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软岩地区预制桩设计施工分析与探讨

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：罗毅

[导读] 摘要：软岩在水的作用下会发生膨胀、崩解和软化，导致其力学性能大幅度下降。

        四川汉明工程设计有限公司四川省成都市 610094
        摘要：软岩在水的作用下会发生膨胀、崩解和软化，导致其力学性能大幅度下降。现有理论分析和室内实验对岩石软化的微观和宏观机理研究，表明随着饱和时间的延长，软岩的力学强度指标逐渐降低，最终趋于稳定。
        关键词：软岩地区；预制桩；桩基设计；静载试验
        1工程概况
        1.1项目概况
        本项目位于我国南部沿海地区，由9栋单层门式刚架仓库、1栋二层的钢筋混凝土综合楼、1栋设备用房以及门卫室组成，总建筑面积约13万平米。抗震设防烈度为6度。
        1.2工程地质条件
        根据该场地的岩土工程勘察报告，可将该场地地层划分如下:
        1)第①层素填土，主要由黏性土及块状、碎块状泥质粉砂岩、页岩等组成，该层土自重固结尚未完全完成，重型动力触探试验实测击数平均值6.8击，离散性较大；
        2)第③层粉砂，松散状，标准贯入试验实测击数平均值9.9击；
        3)第⑥1层全风化泥质粉砂岩，已风化成半岩半土状，遇水易软化、崩解，干钻可钻进；
        4)第⑦1层强风化泥质粉砂岩，层状构造，泥质胶结，节理裂隙很发育，遇水易软化，岩芯多呈块状、碎块状，岩体基本质量等级为Ⅴ级，重型动力触探试验实测击数平均值44.5击；岩块饱和单轴抗压强度范围值3.43～23.30MPa，平均值9.17MPa，标准值7.95MPa；
        5)第⑧1层中风化泥质粉砂岩，层状构造，泥质胶结，节理裂隙较发育，岩芯多呈柱状、短柱状，锤击声脆，岩体基本质量等级为Ⅴ级；岩块饱和单轴抗压强度范围值7.99～30.30MPa，平均值15.62MPa，标准值13.78MPa。
        图1为该工程的典型地质剖面图。

图1典型地质剖面图

                      图2典型钻孔取样图
        1.3场地基岩特点
        场地基岩存在明显的软化特性，基岩干燥时，岩基承载力较高，遇水软化后，手易掰断。实验室软化系数约为0.5。
        场地岩基载荷板试验结果显示，干燥状态下，基岩承载力特征值不小于3000kPa，饱和状态下，基岩承载力特征值为1800kPa。因此，场地基岩的软化系数约0.5～0.6。
        1.4水文地质条件
        拟建场地的地下水主要是赋存于第①层素填土及第③层粉砂中的潜水，稳定水位埋深1.40～5.60m，无承压性。地下水主要受大气降水下渗及相邻含水层侧向渗透补给，以蒸发和侧向渗透的方式排泄，水量受季节影响较大。
        2桩基设计方案
        2.1库房桩基设计方案
        库房为门式刚架，单柱竖向荷载标准值为1500kN，拟采用PHC400AB95预制管桩，根据试桩的单桩竖向抗压承载力特征值，设计两桩或三桩承台。桩长按照进入⑦1层强风化泥质粉砂岩不少于2m进行控制，预计桩长9m。
        2.2综合楼桩基设计方案
        综合楼为二层框架结构，单柱竖向荷载标准值为4000kN，拟采用PHC600AB130预制管桩，单桩竖向抗压承载力不小于1300kN，拟设计四桩承台。桩长按照进入⑦1层强风化泥质粉砂岩不少于2m进行控制，预计桩长8～12m。
        3桩基施工及结果分析
        3.1库房区域
        3.1.1桩基施工
        库房试桩采用静压工艺，桩尖采用闭口十字钢桩尖如图3所示。

                   图3闭口十字钢桩尖
        具体施工要求如下:
        (1)根据现场试压桩的试验结果确定终压标准；
        (2)终压的连续复压次数不少于3次；
        (3)稳压压桩力不得小于终压力，稳定压桩的时间宜为5-10s。
        3.1.2桩基静载荷试验
        试桩结果如下表1和图4所示。从图表中可以看出，试桩竖向抗压承载力极限值离散性较大，试桩3的单桩竖向抗压承载力极限值达到1800kN，其余三根试桩的单桩竖向抗压承载力极限值分别为1080kN、1080kN和1260kN。3根工程桩的单桩竖向抗压承载力极限值为1180kN。
                     表1库房桩基载荷结果

图4为库房桩基荷载-沉降曲线，从图中可以看出，桩基的沉降随着荷载的增大而增大，当荷载小于900kN时，所有试桩和工程桩的沉降变化基本一致。当荷载大于900kN时，试桩1和试桩4的沉降急剧增大。
桩基静载检测后对所有桩基进行小应变检测，并未发现存在桩身破坏现象。由此推断，试桩1、4发生破坏的原因可能是，桩基入岩段较少，场地上覆填土松散，地下水引起基岩软化，导致其承载力降低，形成刺入破坏。

                 图4库房桩基加载曲线
        3.1.3对库房桩基静载试验结果的思考
        场地上部填土为松散填土，提供的侧摩阻力有限，桩基竖向承载力主要依靠入岩段。库房区域试桩采用的是静压工艺，入岩能力有限，一旦基岩承载力削弱，桩基承载力会明显下降。
        根据施工资料，管桩施工后填芯不及时，且上部填土松散，可能存在地表水通过桩孔下渗的情况，基岩可能存在软化现象。
        因此，对于软岩地区的桩基设计，增加有效桩长及基岩软化预防措施是两个重要的控制因素。
        首先，应尽量增加有效桩长，尤其是入岩段的桩长。值得注意的是，试桩3的桩长较长，其单桩竖向抗压承载力极限值可以达到1800kN，也从侧面说明了控制有效桩长的重要性。其次，采取防止基岩遇水软化的措施，例如对管桩进行填芯，填芯厚度不小于2m，且填芯应及时进行。
        从另一个角度讲，增加有效桩长也是减小遇水软化作用的措施。基岩软化深度是有限的，一般为基岩面以下0.5-1.0m。当有效桩长增加时，入岩段下部的基岩软化较少，承载力不会被削弱，从而确保桩基承载力满足设计要求。
        3.2综合楼区域
        3.2.1桩基施工
        根据库房桩基设计施工的经验，综合楼区域采用了“铅笔桩”工艺，即尖头型一体化桩尖。采用“铅笔桩”有以下两个方面原因:
        (1)铅笔桩的桩尖呈尖头型，且混凝土抗压强度达到C100，顶部采用刚包皮，入岩能力相对于其他桩尖更强；
        (2)铅笔桩桩尖与桩身形成一体，不存在闭口桩尖的焊缝质量不佳等问题，止水效果更好，可以有效防止地表水从桩孔渗入、引起基岩软化。此外，为了更好的增加入岩深度，试桩采用锤击工艺，锤重7.2t，落距2.4m。沉桩以贯入度控制为主、桩端标高为辅，进入持力层⑦1层强风化泥质粉砂岩不少于2m。贯入度控制在2-3cm，每根桩的总锤击数不宜超过2500，最后1.0m的沉桩击数不宜超过300。试桩共施工3根，贯入度约为1～2cm，桩基最终入岩深度为0.7～1.5m。施工后及时进行填芯，填芯高度2m。
        3.2.2桩基静载荷试验
        试桩结果如表2和图5所示。从图表中可以看出，3根试桩的单桩竖向抗压承载力极限值均为2600kN，满足设计要求。从荷载-沉降曲线中可以看出，试桩的承载力能满足设计要求。
                       表2综合楼桩基载荷结果

图5综合楼桩基加载曲线

          图6“铅笔桩”，尖头型一体化桩尖
        结束语
        结合预制桩在软岩区工程中的两个应用实例，分析了基岩软化对单桩竖向抗压能力的影响。通过本文的案例研究和分析，我们可以发现以下几点：
        (1)在软岩区，基岩软化会削弱桩基的承载能力，导致静载试验结果离散性较大。
        (2)减小基岩软化对桩基础承载力影响的主要措施是隔水和增加有效桩长，特别是在桩基础入岩段；
        (3)在软岩区，采用尖桩综合桩端，既能防止地表水从桩孔渗入，又能提高进岩能力。
        (4)在软岩区应采用锤击桩技术，其主要控制因素是贯入度和有效桩长。
        参考文献
        [1]杨春和，冒海军，王学湖，李晓红，陈剑文.板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究[J].岩土力学，2006，27(12):2090-2098.
        [2]周翠英，邓毅梅，谭祥韶，刘祚秋，尚伟，詹胜.饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用[J].岩石力学与工程学报，2005(01):33-38.