵌岩桩。桩长 60.070.0 m，持力层为中、微风化层，入岩 0.51.0 m，单桩竖向承载力特征值预估7 000 kN，单桩竖向承载力特征值以现场静载试验为准。方案三：采用 800 mm 钻孔灌注桩+桩端后注浆。桩长 3545 m，持力层为强风化层，入岩1822 m。单桩竖向承载力特征值预估 3 000 kN，最终值根据现场静载试验确定。由于花岗岩风化残积层遇水软化，灌注桩性能受影响较大，管桩为挤土桩，可通过填灌封底混凝土解决，且在广州城轨道交通建设中有成功经验。场地孤石可通过“一桩一孔”超前探明，遇孤石可引孔作业后再压桩，工艺较成熟。方案三该技术在广州地区应用不多，验证注浆工艺技术的时间较长，存在不确定性。结合本场地孤石发育率不高，且孤石埋藏较深的特点，确定采用方案一。4 预应力高强管桩成桩及桩基检测结果分析管桩施工采用静压法，按桩基编号顺序实施，16 根桩位布置，见图 4。预制桩成桩，见图 5。桩长 2534 m，桩端持力层为。路基工程 150 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）AA24002000200020002000 2000 20002400ZH-16 ZH-14ZH-12ZH-09ZH-08ZH-06ZH-07ZH-10ZH-11ZH-04ZH