（岩土工程专业论文）昔格达泥岩中桩的承载性状及后注浆技术的应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 嵌岩桩因具有单桩承载力大、沉降小的显著特点而在土木建筑工程中德到 了广泛的应用。但对其受力机理和工作特性的研究一直不很充分，特别是对泥 岩地基中大直径、中长嵌岩桩的承载性状的研究还比较缺乏。 昔格达组泥岩在四川境内的西昌、攀枝花地区分布较为广泛，该岩层具有 遇水泥化、软化和脱水开裂等特征，属极软岩类。对以该泥岩层为持力层的嵌 岩灌注桩基础未见专门研究文献，现行各规范对极软岩中的桩基亦没有明确完 整的计算方法。 本论文结合省级科研项目“西攀高速公路昔格达组泥岩层中钻孔桩提高承 载力的研究”，所傲的研究工作主要在以下三个方面：一是根据8 根桩身内埋设 量测元件试桩的单桩竖向静载荷试验资料，分析了各试验桩特别是常规冲孔灌 注嵌岩桩在营格达泥岩中的轴向力、侧摩阻和桩端阻力的分布和发挥规律；二 是在讨论现行规范对嵌岩桩承载力的计算公式的基础上，探讨了在昔格达泥岩 层中的冲孔灌注嵌岩桩的侧摩阻和端阻的计算方法，并推荐了相应的计算公式； 最后，在吸取近年来对灌注桩后注浆技术研究成果的基础上，结合现场试验研 究结果，分析了该项技术在茜格达岩层中的应用效果，提出了相应的参数选取， 从而为压力灌浆技术的工程应用和进步研究提供经验，并为今后在该地层中 合理选用桩型以及指导施工提供了依据。 关键词泥岩；嵌岩桩；承载性状：压力灌浆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ho t h e rf o l i n so fb a s ec o n s t r u c t i o n ，s o c k e t e dp i l e s a r em o r e w i d e l yu s e di nc i v i le n g i n e e r i n gb e c a u s eo ft h e i rh i g h e rb e a r i n sc a p a c i t y , l i t t l e r s e t t l e m e n t b u tt h er e s e a r c ho ni t s b e a r i n gm e c h a n i s ma n dw o r kp r o p e r t i e s i s i n s u f f i c i e n t e s p e c i a l l y o nt h e b e a r i n gp r o p e r t i e s o ft h e l a r g e - d i a m e t e r a n d m e d i u m l o n g s o c k e t e d p i l e si nm u d s t o n e f o u n d a t i o n t h ex i g e d a - m u d s t o n ei sw i d e l yd i s t r i b u t e di nx i c h a n ga n dp a n z h i h u a r e g i o n s o fs i c h u a n p r o v i n c e i t sak i n do f d e a ds o f t - r o c kw i t hs o m es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s o f m u d d i n e s s ，s o f t e n n e s s ，d e h y d r a t ea n dr i f te t cw h e ni tm e e tw a t e r h o w e v e r , t h e a r t i c l e sa b o u tt h es o c k e t e dp i l e si nt h i ss t r a t u mh a dn o tb e e nd i s c o v e r e d a n dt h e c l e a ra n dc o m p l e t et a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h ep i l e si ns o f t r o c ki nt h es t a n d a r d s h a v en o ty e tb e e nf o u n d o nt h eb a s i so ft e s t i n g s t u d yo nb e a r i n gp r o p e r t i e s o fb o r e dp i l ei n x i g e d a m u d s t o n ei nx i c h a n g - p a n z h i h u ae x p r e s s w a yp r o j e c t ，t h i sp a p e rw o r k si n t h r e ea s p e c t s 0 n ei st h er e s e a r c ho nt h ev e r t i c a lb e a r i n gc h a r a c t e d s t i c so f p i l e s i n t h i ss e c t i o nt h ea u t h o ra n a l y s e st h er u l e so ft h ep i l eu l t i m a t et i pr e s i s t a n c ea n dt h e s h a f tf r i c t i o nr e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o na n dt h e i re x e r t i o no f c a s t - i n p l a c es o c k e t e d p i l e s i n s t r u m e n t e dw i t hs t r a i n o m e t e r si ns o f tm u d d yr o c k t h es e c o n da s p e c to f t h ep a p e r i st h ea n a l y s i so nt h ec u r r e n tr o c kp i l ev e r t i c a lb e a r i n g c a p a c i t yi nt h ef o a t - s t a n d a r d s g b 5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 ，t b 10 0 0 2 5 9 9 ，j t j 0 2 4 8 5a n dj g j 9 4 9 4 ，t h e nt h ed e s i g nm e t h o d w i t hc o r r e l a t e df o r m u l ao fs o c k e t e dp i l e si nx i g e d a m u d s t o n ei sg i v e n a tt h ee n do f t h i sp a p e r , b a s e do nt h er e s e a r c ho f p r e s s u r eg r o u t i n gt e c h n i q u ei nr e c e n ty e a r s ，a n d c o m b i n e dw i t hi n - s i t et e s tr e s u l t ，t h i sp a p e r p u t sf 0 1 - w a r dt h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n m e t h o dt og r o u t e dp i l ei nx i g e d a - m u d s t o n ea n dt h ep r i n c i p l eo f c h o o s i n gg r o u t i n g p a r a m e t e r s ，w h i c hp r o v i d e se x p e r i e n c e sf o ra p p l y i n gt h i s t e c h n i q u ea n df u r t h e r s t u d y i n g a n dr e f e r e n c et or e a s o n a b l es e l e c t i o no f p i l et y p ea n dc o n s t r u c t i o ni ns u c h r o c ki sa l s op r e s e n t e d k e y w o r d sm u d 或o m ； s o c k e t e d p 缸e ；b e 耐1 1 9 口脚：p e 双聪朗嫩塔 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 软岩的概念及分类 1 。1 。1 软岩的概念 软岩在地球上的分布非常广泛，软岩中的泥岩与页岩就占地球表面所有岩 石的5 0 左右。软岩与工程建设息息相关，随着工程建设规模不断扩大，在土 建、水电、铁路、公路、煤炭、冶金、人防等行业遇到的地下软岩工程越来越 多。由于软岩的复杂性，国内外学者对其定义一直存在着争议，各种不同的定 义大概可分为以下几种： ( 1 ) 描述性定义 软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变强、风化和膨胀性岩体的总称； ( 2 ) 指标性定义 饱和单轴抗压强度r c 3 0m p a 的岩层称为软岩； ( 3 ) 工程性定义 围岩松动圈大于1 5m 并难支护的围岩称为软岩； ( 4 ) 综合性定义 将软岩分为地质软岩和工程软岩分别定义。 地质软岩是指具有松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。工程 软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。其中工程力指的是 作用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和 工程扰动力以及膨胀应力等。当工程力一定时。不同岩体，强度高于工程力水 平的大多表现为硬岩的力学特性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的 力学特性：而对同种岩石，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的变形特性： 在较高工程力的作用下，则可能表现为软岩的变形特性。 工程软岩和地质软岩的关系：当工程荷载相对于地质软岩( 如泥页岩等) 的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形的特征，即不作为工程软 岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩，在高 深度高压力作用下，部分地质硬岩( 如泥质胶结砂岩等) 也出现了显著变形特 征，也应视为工程软岩嘲。 西南交通大学硕士研究生学位论文第呈至 1 1 2 软岩的分类 软岩的分类是当前国际土力学与基础工程界、岩石力学与工程地质界所关 注的问题。许多研究者认为，软岩是介于松散介质和坚硬岩石之间的岩类，它 可以来源于松散介质经沉积作用、成岩作用向坚硬岩石过渡的岩类，也可以来 源于坚硬岩经构造作用或风化作用向松散介质转化的岩类。因此，广义的软岩 应该包括原生软岩、风化软岩、断层破碎软岩等。1 。 1 软岩按强度分类从力学方面考虑，软岩是具有变形大、强度低，赋存 环境效应和时间效应强烈的岩体。目前，岩体分类按照建筑物的不同种类有各 种方法。岩体分类需要考虑岩体的强度、变形特性、透水性、稳定性等，但工 程种类不同，考虑的因素是有区别的。这里将岩石按强度标准划分列于表卜l 。 表卜1 国内岩石坚硬程度的划分 硬质岩软质岩 名称饱和单轴抗压强度r c ( m p a )饱和单轴抗压强度r c ( m p a ) 坚硬岩较硬岩较软岩软岩 极软岩 建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 6 03 0 6 01 5 3 05 1 55 公路桥涵地基基础设计规范( j t j 0 2 4 8 5 ) 3 05 3 05 岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 6 03 0 6 01 5 3 05 t 55 工程岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) 6 03 0 6 01 5 3 05 1 55 2 软岩的成因类型软岩从成因方面考虑可分为原生类型和次生类型，后 者还可划分为风化软岩与断裂破碎软岩。 ( 1 ) 原生软岩，主要是指沉积岩。它是由松散堆积物在温度不高和压力不 大的条件下形成的，是地壳表面分布最广的一种层状岩石，粘土基质含量高， 胶结程度差，吸水时往往具有膨胀性与易溶性。其工程性质与胶结物成分及含 量密切相关，如粘土岩、泥质砂砾岩、页岩、泥灰岩、疏松砂岩、云母片岩、 岩盐、石膏等。 ( 2 ) 风化软岩，是由坚硬岩石长期受物理、化学等自然因素的作用，即风 化作用，致使岩体疏松以至松散，物理力学性质变坏而生成的岩石，它的风化 程度随深度增加而减弱，其风化程度可定性划分为：未风化带、微风化带、中 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 等风化带、强风化带及全风化带。 ( 3 ) 断裂破碎软岩，是由构造应力作用形成的软岩，主要包括断裂带中的 软弱糜棱岩、火成岩侵入过程中的接触变质破碎软岩、层间错动的软弱层。这 类软岩对工程稳定影响最严重的是层间错动的软弱层。 3 软岩按时代划分有的研究者通过实验结果表明，不同地质时期形成的 软岩其经受的构造运动次数不同，成岩和压密作用不同，因而粘土矿物成分及 含量也各不相同。按生成时代和粘土矿物特征可将软岩分为三种类型： ( 1 ) 古生代软岩，主要包括中上石炭系及二叠系软岩，其主要的粘土矿物 为高岭石，其次为伊利石和伊蒙混层矿物，基本上不舍蒙脱石。 ( 2 ) 中生代软岩，主要包括侏罗、白垩系及部分三叠系软岩，主要粘土矿 物为伊蒙混层，其次为高岭石、伊利石，蒙脱石含量一般低于1 0 。 ( 3 ) 新生代软岩，主要是第三系软岩，粘土矿物以蒙脱石为主，其次是伊 蒙混层和高岭石。 1 2 昔格达组泥岩概述 所谓昔格达组，系目前西攀地区( 即四川境内的西昌、攀枝花地区) 的土 木工程技术人员，对昔格达地层的统称。昔格达组原名“混旦组”，1 9 5 8 年才 根据其实际出露地点昔格达村而改称“昔格达层”。其后，在区域地质调查中。 昔格达组被广泛用来代表安宁河、金沙江、大渡河、雅砻江河谷覆盖在第三系 之上的一套河湖相地层。昔格达组的时代归属目前尚待解决，不过在一般的工 程地质报告中，现在几乎都已把昔格达组明确地划归第四纪更新统( q 。) ；另外 的观点则是把昔格达组划归上新统( n 2 ) 。这两种认识虽对昔格达组的地层年代 划分有所不同，但一般都认为该组为河湖相静水沉积，呈半成岩状态。 昔格达组的相变呈过渡型交替，上覆第四纪坡积洪积的砂粘土加碎石 卵石，或第四纪冲积洪积的卵石砾石土，底部多分布有不同厚度的卵石、 砾石层( 或底砾层) ，与下伏地层( 中生界砂岩页岩、古生界灰岩、晋宁期花岗 或前震旦系变质岩等) 呈不整合接触。昔格达组产状平缓，一般为n 5 0 。 8 0 。e 2 。5 。n w ，因受新构造运动的影响，局部产生了平缓的褶曲或断裂， 个别地段岩层倾角可陡达4 5 。陡倾节理( 倾角6 5 。8 5 。) 较发育，主要有 两组，走向n 3 0 。6 0 。e 及n 3 5 。8 5 。w 。昔格达组成岩作用较差，受构造 应力作用后易产生塑变，故一般节理不密集，属封闭型构造节理。 昔格达组为由灰黄、灰白、青灰等色的粘土、淤泥质粘土、砂粘土、细砂 和粉砂相互沉积而成，总厚度由几十米至三百米，其完整层序可分为三部； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 ( i ) 下部：卵石、砾石层或砂砾层，属河流相沉积。由砂、砾石、卵石( 局 部夹漂石、块石) 夹棕褐色砂粘土组成，半胶结状，有的所夹粘土或砂层呈透 镜状分布。与下伏地层呈不整合接触。以富林、老台子梁岗剖面为代表，厚1 0 余米。 ( 2 ) 中部：深灰、灰黄、灰绿色粉砂岩夹页岩，属湖相沉积。以块状或厚 层粉砂岩为主，结构中密或较疏松，近似粉砂，多为泥质胶结，局部钙质胶结， 含铁质结核。该层干时较坚硬，可击碎成粉砂状，湿时以手锤敲击岩石表面则 呈凹状，吸水性较好。以富林、清香坪剖面为代表，厚5 0 7 5 米。 ( 3 ) 上部：淡灰或灰黄色粘土质页岩为主，夹少量中层粉砂岩，也属湖相 沉积。页岩具微层理，结构致密，薄中层或板状，手摸有滑感，渗水性弱，受 水浸泡易软化丽强度显著降低。该层常含管状腐植物的根孔。本段在炳草岗出 露厚度约7 0 米。 在金沙江沿岸的弄弄坪、炳草岗、高粱坪，雅砻江沿岸的牙谷台子、南坝、 冷家坪子和安宁河沿岸泸沽、德昌等地，出露最高的昔格达组之上有砾石层、 红土砾石层覆盖，构成v 、级阶地。该砾石层厚3 1 8 米，砾石成分复杂。 红土砾石层自地面向下红土含量减少，含沙量增多，颜色由棕色渐变为黄红， 系原冲积层经过湿热化作用的残积物。它们与下伏茜格达组里不整合接触。其 时代归属中更新世。再其上，很多地方还零星地分布有冰碛层及其它第四系沉 积物。 在昔格达组之下，常有很薄的红土层，随后即见玄武岩或石英闪长岩、花 岗岩、灰岩，或紫红色泥岩等基岩。 昔格达组属半成岩，按岩性可分为粘土岩、砂岩( 也有文细分为：泥岩、 页岩、粉砂岩及细砂岩等) 。其粘土岩较致密，砂岩较疏松。粘士岩矿物成分以 伊利石为主，绿泥石次之，针铁矿少量。砂岩的碎屑成分主要为斜长石，少量 为方解石、石英、黑云母等。粘土泥岩具微细层理，浸水后容易崩解成鳞片状； 砂岩半胶结状，胶结物为泥质或钙质。 就岩性、岩体的物理力学性质、承载力而言，对于一般性的工民建建筑， 昔格达组地层系较为良好的地基持力层。这已为西攀地区近三十年来的大量工 程实践所证实。但值得特别指出的是：营格达组地层也确实具有不可忽视的不 良地质因素。这些不良地质因素，主要可归纳为以下几个方谣： 1 营格达纽地层尽管经受了一定的成岩作用。但比超前四系的成岩程度有 天壤之别，因此强度较低。特别是在水的作用下，承载性能和抗剪强度都会大 幅度降低( 有关文献指出，这种情况尤其表现在临塑状态之后) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 昔格达层中页岩、泥岩具有微细的层理，在风干后，特别是反复浸水， 极易崩解。 3 由于昔格达组为砂( 粉砂) 岩、泥( 页) 岩互层，岩体中常有软弱的沉 积结构面，特别是所谓“红层”( 很薄的红土层) 等。这些软弱结构面及昔格达 组层与上覆松散堆积层的接触界面、与下伏地层的界面，是在该地层上容易产 生滑坡、塌方的主要不良结构面。 4 由于在西攀地区新构造运动强烈，岩体中常存有断裂和构造裂隙为主的 破裂结构面。这显然也是在工民建、道路与桥梁、水利工程等的建设中须十分 注意的不良结构面之一。 因此，在为重型建筑、水工建筑等基础选择持力层时，对昔格达组地层必 须充分地考虑到该地层强度较低，特别是在水的作用下，易滑、易于崩解、强 度会大幅度降低等重要属性“。 1 3 软岩中的嵌岩灌注桩 嵌岩桩是指桩身一部分或全部埋设于岩石中的桩基础。嵌岩桩具有单桩承 载力高、沉降小且收敛快、抗震性能好、群桩效应小等特点，是桥梁、高层建 筑、重型厂房等结构荷载较大、沉降要求较高的建筑物的重要基础形式，在工 程实践中得到了越来越广泛的应用。 软岩是一种十分复杂的介质，而桩基础则是一种复杂的基础结构。在软岩 中设置桩基础，其工程环境是变化多端的，桩型和施工工艺也多种多样，在软 岩桩基工程中应用的地基处理方法也较多。正是软岩中桩基础的这些特色引起 人们深切的关注。随地质条件的不同，软岩中的桩基础可以有如下两种情况： ( 1 ) 基岩为软岩，桩贯穿基岩上的第四纪覆盖土层而嵌入软岩中，即将软 岩作为桩端的持力层； ( 2 ) 基岩为软岩与硬岩，桩贯穿土层和软岩层而嵌入坚硬基岩上。 可见，软岩中的桩基础基本上属于嵌岩桩，但传统的嵌岩桩理论并不能概 括软岩中桩基础的性能。已有的研究表明，软岩作为挖孔桩持力层，其承载力 是较高的。原因是： ( 1 ) 人工挖孔，对软岩的扰动较小； ( 2 ) 能够用人工开挖的办法成孔，说明地下水的影响较小； ( 3 ) 能清底干净无沉渣。 而当将软岩作为钻- t l 灌t f 桩持力层时，其承载力比人工挖孔桩要低得多。 原因是钻孔时对软岩的扰动很大、泥浆护壁使软岩泡水的时间长以及软岩可能 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 具有的吸水膨胀等因素使软岩的强度大大降低。 1 4 国内外文献综述 1 4 。1 昔格达组泥岩的界定 对于类似昔格达组这样工程性质的地层，在其上进行载荷试验以确定其承 载力时，是把它们视为软质岩石，还是视为土? 探讨这个问题是很有现实意义 的。在我国现行岩体分级标准和岩土工程勘察规范中，将饱和单轴抗压强度小 于3 0m p a 作为软质岩，并将小于5m p a 作为极软岩，但并没有给出其下限。工 程地质手册在粘性土软硬程度的工程分类中，将无侧限抗压强度 o 2 4m p a 的土划为很硬的土，同样没有给出硬土的上限。这可能不是标准制定者的疏漏， 在国外的有关标准中也存在类似的问题，如国际岩石力学学会( i s r m ) 对极强 至极软的岩石和极硬一硬至极软的粘性土都有清楚、定量的定义，其中，极软 岩石的单轴抗压强度1 2 5m p a ，极硬粘性土的单轴抗压强度 0 3m p a ，但是 对于极软岩石和极硬粘性土之间的界限并没有给出。当前岩石和土的分级一个 无下限，一个无上限，这充分说明这种岩土体性质比一般土和岩石都复杂，目 前对其认识尚不成熟。如昔格达组的饱和单轴抗压强度介于0 3 0 5m p a ，若 按岩石分级可定为极软岩，若按土的软硬程度分级就可以定为极硬土，而按不 同的分类结果。所采用的计算模式及计算结果将有很大的差异。 黄宇心。1 在研究南宁盆地泥岩承载力时，依据建筑地基基础设计规范 ( g b j 7 8 9 ) ，先按岩基载荷试验确定泥岩的承载力，在试验获得极限荷载后， 取安全系数3 作为承载力，这样获得的泥岩承载力较低。然后把泥岩视为土， 按规范可取安全系数为2 ，这样确定的泥岩承载力增大1 5 倍。并认为该地区 泥岩层的载荷试验获得的极限承载力，可除以安全系数2 为其承载力，但不进 行深宽修正。 中国科学院地质研究所的张永双”1 等人提出，以往把第四纪以前的沉积物 都称为“岩石”的观念应当予以纠正，实际上在硬土和软岩之间存在着渐变和 模糊区域，并借鉴j o h n s t o n 、v a u g h a n 等于1 9 9 3 年提出的“将土和岩石看成连 续变化的地质材料，土和岩石之间通过其结构和性状相联系”的观点认为应对 整个岩土体系列进行工程分级如下：软土、一般土、硬土、硬土一软岩、软岩、 硬岩：同时将硬土一软岩界定为单轴( 无侧限) 抗压强度为0 3 1 5m p a 的强 固结或微成岩的粘土质地质体，它一般是正在向岩石转化的泥质沉积物( 形成 时代一般为q ，- - n - ) ，其中既可以有构造作用形成的地质不连续面，也可以是泥 耍查塞望查兰堡主竺星生堂垡鲨塞 蔓! 要 质岩弱风化的产物或结晶岩风化壳中的强风化带；并归纳出硬土一软岩具有以 下特点：蒙脱石含量高，物理化学活性强，含水量高，具有显著的干燥收缩 和吸水膨胀特性；在天然状态( 而不是干燥状态) 可以用切土刀制备土工试 验的原状样品，在现场用铲镐可开挖；单轴或无侧限抗压强度一般在0 3 1 5m p a ；密度一般在1 。9 5 2 。i 0k g c m 2 ；具有超固结性和裂隙性。从而 认为昔格达层即属于硬土一软岩的范畴，并将其细分为泥质沉积亚型。 李小泉”1 在对栗子坪水电站厂基昔格达层的矿化成分、微观结构、物理性 质进行分析和评价其力学特性时，按土工试验的方法来确定其物理力学指标， 从而认为该处的昔格达组为超固结、半岩质土。 以上是对昔格达组泥岩界定的讨论，均有一定的合理性。 1 4 2 软岩中嵌岩桩的研究现状 一般的嵌岩灌注桩因其承载力巨大，很难进行原型的破坏试验，因而完整 的试桩资料和实测数据并不多，人们对其受力机理和工作特性尚缺乏全面的认 识。同样，目前对在各种施工条件下形成的软岩嵌岩灌注桩的受力、变形和破 坏机理了解得也还不太透彻，系统的试验研究还不够多。 目前有关软岩中嵌岩桩研究的一些观点和结论如下： ( 1 ) 在建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 的条文说明中指出：“本条所述 嵌岩桩系指桩端嵌入中等风化岩，或微风化岩桩端岩体能取样进行单轴抗压强 度试验的情况。对于桩端置于强风化岩中的嵌岩桩，这类强风化嵌岩段极限承 载力参数标准值可根据岩体的风化程度按砂土、碎石类土取值。”即在承载力计 算时将嵌岩桩的定义理解为嵌入微风化岩或中风化岩中的桩为嵌岩桩；但刘树 亚”1 以及刘兴远0 3 等人认为，只要桩端嵌入到岩体中，不管是硬岩还是软岩，不 管是中风化还是强风化，就应该称其为嵌岩桩，若在此基础上再迸步讨论嵌 岩桩的特性，许多问题均会达成共识： ( 2 ) 嵌岩桩唯有在桩短而粗且嵌岩不深、桩底沉渣已被清除或者覆盖土层 较厚而性质差时，才可能较多地发挥端阻作用而成为端承桩或摩擦桩；否则嵌 岩桩一般表现为摩擦型桩的性状。 ( 3 ) 现行规范规定桩端进入软质岩的桩，按一般桩来计算桩端进入持力层 的深度，即为桩身直径的1 3 倍；但已有的研究表明，嵌岩桩最佳嵌固深度是 随着嵌岩桩所嵌岩体特性的不同而不同，不可一概而论，对于软岩或极软岩嵌 岩桩的嵌岩深度应远大于3 倍桩径，如黄绍坚“”等人提出：软岩强度较低时， 其最大嵌岩深度为l o d , 强度较高时，最大嵌岩深度可降至8 ，当强度与硬岩 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 相当时，最大嵌岩深度即为5 吐而刘松玉m 等则认为泥质软岩地区嵌岩桩的嵌 岩深度可适当加深至7 d , ( 4 ) 在嵌岩桩承载力的分析上，在国内外，嵌岩桩的桩端阻力均是通过岩 石的单轴抗压强度换算而得到的，其中也考虑了嵌岩深径比h , d 的影响，但这 歪曲了桩端岩体受围压的应力状态，得到的结果与实测值往往存在着较大的误 差；在桩侧摩阻力的计算上，国外大都采用指数形式建立桩侧阻力与桩周岩石 强度的经验关系，在国内的规范中由嵌岩深径比h , d 和岩石单轴抗压强度确定。 唐胜传、黄润秋等人“2 1 提出：在软岩地区即使在h # d 1 5 时，单桩端阻力还是 可以部分发挥作用。嵌岩段的侧阻力与端阻力不能同时达到峰值强度，两者的 峰值强度之间存在一“落差”。因此，在计算嵌岩段所能提供的承载力时，必须 将嵌岩段的侧阻力和端阻力作为一个整体来考虑，即必须考虑两者之间的相互 协调，从而引入部分变形理论的思想，即岩土体所能提供的承载能力与其变形 密切相关，其极限承载能力只有在变形达到一定的程度时才能发挥，且超过这 一数值时，其承载能力又会下降。刘兴远等人嘲则提出，鉴于我国各地区实际 地质条件的差异，有必要研究不同地区的嵌岩桩承载力计算公式。 1 4 3 后注浆技术在灌注桩中的应用 大直径钻孔灌注桩由于承载力高、施工简单、适应性强和造价经济等优点， 在工程实践中用得越来越多。但大直径钻孔灌注桩由于是在地下开孔灌注成桩， 故桩身质量不稳定，混凝土强度较难保证，容易出现断桩、缩颈、露筋和夹泥 的现象：桩侧阻力与桩端阻力的发挥受施工工艺影响，桩身直径变化较大，桩 体与桩周岩土体之间存在软弱夹层，孔底沉渣不易清除干净。为了解决这些问 题，科研工作者和工程技术人员提出了不少旨在提高钻孔灌注桩承载力的技术 措施，后注浆技术就是其中被实践证明是行之有效的方法。 灌注桩后注浆是土体加固技术与桩工技术的有机结合，通过压浆一是可固 化桩底沉渣和桩侧泥皮、二是加固桩底和桩侧一定范围的土体，从而大幅度提 高桩侧阻力和桩端阻力。该技术最早运用于1 9 5 8 年委内瑞拉的马拉开波桥梁基 础工程中，国内在上世纪8 0 年代开始这方面的试验和工程实践。目前国内现有 技术分两类，一类是我校岩土所开发的桩底设置胶囊，通过内导管向囊中注入 水泥浆形成扩头，并挤压加密周围土体；桩侧注浆系由预设于钢筋笼的袖阀式 钢管冲破砼保护层实施注浆。另一类是由中国建筑科学研究院地基所开发的预 置管式单向阀与内导管组成的后注浆装置。最近十年来，随着桩基工程技术的 迅速发展特别是桩端压力注浆技术显示了强劲的发展势头，应用范围不断扩大。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 适用的桩底土层包括各类粘土、粉土、砾卵石、砂土j 风化岩、石灰岩沉积层 等。但有关灌浆工艺及对各种土层的适应性、灌浆的内在机理、钻孔桩桩底灌 浆后的承载机理研究尚需进行深入的研究。 1 5 本文的选题背景及研究内容 1 5 1 本文的选题背景 在西昌攀枝花高速公路全长1 6 0 余公里的地段中，有9 0 公里路段经过厚 度较大的第四系一冰期昔格达组泥岩。此路段桥梁结构众多，初步统计有2 0 0 余座，桥梁基础基本采用钻( 冲) 孔灌注桩，依据地勘提供的有关设计参数进 行桩基设计，许多基桩的长度达8 0 米，引起下部结构工程费用高、施工难度大。 现行各规范对极软岩中的桩基未有明确完整的计算方法，也未发现此方面 的专门研究文献。为了保证桥梁的安全和基础设计的科学合理性；为降低工程 造价：也为类似地层中桩基础的设计与施工提供依据和积累资料，在适宜的工 点设置原型试验桩以研究设置于该种地层中的钻( 冲) 孔灌注桩的承载特性和 压力灌浆技术在该工程中的应用效果。本论文选题结合我校岩土所参与的，由 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院主持的省级科研项目“西攀高速公路昔 格达组泥岩层中钻孔桩提高承载力的研究”，紧紧围绕桩基础的设计施工实际问 题的需要进行的，直接为生产建设服务。 1 5 2 本论文立题意义和研究内容 随着国家工程建设的发展，嵌岩钻孔灌注桩以其单桩承载力高、沉降小的 独特优势被广泛地应用。由于地质条件、施工条件等的差异，不同地区桩基础 的承载性状有其自身的规律，研究区域性桩基承载性状已成为当前岩土工作者 面临的课题之一。特别是泥岩地基中的桩基设计参数还相当缺乏，研究泥岩地 基中桩的承载性状，不仅是桩基础理论自身发展的需要，更是岩土工程界的迫 切要求，尤其是研究西部地区泥岩地基中桩的承载性状，对西部开发具有重大 的现实意义。 本论文选题目的在于：通过桩身内埋设量测元件的八根试桩的竖向承载力 的现场试验资料，分析人工挖孔、冲孔灌注桩在昔格达组泥岩层中的竖向承载 性状、桩侧和桩端阻力的变化规律及其影响因素，并探索和研究灌注桩后注浆 技术在该岩层中的应用效果。为今后在该地层中合理选用桩型以及指导施工提 供依据。 本论文的研究方法是先对国内外在软岩嵌岩桩以及灌注桩后注浆技术的研 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 究成果进行总结，结合昔格达组泥岩本身固有的特点，进而分析软岩嵌岩灌注 桩的轴向承载特性及压力注浆效果。拟采取现场试验、室内土工试验和理论分 析相结合的技术路线。现场试验和室内试验的目的是获取第一手资料，这是整 个研究工作的基础，而理论分析则是在现有资料的前提下对其进行整理、归纳、 分析，从中提出规律性的东西。将它们结合起来有利于开拓研究的深度和广度， 是比较理想的做法。 本论文的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据试验资料分析各试验桩特别是常规冲孔灌注桩的轴向力、侧摩阻 和桩端阻力的分布和发挥规律； ( 2 ) 在现场试验的基础上探讨泥质软岩中冲孔灌注嵌岩桩的侧摩阻和端阻 的计算方法，提出相应的计算公式； ( 3 ) 对压力灌浆法用于该种地层中的桩基工程的可行性及效果做出评价。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l l 页 第2 章昔格达泥岩中桩的现场原位试验 2 1 试验场地与工程地质概况 2 1 1 试验场地 依据西攀高速公路全线钻探揭露的地质情况，结合交通运输条件、施工场 地布置和水电等条件，经研究，试验场地选在k 6 0 公里附近跨越安宁河的蒲坝 桥位( 德昌县金沙乡蒲坝村境内) ，场地紧靠老1 0 8 国道，与其平行，交通极为 便利。试验区域的覆盖层较薄，地质钻探资料齐全完整。试验场地的地理位置 见图2 1 。 图2 - 1 试验场地平面位置图 2 1 2 场地处的工程地质概况 1 地形地貌试验场地所在区域属构造剥蚀中山地貌，山间河谷盆地呈条 带状于山前连续分布。安宁河两侧冲洪积扇、冰水堆积扇很发育，其下卧多为 软弱的薄中厚层状砂、泥质半成岩岩组。 2 地层岩性试验场地位于西攀线z k 6 0 + 9 5 m 处。根据提供的地质报告， 场地处的地质概况可描述如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 1 ) 第四系全新统堆积层( q 雀5 ) 粉土质砂：黄灰色，成分以石英颗粒为主，松散、潮湿，透水性强。钻孔 揭露厚度为0 5 0m 左右。 ( 2 ) 第四系全新统冲积、泥石流堆积层( q 霉”“1 ) 分布于安宁河左岸和右岸的河床上。 卵石夹( 质) 土：黄灰色，石质成份以花岗岩、石英岩等硬质岩类为主， 次圆圆状，最大粒经约1 5 2 o m ，一般粒径组成：巾 2 0 0 r a m 约1 0 2 0 ， 中2 0 0 6 0 m m 约1 0 4 0 ，中6 0 2 0 m m 约1 5 2 5 ，中2 0 2 m m 约5 1 0 ， 余为砂、粉粒，结构不均，5 m 以下漂石相对集中。中密，潮湿饱和，透水性 较强。 漂石、漂石夹土：褐灰色，石质成分以花岗岩、石英砂岩为主，次棱角 次圆状。最大粒经约5 o m ，粒级组成为：巾 2 0 0 m m 约5 0 6 0 ，2 0 0 l o o m m 约1 0 2 0 ，1 0 0 6 0 m m 约5 1 5 ，6 0 2 m m 约5 1 5 ，余为砂及粉粒充填。 结构不均，局部卵、砾石富集。松散中密，饱和，透水性较强。主要分布于 河床和主槽上。 ( 3 ) 第四系昔格达组( n q x ) 下卧于试验场地处的覆盖层以下。 泥质粉砂岩夹泥岩：褐灰色，矿物成分以石英、长石和粘土类矿物为主。 泥粉质结构，泥质胶结，胶结极差，软硬不均，薄厚层状构造，层理近水 平发育，面间结合极差。结构不均，局部泥质、粉质富集。具遇水泥化、软化 特征。对于泥岩，被当地居民用做制瓦的原料，并称之为“堰瓦泥”，而泥质粉 砂岩被称之为“羊毛砂”。全层以泥质粉砂岩为主，泥岩呈透镜体分布于泥质粉 砂岩中，最大泥岩夹层厚约4 5 m ，一般分布于孔深4 0 5 0 m 间。钻孔对此层 在8 0 3 7 m 范围内没能揭穿。 。2 2 试验设计 2 2 1 试桩设计 本次试验共设置8 根试验桩，布置在同一场地中。在8 根试验桩中，2 根 为常规冲孔灌注桩( 不进行灌浆处理) ，2 根为人工挖孔桩，2 根为桩端压力灌 浆桩，2 根为桩端桩侧均进行压力灌浆的桩，用压力灌浆处理的桩均用冲孔灌 注工艺旌工。 试桩的编号及平面布置见图2 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 为进行对比，6 根冲孔灌注桩采用相同的直径和桩长，经分析该场地的地 质资料后，决定桩的设计入土深度为2 2 m ，桩径为0 8 m 。在桩端灌浆桩的桩身 中设置两根灌浆管，灌浆管的下端与压力灌浆腔连接：在侧壁灌浆桩的桩身中 设置4 根灌浆管，灌浆管的下端位于桩身中的不同高度处。 2 根人工挖孔桩的桩径取为1 2 m ，桩长取为2 0 m 。 8 根试桩桩身混凝土均采用c 3 0 ，纵向受力主筋均采用i i 级螺纹钢筋。 试桩的设计结果汇总列于表2 1 中。 表2 - 1 试桩设计的基本情况 设计桩长设计桩径 试桩编号成孔方式灌浆方式备注 ( m )( m ) 1人工挖孔不灌浆2 0 01 2 2人工挖孔不灌浆2 0 o1 2 3冲击成孔不灌浆2 2 o0 8 4冲击成孔不灌浆2 2 00 8 5冲击成孔桩底灌浆2 2 o0 8桩底设钢板 6冲击成孔桩底灌浆2 2 o0 8桩底设橡胶囊 7冲击成孔桩底、桩侧均灌浆2 2 o0 8桩底设钢板 8冲击成孔桩底、桩侧均灌浆2 2 o0 8桩底设橡胶囊 为消除覆盖层的影响以突出对于昔格达岩层的研究，各桩浇注砼时均在覆 盖层区段内设置了铁皮隔离。 为了研究桩的轴力及桩侧摩阻力沿桩身的分布规律，在所有试桩中均设置 钢筋计( 应力测试元件) 。钢筋计在每根桩中设置2 0 个，分设在1 0 个截面上， 每截面对称布置2 个。钢筋计和纵向主钢筋以帮条焊的形式连接。 桩端灌浆桩的管路设计见图2 - 3 。 桩端和桩侧同时灌浆桩的管路设计见图2 4 。 钢筋计的设计位置见图2 - 5 。 亘妻奎堕盔堂塑主堡塞竺兰堡笙塞篁! ! 要 图2 - 2 试桩平面布置图( 单位：咖) 桩帽 1 地一 li j l 黝 骞f 筋笼 _ _ _ _ _ _ _ _ l _ 桩底灌装腔 图2 - 3 桩端灌浆桩的管路设计( 单位：m m ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 8 n | n r i 桩悄灌蒙 柱帽i 洲 一l l 黝j | i l l 8 l 桂铷灌浆管4 一 一8 l 钢筋笼 量 n o 柱侧灌浆管2 垂鍪空膣 图2 4 桩端和桩侧同时灌浆桩的管路设计( 单位：r a m ) 图2 - 5 钢筋计的设计位置( 单位：r a m ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 2 2 2 加载系统 加载系统最初按最大加载量1 0 0 0 0k n 进行设计，后根据试验情况将最大加 载量调整至1 4 0 0 0k n 。 加载系统由反力主梁、反力次梁和千斤顶( 组) 组成。反力主梁和次梁采 用西南交大拥有的钢制箱形梁( 单根主梁可承受荷载1 0 0 0 0k n ，单根次梁可承 受荷载5 0 0 0k n ) ：千斤顶组采用两个( 后改用3 个) 5 0 0 吨级的千斤顶并联以 使其同步出力，用油泵进行加载，以油压表测读压力。加载系统的布置详见图 2 - 6 ，修改后的加载系统详见图2 7 。 加载系统的反力由锚桩提供。整个试桩工程设置1 5 根锚桩，每根试桩由4 根抗拔锚桩提供反力。每根锚桩长2 0 m ，设计桩径1 2 m ，底部2 米范围设置扩 大头，采用人工挖孔成孔。锚桩内设置2 束9 巾j 1 5 2 4 钢铰线作竖向预应力， 桩底为预应力束锚固端，上端通过专用锚具固定在放置在次梁上的工字钢梁上 ( 详见图2 - 6 和图2 7 ) 。夹片采用三片式的工具夹片，以利重复使用。钢铰线 外套波纹管内不压浆，使锚桩的抗拔力由底部向上传递。 譬挂竖向曩应方束 彳羞灶虐 x 轧。 攻粟 i 俨m l 偿 l 掣 g f 。 l一 嗽 钆 芦 ： ! 墨量蝗 。 5 号试桩 、 r 鬲lf万 l 划 l纠 4 1 0 04 1 0 0 ! ! 量垫 2 号试拄 勰雨虱 譬弋 皇 羽 划 。蔓芦 ，试桂 氩 试柱加藏系统平面布置周 主震 丝垡垄 图2 - 6 加载系统布置图( 单位：m m ) 一尊 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 咎。p 严廛 丛蕲 ”h c、l 撇1 1 1 1 、 o 1 | | | | 榉l 趟 面 1 亡业。【。 l 盟鲤卫卫一 试蛀加戴未轭立面布i 田b - b 图2 7 加载系统布置图( 修改设计) ( 单位：m m ) 图2 - 8 现场的加载及测试系统( 照片) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 2 2 3 测试系统 静载试验时用百分表( 读数精度为1 j 6 舢) 量测试桩在荷载作用下的桩顶位 移，在桩帽下缘对称的位置上安装4 只百分表位移传感器，同时用百分表监控 锚桩顶的上拔位移。百分表用磁性表座固定在基准梁上，基准梁根据现场情况 架设，实际布置情况如图2 8 所示。钢筋计的应变用p z ) ( - 一l 型振弦频率检测 仪采集。 表2 - 2 试桩施工情况一览表 入岩深 试桩威孔 地面标高桩底标高桩入土深度基岩面标覆盖层厚度实际桩 度砼灌注方 h lh 3 h = ( h 1 - h 3 ) 鑫h 2 h = f 1 4 1 - m ) 径 犏号方式 ( m - h ) 量( m 3 ) ( m )( m )( m )( m )( m )( m ) ( m 人工 i1 2 1 6 7 6 6i1 9 5 8 6 62 0 9 0 01 2 1 3 7 6 630 0 01 7 9 0 0i 2 5 挖孔 人工 21 2 1 6 8 2 21 1 9 5 8 7 22 0 9 5 01 2 1 2 4 2 643 9 61 6 5 5 42 9 71 2 5 挖孔 冲击 31 2 1 6 8 3 61 1 9 6 0 2 02 0 8 1 61 2 1 2 0 0 04 8 3 61 5 9 8 01 3 40 9 0 成孔 冲击 4l 2 1 69 2 i1 1 9 45 2 12 2 3 0 01 2 1 2 2 0 04 6 2 11 7 6 7 91 5 8 4 0 9 0 成孔 冲击 51 2 1 7 0 7 61 1 9 5 7 6 02 1 3 1 61 2 1 2 4 0 04 6 7 61 6 6 4 01 5 4 0 9 0 成孔 冲击 61 2 1 7 3 4 3l j 9 6 0 2 32 1 3 2 01 2 i l l 8 2 35 5 2 01 5 8 0 0i 矗9 3 0 9 0 成孔 冲击1 3 8 6 0 3 71 2 1 75 6 41 1 9 6 0 3 42 1 5 3 01 2 1 2 2 4 2 5 3 2 21 6 2 0 80 9 0 成孔= t 3 5 6 冲击 31 2 1 7 3 1 81 1 9 5 ，9 5 82 l3 6 01 2 1 2 1 4 55 1 7 31 6 ，l 嚣71 6 5 0 9 0 成孔 2 3 试桩施工 除l 娇口2 # 试桩为入工挖孔外，其余试桩均为冲击钻成孔。除2 # 试桩外， 各试桩均在穿越覆盖层区域设置了铁皮隔离，其目的是减小覆盖层对试桩的摩 阻力。铁皮在钢筋笼成形后包裹在钢筋笼的外侧。 施工情况表明，由于场地处的覆盖层中存在大量的大直径漂石，人力挖掘 时需借助于爆破，而在蕾格达岩层内又需借