（岩土工程专业论文）昔格达岩层中灌注桩的嵌固效应研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 一 一筻呸 摘要 昔格达地层的分布局限于西南一隅，该岩层具有遇水泥化、软 化和脱水开裂等特征，属极软岩类。对该岩层及以该岩层为持力层 的灌注桩承载特性的研究资料极少，现行各规范对极软岩中的桩基 也没有明确完整的计算方法。所以对昔格达岩层中灌注桩嵌固效应 的研究是具有实际意义的。 本论文主要根据西部交通科研项目。昔格达地层公路修建技术 研究一的子课题：“昔格达地层桩基承载性能试验研究一，并结合省 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”，对昔格达岩层桩基适宜的嵌岩深度进行了比较系统的研究。 通过对新九和蒲坝现场试桩的单桩轴向静载荷试验资料的总结分 析，明确了各试桩的承载性状及极限承载力，选择本构模型，对现 场试验中不同嵌岩深度灌注桩运用有限元程序模拟计算，计算结果 与实测结果对比分析确定模型参数，再模拟研究较深灌注桩的受力 承载性状，得出昔格达岩层中单桩的嵌岩深度对竖向承载力的影响 规律，分析中充分考虑实际工程中各种因素对灌注桩的影响，以确 保模拟计算接近工程实际。最后总结提出昔格达岩层中单桩合理的 嵌岩深度。 由于现场试桩的最大嵌岩深度仍不足2 0 m ，本文对较大嵌岩深度 单桩的受力状况进行分析研究，确定此时单桩的承载性状，为西攀 高速公路沿线昔格达地层中桩基工程设计、施工提供科学的参考资 料。 关键词：昔格达岩层；嵌固效应；嵌岩深度；有限元 a b s tr a c t x i g e d a r o c ki sd i s t r i b u t e di nt h es o u t h w e s tr e g i o no fc h i n a i t b e l o n g st oe x t r e m es o f t - r o c kw i t hs p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，f o re x a m p l e ， i tc a nb em a s h e da n ds o f t e n e db yw a t e ra n dw i l lr u p t u r ew h e nb e i n g d e h y d r a t e d t h er e s e a r c hd a t aa b o u tt h i sr o c ka n dc a s t - i n p l a c ep i l ei n t h i sr o c ki s b a d l y s c a r c e t h ec l e a ra n d c o m p l e t ec o m p u t a t i o n a l m e t h o d si nc u r r e n tc r i t e r i o n sh a v en o t y e tb e e nf o u n d s o i ti s s i g n i f i c a n t t o s t u d ye m b e d d i n g e f f e c to f c a s t i n p l a c ep i l e i n x i g e d a - r o c k b a s e dm a i n l yo nt h es u b j e c t t e s t i n gs t u d yo nb e a r i n gp r o p e r t i e s o fp i l ef o u n d a t i o ni nx i g e d a r o c k u n d e rt h ew e s t e r nt r a f f i cs c i e n t i f i c r e s e a r c hp r o j e c t r e s e a r c ho n h i g h w a yc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s i n x i g e d a - r o c k ”，a n d a s s o c i a t e dw i t h p r o v i n c i a l s c i e n t i f i cr e s e a r c h p r o j e c t t e s t i n gs t u d y o n b 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 e i n x i c h a n g - p a n z h i h u ae x p r e s s w a y ”，t h i sp a p e r c o n d u c t s c o m p a r a t i v e l ys y s t e m a t i c r e s e a r c hf o rt h e a p p r o p r i a t e r o c k s o c k e t e dl e n g t ho fs i n g l ep i l ei nx i g e d a r o c k i na c c o r d a n c ew i t h t h ea n a l y s i so ft h ev e r t i c a ls t a t i cl o a dt e s t i n gm a t e r i a l so fs i n g l ep i l ei n x i n j i ua n dp u b ar e g i o n s ，t h ea u t h o rc o m p r e h e n d e dt h ep i l eb e a r i n g b e h a v i o ra n du l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t y u s i n g o ff i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n p r o c e d u r e s ，t h e a u t h o rs e l e c t sac o n s t i t u t i v em o d e lt o c a l c u l a t e c a s t i n p l a c ep i l e o f d i f f e r e n t d e p t h ，a n da n a l y s e s t h e c a l c u l a t i o n sc o m p a r i n gt ot h e t e s t i n gr e s u l t s t o i d e n t i f y t h em o d e l p a r a m e t e r s ，a n dt h e ns i m u l a t e st h ed e e p e rc a s t i n p l a c ep i l e si nb e a r i n g b e h a v i o r f i n a l l y ，t h ea u t h o rw o r k so u tt h el a wt h a tt h er o c k s o c k e t e d l e n g t h a f f e c t st h e v e r t i c a l b e a r i n gc a p a c i t y o f s i n g l ep i l e i n x i g e d a r o c k ，a n dc o m e su pw i t ht h es u mo far e a s o n a b l er o c k - s o c k e t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i i 页 l e n g t h f u l l yc o n s i d e r i n go fv a r i o u sf a c t o r sa b o u tc a s t i n - p l a c ep i l e si n e n g i n e e r i n g ，t h ea u t h o re n s u r e st h a tt h er e s u l t so fc a l c u l a t i o nc l o s et o t h ea c t u a lr e s u l t s i no r d e rt op r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f p i l ef o u n d a t i o nw o r ki nx i g e d a r o c k ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h es t r e s so f t h ed e e p e rr o c k - s o c k e t e dp i l et od e t e r m i n es i n g l ep i l eb e a r i n gb e h a v i o r ， b e c a u s et h em o s td e p t ho fc a s t i n p l a c ep i l ei sl e s st h a n2 0 m k e yw o r d s ：x i g e d a - r o c k ；e m b e d d i n ge f f e c t ：r o c k - s o c k e t e dl e n g t h ： f i n i t ee l e m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密叭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：训7 之 弩2 兰坍 言茎老芝筹：男厅 嗍7 z _ 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 揭示区域性极软类岩昔格达岩层中桩的嵌岩深度对竖向承 载力的影响规律； ( 2 ) 综合考虑有限元分析结果与实测数据，分析研究单桩受力性 状，并分析较大嵌岩深度单桩的承载性状： ( 3 ) 总结提出了昔格达岩层中轴向受力单桩合理的嵌岩深度。 咿：罕些明 山。7 、 西南交通大学硕士研究生掌僮诠文 一一一第1 页 第1 章绪论 1 1 本文的选题背景 西昌攀枝花高速公路地形复杂、地质条件差，沿线约有9 0 k m 路段 的地层均存在着厚度较大的第三、四系冰期昔格达组岩层( n q 。) ， 该岩层为半成岩状，灰黑色，裂隙较发育，遇水易软化，具有弱膨 胀性，强度极低，在岩土的工程分类中属极软岩。昔格达组岩层的 厚度大( 钻探未揭穿) ，难于采用穿越该层的桩基技术方案。而昔格 达岩层工程特性的研究资料极少，认识也相对肤浅。 昔格达岩层路段桥梁众多，其基础主要采用钻( 冲) 孔灌注桩。 为研究解决昔格达地层中修建高等级公路的关键技术问题，四川省 交通厅公路规划勘察设计研究院联合四川攀西高速公路开发股份有 限公司、西南交通大学、成都理工大学和四川大学等单位组成课题 组，以西攀高速公路工程为依托，对昔格达地层区域的公路填料、 坡体稳定性和加固技术、桥梁桩基承载性能、抗滑桩的工作机理、 土工格栅与昔格达路堤填料的相互作用关系等基础性问题进行系统 研究，研究课题“昔格达地层公路修建技术研究”被批准为交通部 西部交通建设科技项目。本论文主要根据我校岩土所参与的子课题： “昔格达地层桩基承载性能试验研究 ，并结合省级科研项目。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 ，紧紧围绕桩 基础的设计、施工等实际问题的需要进行分析研究，成果可推广应 用于四川地区类似地层条件下工程桩的设计和施工。 据文献检索，有关昔格达岩层中灌注桩承载特性的研究资料极 少。曾在攀枝花进行过1 根灌注桩的内力测试，但未给出昔格达岩 层桩侧极限摩阻力及桩端容许承载力。由于昔格达地层的分布范围 较大，不同地方的岩层性质不尽相同，因此有必要对该地层的承载 特性作进一步的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 昔格达组地层的简介及研究现状 昔格达组原名“混旦层一，1 9 5 8 年，根据昔格达村实际出露地点 的研究而统称“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、雅碧江河谷覆盖在第三系 之上的一套河湖相地层。 昔格达组一般产状平缓，陡倾节理发育，砂岩和泥岩形成相对 渗水和隔水的互层，且常有潜水和微量的裂隙水。昔格达组地层， 按岩性可分为粘土岩、砂岩，也有人把它细分为泥岩、泥质粉砂岩及细砂 岩等。其粘土岩较致密，砂岩较疏松。粘土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。泥岩具有微细层理，浸水后容易崩解成 鳞片状；砂岩半胶结状，胶结矿物为泥质或钙质。工程性质不利的 有机质和可溶盐含量均大大低于设计规范所要求的允许值2 和8 ， p h 值小于7 ，表明该土层系在酸性环境下生成的。昔格达组膨胀、 收缩均较小，各项指标均未达到膨胀岩土标准，不属于膨胀土。 就岩性、岩体的物理力学性质、承载力而言，对于一般性的民 用建筑，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作实践所证实。但是，昔格达组地层同时具有 不可忽视的不良地质因素，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 昔格达地层虽然经受了一定的成岩作用，但比起第三系和第 三系以前的成岩程度有天壤之别，因此强度较低。尤其是在水的作 用下，承载性能和抗剪强度都会大幅度降低； ( 2 ) 由于在西攀地区新构造运动强烈，岩体中常存在断裂和构造 裂隙为主的破裂结构面。这显然是在工民建、道路与桥梁、水利工 程等的建设中须非常注意的不良结构面之一； ( 3 ) 由于昔格达组为砂( 粉砂) 、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岩层与上覆松散堆积层的接触界面和下伏地 西南交通大学硕士研究生学位论文一j 亟 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 ) 昔格达岩层中页岩、泥岩具有微细的层理，在风干后，特别 是反复浸水，极易崩解。 如果将昔格达作为桩基的主要受力层，则可能出现下述问题： ( 1 ) 由于该岩层遇水易软化，而钻孔过程中不可避免地要使用泥 浆，这会削弱岩层提供的桩侧摩阻力和桩的端阻力； ( 2 ) 钻具钻进过程中对该岩层的扰动也会降低岩层的阻抗，而这 种影响难以预先估计； ( 3 ) 成桩以后，桩侧受扰动的土体和泥浆形成的泥皮会逐步析水 固结，桩身混凝土也会产生收缩，这两种因素的综合作用会在桩岩 之间形成细小的裂缝，地下水可能沿裂缝向下渗透，使得桩侧和桩 端的岩层界面软化； ( 4 ) 上述几方面的不利因素不但会降低桩的承载力，而且会对桩 基础的沉降( 包括施工期间的沉降和工后沉降) 产生不利影响； ( 5 ) 由于岩层承载力低，研究资料少，根据地勘单位提交的参数 估算，一般桩长在5 0 m 左右，下部结构工程量大、造价高。 因此，当选择昔格达地层为重要建筑物基础的持力层时，应充 分考虑该地层的特殊性质，尤其是在水的作用下，易滑、易于崩解、 强度会大幅度降低等重要属性【 。 1 3 软岩中灌注桩的研究现状 灌注桩是用钻、冲、挖、挤的方法成孔，然后在其中灌注混凝 土而形成的桩。灌注桩由于桩长和桩径可以灵活选择、施工不受季 节限制、施工时很少或没有公害、钢筋用量较少、能广泛应用于各 种土层并提供巨大的单桩承载力等优点，近几十年来在桩基础中得 到了广泛的应用。但灌注桩也会存在一些质量问题，如容易造成桩 底沉渣、夹泥断桩、缩径露筋等，而且灌注桩在成孔中对桩周土产 生的扰动和应力释放又进一步的降低了桩周土的阻抗。极软岩一般 具有遇水易软化、力学强度低、变形模量小、扰动后结构易损坏等 西南交通大学硕士研究生掌位论虹一一筮垒亟 特点，因此，在极软岩中修建灌注桩应注意基岩的特点，尽量减少 成孔对极软岩的影响。 软岩中的嵌岩桩是近些年来研究的热点。很多学者在通过对现 场测试数据的统计分析基础上，提出了不同地质区域岩层应有各自 适宜嵌岩深度的结论。 1 3 1 国内外对软岩中灌注桩的研究 1 灌注桩的荷载传递机理研究 灌注桩的荷载传递包括对于轴向荷载的传递和对横向荷载的传 递。目前一般认为这两者都与桩的位移情况有关，故而软岩对桩产 生的阻抗作用( 包括横向抗力和轴向抗力) 均可以表示为桩身截面 位移的函数。 对于桩端阻力、桩侧阻力与桩顶位移s 的关系，大家分歧比较 大。部分学者认为，桩必须要求桩顶位移达1 5 r a m 后才能较明显地 发挥端阻力；而桩侧摩阻力发挥所需位移较小，在l o m m 以内。分 歧的原因主要是软岩具有结构上的不连续性和地域分布上的差异 性，造成各自试验结果的离散。另外，施工工艺、施工质量、上覆 土层条件差异、荷载水平等一系列人为和自然因素都可能造成试验 结果的不一致。因此，关于这一问题，应该以地区经验为主。 2 灌注桩极限承载力确定方法研究 目前，确定灌注桩极限承载力的方法主要包括静力法、动力法和 现场荷载试验三种。其中静力法又包括经验法、静力触探、总应力 法和有效应力法。在实际应用当中，还是以经验为主。国内外桩基 设计规范、法规关于单桩承载力的计算，均是在总结工程经验的基 础上确定的。有些学者对地区性软岩建立起适合该地区的承载力计 算公式。 另外，也有学者用各种数值计算方法计算灌注桩的极限承载力 的。但由于桩土接触面受力复杂，桩周土参数沿深度变化，因此计 算出来的结果还需要受到实践的检验。 西南交通大学硕士研究生学位论文 一第j 亟 3 提高灌注桩承载力的研究 灌注桩从诞生到现在，无论是设计方法还是施工工艺都发生了 深刻的变化。但灌注桩单方材料所能提供的承载力太低，因而经济 效率低下的问题始终困扰着工程界。为了满足工程的需要，人们往 往不得不进一步加大桩长和桩径，但这又要大量的资金投入为代价。 为了解决这种情况，近几十年来研究者做了大量工作，提出了多种 解决方法，归纳起来有如下几个方面： ( 1 ) 改进传统工艺，引用新的施工工艺，提高施工水平，加强施 工管理。为了消除泥浆护壁造成孔壁形成软弱夹层，可以采用套管 跟进成孔作业法。在某些可能的工程地质条件下，用清水钻进等。 为了克服桩底沉渣的影响，尽可能使用反循环钻进成孔，加强清底 措施等； ( 2 ) 发展新的桩型，增加桩的有效支撑面积，改善桩底支撑条件。 采用桩底夯扩法、爆扩桩、多节竹节桩等来对桩底进行扩底、扩径， 增加桩的有效支撑面积；采用钻孔压浆成桩法、钻孔插桩压浆固结 法等来改善桩一土界面条件等； ( 3 ) 引进、开发新技术和新工艺对桩周土层进行加固处理，提高 桩端、桩侧土层的强度，改进桩的承载特性。如孔底注浆拌合、桩 端压力灌浆技术、桩侧压力灌浆技术等。 桩端压力灌浆技术、桩侧压力灌浆技术由于可以消除灌注桩桩 侧泥浆软弱夹层和桩底沉渣，使桩端承载力提前发挥，并能大幅度 地提高桩的总承载力，故近些年来得到了广泛的应用。同时，该技 术对各种地层均有较好的适应性，而且施工设备、施工工艺简单， 经济和社会效益明显2 1 。 1 3 2 嵌岩桩及在软岩中的应用 1 嵌岩桩的发展状况 嵌岩桩一般为钻孔或挖孔桩，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、 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 重型厂房等结构荷载较大、沉降要求较高的建( 构) 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。 国外学者认为，不论岩体的强度和风化程度如何，只要桩端嵌 入岩体中的桩就称为嵌岩桩。国内的建筑桩基技术规范虽然没 有对嵌岩桩作明确的定义，但基本意思是明确的：只有嵌入中等风 化、微风化、新鲜岩石中的桩才是嵌岩桩。自然界的岩石千差万别， 有些中风化岩石的强度甚至比某些微风化岩石的强度还要高。目前 被广泛接受的观点为只要桩端嵌入到岩体中，不管岩体是微风化、 中风化还是强风化的，就应该称其为嵌岩桩。至于其承载和变形性 状的具体特征，则要通过一定的试验、计算分析得到。 大量的试验研究表明，过去笼统地将嵌岩桩按端承桩的理论来 分析是不对的。一般情况下，大部分嵌岩桩都应该考虑桩侧土层的 侧阻力和桩侧岩层的嵌固力对桩承载力的贡献，实际上，较长的嵌 岩桩属于端承摩擦桩或纯摩擦桩，而超长的嵌岩桩都属于纯摩擦桩。 因此，根据对嵌岩桩桩侧、桩端分担外荷载比例的不同，可以将嵌 岩桩分成如下三类： ( 1 ) 侧阻嵌岩桩。在桩长较长、孔壁粗糙或者桩端以下存在较厚 的沉渣等情况下，作用在桩项的荷载几乎完全由桩侧阻力承担，桩 端所承担的荷载可以忽略，这种类型的嵌岩桩称为侧阻嵌岩桩； ( 2 ) 端承嵌岩桩。在桩长较短、孔壁光滑、清孔较好的情况下， 作用在桩顶的荷载基本上全部由桩端承担，侧阻很小或很难发挥， 这种类型的嵌岩桩称为端承嵌岩桩； ( 3 ) 全阻嵌岩桩。尽管端阻、侧阻发挥的先后次序和发挥程度不 同，但他们都起到分担外荷载的作用，这就是全阻嵌岩桩。很显然， 侧阻嵌岩桩和端承嵌岩桩是全阻嵌岩桩的两个极端情况4 1 。 2 软岩中的嵌岩桩 人工挖孔嵌岩桩由于其施工简单、施工质量容易控制、造价低 等很多优点而被广泛使用。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。其原因是： 西南交通大学硕士研究生学位论文一舅亟 ( 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。 而当将软岩作为钻孔灌注桩持力层时，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较大、泥浆护壁使软岩泡水 的时间长以及软岩可能具有的吸水膨胀等因素使软岩的强度大大降 低”。 国内外的文献资料一般认为影响嵌岩桩荷载传递的因素主要 有：桩的嵌岩深度、桩径、桩侧和桩端岩石的弹性模量、岩石的成 层特性、桩侧岩石的粗糙程度、桩底的沉渣厚度和岩体的应力水平 等。这些因素最终影响桩侧土的摩阻力、桩侧岩层的嵌固力和桩端 岩层反力的发挥。 1 4 本文的研究意义和内容 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，研究区域性桩基础承载性状己成为当前岩土工 作者面临的课题之一。昔格达岩层中灌注桩的承载特性研究资料极 少，而且在该地层中的桩基也没有明确完整的计算方法，因此从事 这方面的研究，不仅是为生产建设服务，更是桩基础理论自身发展 的需要。 本文的研究方法采用理论与试验研究相结合的方法进行。研究 主要通过对现场试桩进行静荷载试验，以积累资料，为理论分析提 供可靠的依据。试验过程主要包括：在桩成孔期间，对不同深度的 土层取样进行室内物理、力学性状试验，以测定相应的土工参数； 灌注混凝土之前，在桩身适当位置埋设钢筋计及相关测试元件，为 静载试验做准备；待桩身混凝土达到规定的龄期后，对试桩进行声 波透射检测，以检验桩身质量的完整性；检测完成后进行桩的静载 试验；最后对所有的试验数据进行分析和整理。 理论研究主要包括：在试验分析的基础上，进步研究昔格达 西南交通大学硕士研究生学位论文篁墨亟 岩层中较深灌注桩的承载特性，用有限元方法对试桩的承载性状进 行分析，得出昔格达地层中桩适宜的嵌岩深度。 本文的主要内容是： ( 1 ) 对新九和蒲坝灌注桩竖向承载性能的现场试验过程及成果 进行总结分析，建立恰当的本构模型，分析桩的嵌岩深度对竖向承 载力的影响规律； ( 2 ) 选用有限元软件m i d a s 量化分析上述结果，实现理论与实 际相结合，并对更大嵌岩深度桩基的承载性状进行模拟分析； ( 3 ) 总结提出昔格达岩层中单桩适宜的嵌岩深度，为西攀高速 公路沿线昔格达地层上的基础工程设计、施工提供科学的参考资料。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章昔格达岩层中桩的现场静荷载试验 2 1 攀枝花新九试验概况 攀枝花地区的试验工点选择在新九工地，该工地昔格达地层出 露，交通及施工条件较好。 2 1 1 地形地貌与工程地质条件 试验场地所在路段位于川滇接壤之安宁河、金沙江两岸，沿线 山高坡陡，沟谷迂回，属米易、会理断褶侵蚀和岩浆岩剥蚀地形， 地形陡峻，山高谷深，为典型山区地形，相对高差为3 0 - 5 0 0 m ，海 拔高度在1 0 5 0 - - - 1 5 4 0 m 之间。 本路段出露地层有第四系全新统残坡积( 0 4 。1 “1 ) 碎( 块) 石质 土；冲洪积( q 4 a l + p 1 ) 粉土、粉土质砂、卵石质土。昔格达组泥质粉 砂岩、粉砂泥质岩，局部有微胶结的卵石质土。三迭系白果湾组石 英长石砂岩，泥岩互层夹页岩、煤线。前震旦系会理群千枚岩，角 闪片麻岩，云母片岩、角闪片岩、角闪石英片岩，角闪变粒岩及前 震系石英闪长岩。 该段仅见昔格达断层，总体走向近南北，倾向南西或北面，倾 角4 0 0 6 0 0 ，断层破碎带宽2 4 m 。新构造运动以间歇性抬升运动 为主，形成高程1 1 0 0 - - 1 2 0 0 m 和18 0 0 m 左右两级夷平面。 2 1 2 试验方案 本次试验共设置6 根试验桩，桩径8 0 c m ，布置在同一场地中。 试验场地的平面布置见图2 1 。 为了测试分析桩周土阻抗的分布规律，在所有试桩的桩身中均 设置了钢筋计。试桩的反力系统采用锚桩反力梁体系，其最大加载 能力按2 0 0 0 0 k n 设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 1 试桩和锚桩的平面布置图( 单位：m m ) 1 试桩的设计与施工 6 根试桩均采用人工挖孔桩。对1 撑5 群试桩进行竖向抗压试验， 6 # 试桩因塌孔严重而报废。每根试桩桩身混凝土均采用c 5 0 ，试验 测得试件的立方体抗压强度为5 4 5 m p a ，纵向受力主筋均采用i i 级螺 纹钢筋。各试桩设计的基本情况如表2 1 所示。 场地处昔格达地层出露，无覆盖层，在施工过程中，由于3 # 试 桩在成孔以后底部大量渗水，造成底部塌孔严重，因此，3 号试桩孔 深最后改为5 6 9 m ；4 # 试桩也出现了类似的情况，对此采用了在底 部加钢护筒的措施。 表2 1试桩设计的基本情况 试桩编号成孔方式设计桩径( m )设计孔深( m ) 1 人工挖孔 o 86 2 人工挖孔 o 86 3 人工挖孔 o 89 4 人一【挖孔 o 89 5 人工挖孔 o 8 1 2 6 人工挖孔 o 81 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 本次试桩工程设置8 根锚桩。每根锚桩长1 6 m ，截面形状为矩 形，尺寸为l m x l 4 m ，底部2 m 范田设置扩大头，采用人工挖孔成 孔。锚桩内设置4 束9 巾i 1 5 2 4 m m 钢铰线作竖向预应力，桩底为预 应力束锚固端，上端锚于反力梁上，钢铰线的上端用央片锚固定。 2 加载系统设计 竖向加载系统的昂大加载能力为2 0 0 0 0 k n 。加载系统的布置见 图2 - 2 。竖向加载系统由反力主梁、反力次粱、千斤顶( 组) 和锚固 系统组成。反力主梁和次梁采用西南交大拥有的钢制箱形粱( 单根 主粱可承受荷载1 0 0 0 0 k n ，单根次粱可承受荷载5 0 0 0 k n ) ：千斤顶组 采用2 - 4 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，以精密油压表测读压力；锚固系统采用锚桩，锚索采用钢绞线， 锚索的上端通过锚具固定在次梁上的小钢粱( 也称钢扁担) 上。 3 测试系统 用s p 8 a 型位移数显仪量测试桩在荷载作用下的桩顶位移，在 桩顶对称的位置上安装4 组位移传感器，位移传感器用磁性表坐固 定在基准梁上，根据现场情况利用槽钢架设相应的基准粱，其布置 如图2 - 2 所示。钢筋计的应变用p z x 1 型振弦频率检测仪采集。 图2 - 2 竖向加载及测试系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 1 3 单桩竖向抗压静载试验 本试验采用慢速维持荷载法：此法是国内外最常用的种方法， 试验时，按一定要求将荷载分级，逐级加载，每级荷载下桩项沉降 达到某一规定的相对稳定标准，再加下一级荷载，直到破坏，或达 到规定的终止试验条件时，停止加载，然后分级卸载到零。 2 1 4 试验结果分析总结 试桩的荷载位移之间的相关测试数据列出于表2 2 中，相应的 荷载位移关系曲线( p s 曲线) 如图2 3 一图2 7 。 表2 - 2 竖向抗压静载试验数据荷载( k n ) 、位移( 姗) 桩号荷载级次 12 3 4 567 荷载 1 0 0 5 02 0 1 1 o2 2 6 1 9 2 5 1 2 6 1 位移2 4 5 21 5 4 4 03 0 2 2 86 2 7 3 4 荷载 4 9 2 97 4 3 19 9 2 91 2 4 2 31 4 9 1 41 7 4 0 11 9 8 8 5 位移 0 8 1 6 1 9 2 82 3 9 63 4 2 34 4 2 06 2 8 81 1 2 2 5 2 荷载级次 89 荷载 2 2 3 6 52 4 8 4 1 位移 1 8 8 9 03 8 8 9 0 荷载 8 3 2 31 1 9 9 41 3 2 1 4 1 4 4 3 7 3 位移 3 3 8 79 4 2 01 9 7 8 44 4 9 8 9 荷载 1 0 0 5 02 0 1 1 o2 5 1 2 6 3 0 1 3 0 3 2 6 2 8 3 5 1 2 4 4 位移0 5 1 65 0 2 81 1 1 6 42 5 5 6 33 6 5 7 05 1 2 1 2 荷载1 0 0 5 02 0 1 1 03 0 1 3 o4 0 1 0 95 0 0 4 75 9 9 4 46 9 8 0 0 位移0 2 3 8o 8 1 01 7 5 63 0 6 65 0 5 38 0 1 61 3 2 1 3 5荷载级次 89 荷载 7 9 6 0 98 9 3 8 2 位移2 0 5 4 83 5 7 5 7 由图2 3 2 - 7 可以看出，各试桩的承载力表现出下列特点： ( 1 ) 各试桩的p s 曲线在加载后期均出现明显的陡降趋势，说明 各桩在最大加载量下已达破坏或接近于破坏状态： ( 2 ) 在各试桩中，3 静桩的极限承载力最低，这是因其桩长最短且 是空底的缘故： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 _-_-_-_一m i _ _ _ _ _ - 荷载p ( 啪荷载p ( k n ) 4 0 08 0 01 2 0 01 6 0 0 2 0 2 4 0 05 0 01 0 0 01 5 0 0绷2 5 0 0 图2 3 1 舞桩的p s 曲线 o 1 0 百约 i 龄 掣 4 0 荷载p ( 哪 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 图2 5 3 撑桩的p s 曲线 荷载p ( k n ) 1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 06 ( x ) o7 0 0 0 8 0 0 09 啪 图2 75 带桩的p s 曲线 图2 - 42 带桩的p s 曲线 荷载p ( 哪 4 8 0 01 2 0 0 1 6 0 02 0 0 02 4 0 02 8 0 0 3 2 9 0 3 9 0 0 图2 64 撑桩的p s 曲线 ( 3 ) 5 掌桩的极限承载力远高于其它各桩，这不仅是因为其桩长 最长，还因为其成孔与浇注混凝土的时间间隔较短，而其它各桩成 孔与浇注混凝土的时间间隔均较长，造成孔壁昔格达岩层风化严重， (叫邑q羚牵 。 加 为 日m)的潍翠 o 5侣卸凸稿胬 言邑奶饕掣 o 5 帕 侣 笱 饕 e曼簿罩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 致使极限侧摩阻降低，从而导致极限承载力偏低；另外，5 静桩桩底 出现轻微的塌孔，并未采取处理措施，使其底端面积偏大，桩端土 的承载力由此得到一定程度的提高，也是其极限承载力高于其它各 桩的一个原因； ( 4 ) 5 群桩桩长比4 撑桩约大3 m ，而其极限承载力却大约是4 群桩的 2 5 倍；4 群桩桩长比1 襻、2 撑桩也约大3 m ，其极限承载力却仅有1 静、 2 襻桩的1 4 倍多。究其原因，除了上面提到的影响因素之外，还因为 4 群桩桩底发生了较严重的塌孔，后采用钢护筒进行了处理，因钢护筒 周围的填土难以密实，致使桩端附近的极限侧摩阻大大降低；采用钢 护筒的另一个后果是其桩底面积低于其它各桩，导致桩端土的极限承 载力较小。 根据各试桩的p s 曲线特征，可判断各桩极限承载力如表2 3 。 表2 3 试桩实测资料及极限承载力判别 桩 实际 平均 最人加最人沉极限承 桩长桩径载量降量 载力p 。判别依据 号 ( m )( m )( k n )( m m )( k n ) p s 曲线发生陡降，最 16 0 20 8 82 5 1 2 66 2 7 32 2 6 1 9终沉降大于4 0 m m ，取最大 加载量的前一级荷载 p s 曲线发生陡降，最 26 0 2o 8 72 4 8 4 1 3 8 8 92 2 3 6 5终沉降接近4 0 r a m ，取最大 加载量的前一级荷载 p 一5 曲线发生陡降，最 35 6 9o 8 61 4 4 3 74 4 9 91 3 2 1 4终沉降大于4 0 r a m ，取最大 加载量的前一级荷载 尸一s 曲线发生陡降，最 4 8 9 90 9 23 5 1 2 45 1 2 13 2 6 2 8终沉降大于4 0 r a m ，取最大 加载量的前一级荷载 最大加载苗时沉降突 然加大，p 。s 关系出现陡降 51 2 0 0 o 9 3 8 9 3 8 23 5 7 67 9 6 0 9 特征，取最人加载量的前 一级荷载 2 1 5 室内试验及成果分析 结合锚桩和试桩的施工，在不同深度处共采取了5 组岩样进行 室内土工试验。根据试验结果提出场地处昔格达岩层力学参数建议 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 值如表2 4 所示。通过对试验结果统计分析得出场地处昔格达岩层具 有如下特点： ( 1 ) 岩层的强度极低。试样在天然状态下的单轴抗压强度一般均 低于1m p a ，饱和后的强度更低，按公路桥涵地基与基础设计规范 的规定属于极软岩( 饱和单轴极限抗压强度 2 0 0 m m 约1 0 2 0 ，o2 0 0 - 6 0 m m 约1 0 - - 4 0 ，6 0 - 2 0 r a 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。结构不均，局部箩目、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，主要由泥质粉砂岩夹泥岩组 成。 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。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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 2 2 试验方案 1 试桩布置 本次试验共设置8 根试验桩，试桩的编号及平面布置见图2 - 8 。 n 矗 图2 8试桩平面布置图( 单位：m m ) 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 。 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。为消除覆盖层的影响以突出对昔格达岩层的研究，各桩浇注 砼时在覆盖层区段内的桩土界面处设置了铁皮隔离。 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。 2 试桩加载系统 加载系统由反力主梁、反力次梁和千斤顶( 组) 组成。反力主 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 梁和次梁采用西南交大拥有的钢制箱形梁( 单根主粱可承受荷载 1 0 0 0 0 k n ，单根次梁可承受荷载5 0 0 0 k 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，用油泵加载，以油 压表测读压力。 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。 3 测试系统 静载试验时用百分表( 读数精度为1 r a m ) 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，实际布置情况如图2 - 9 所示。 图2 - 9 现场的加载及测试系统 2 2 3 单桩竖向抗压静载试验 本次试验执行公路桥涵施工技术规范标准，采用慢速维持 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 荷载法，进行单循环加载。荷载按预估最大加载量分作1 0 级，第1 级按2 倍的分级荷载施加。每级加载完毕后，每隔1 5 m i n 观测一次； 累积1 h 后，每隔3 0 m i n 观测一次。当每级加载下沉量在3 0 m i n 内不 大于0 1 m m 时即可认为沉降稳定，然后再施加下一级荷载。当满足 规范要求的加载终止条件以及出现不利于锚桩和反力系统安全的其 它异常现象时，即终止加载过程。 加载过程终止后进行卸载，卸载方式为隔级卸载，即每一级卸 载量为两个加载级的荷载值。每级荷载卸载后，观测桩项的回弹量。 直到回弹稳定后，再卸下一级荷载，回弹稳定标准与下沉稳定标准 相同。卸载到零后，至少在2 h 内每3 0 m i n 观测一次。各试桩静载试 验的实际情况汇总示于表2 5 中。 表2 5 蒲坝场地的试桩施工情况一览表 桩成孔 桩入土深度入岩深度实际 砼浇注 何= ( h 1 一h 3 ) ( h h ) 桩径 备注 号方式 时间 ( m )( m )( m ) 、 人上 12 0 9 0 01 7 9 0 01 2 50 2 1 1 2 6 挖孔 人【 22 0 9 5 01 6 5 5 41 2 50 2 1 1 1 2 挖孔 冲击 32 0 8 1 61 5 9 8 0o 9 00 2 1 0 0 3 成孔 冲击上段覆盖层采用1 2 m 钻 42 2 3 0 01 7 6 7 90 9 00 2 0 9 2 3 成孔头，实际桩径参照3 号桩 冲击 52 1 3 1 6 1 6 6 4 0 0 9 0 0 2 1 0 1 5 成孔 冲击 62 1 3 2 01 5 8 0 00 9 00 2 1 1 0 5 成孔 冲击 72 1 5 3 01 6 2 0 80 9 00 2 1 0 2 3 成孔 冲击 上段采用人工挖孔，浇注 82 1 3 6 01 6 1 8 7o 9 0 0 2 1 0 3 0砼时在设铁皮隔离，实际 成孔 桩径参照7 号桩 2 2 4 试验结果分析总结 试桩的荷载位移之间的相关测试数据列于表2 - 6 中，相应的荷载位移 关系曲线( p s 曲线) 如图2 1 0 图2 1 7 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表2 - 6 试桩竖向抗压静载试验数据荷载( k n ) 、位移( m m ) 荷载级别 桩号 项目名称 1234 5678 荷载1 8 0 03 6 0 05 4 0 07 2 0 09 0 0 01 0 8 0 01 2 6 0 0 1 4 0 0 0 1 位移 1 2 0 71 6 5 72 1 9 5 3 0 0 43 7 6 24 3 3 55 3 5 56 4 6 2 荷载3 6 0 05 4 0 07 2 0 09 0 0 01 0 8 0 01 2 6 0 01 4 0 0 0 2 位移0 7 5 7 o 8 4 1 1 7 0 62 5 2 73 4 4 74 4 7 05 0 8 8 荷载 2 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 08 0 0 09 0 0 01 0 0 0 0 3 位移 2 8 7 85 8 2 57 7 8 11 0 9 1 8 1 5 4 5 l2 0