２０１９年４月
水运工程
Ａｐｒ ２０１９画心2歌词
第４期㊀总第５５４期
Ｐｏｒｔ＆ＷａｔｅｒｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｎｏ ４㊀ＳｅｒｉａｌＮｏ ５５４
地基与基础
苏世定ꎬ陈章宇ꎬ胡兴昊
(中交四航工程研究院有限公司ꎬ广东广州５１０２３０)
摘要：桩端持力层是影响基桩承载力的关键因素之一ꎮ珊瑚礁灰岩硬而脆㊁软硬分布不均ꎬ与传统的岩土类型存在较大差异ꎬ给桩基设计与施工带来了较大的不确定性ꎬ用传统的桩基设计理论确定施工桩长及持力层方案是不可靠的ꎮ因此在试桩阶段通过高应变动测和静载试验两种方式研究不同持力层中的钢管桩承载特征ꎬ研究结果直观地表明该类工程地质宜选择标贯击数为８０~＞１００击的强风化珊瑚礁灰岩作为桩端持力层ꎮ
关键词：桩端持力层ꎻ高应变动测ꎻ静载试验ꎻ强风化珊瑚礁灰岩中图分类号:ＴＵ４７３ꎻＵ６５６眼的组词
文献标志码:Ａ
文章编号:１００２￣４９７２(２０１９)０４￣０１７０￣０５
Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｂｅａｒｉｎｇｓｔｒａｔｕｍｏｆｓｔｅｅｌｐｉｐｅｐｉｌｅｉｎｃｏｒａｌｒｅｅｆｌｉｍｅｓｔｏｎｅａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ
ＳＵＳｈｉ￣ｄｉｎｇ ＣＨＥＮＺｈａｎｇ￣ｙｕ ＨＵＸｉｎｇ￣ｈａｏ
ＣＣＣＣＦｏｕｒｔｈＨａｒｂｏｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ. Ｌｔｄ. Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０２３０ Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｉｌｅｂｅａｒｉｎｇｓｔｒａｔｕｍｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｌｅ.Ｃｏｒａｌ
ｒｅｅｆｌｉｍｅｓｔｏｎｅｉｓｈａｒｄａｎｄｂｒｉｔｔｌｅｗｉｔｈｕｎｅｖｅｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔａｎｄｈａｒｄ ｗｈｉｃｈｉｓｑｕｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｒｏｃｋａｎｄｓｏｉｌｔｙｐｅｓ ａｎｄｂｒｉｎｇｓｇｒｅａｔｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ.Ｉｔｉｓｎｏｔ
ｒｅｌｉａｂｌｅｔｏｕｓｅｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｉｌｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｂｅａｒｉｎｇｌａｙｅｒｐｌａｎ Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｉｎｔｈｅｓｔａｇｅｏｆｐｉｌｅｔｅｓｔ ｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔｅｅｌｐｉｐｅｐｉｌｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｅａｒｉｎｇｓｔｒａｔｕｍａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｍｅａｎｓ
ｏｆｈｉｇｈｓｔｒａｉｎｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄｔｅｓｔ Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｉｎｔｕｉｔｉｖｅｌｙｔｈａｔｈｉｇｈｌｙｗｅａｔｈｅｒｅｄｃｏｒａｌ￣ｒｅｅｆｌｉｍｅｓｔｏｎｅｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅＳＰＴｎｕｍｂｅｒｓａｒｅｕｐｔｏ８０~＞１００ｓｈｏｕｌｄｂｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｐｉｌｅｅｎｄｂｅａｒｉｎｇｓｔｒａｔｕｍｉｎｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｙ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｐｉｌｅｂｅａｒｉｎｇｓｔｒａｔｕｍ ｈｉｇｈ￣ｓｔｒａｉｎｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔ ｓｔａｔｉｃｌｏａｄｔｅｓｔ ｈｉｇｈｌｙ￣ｗｅａｔｈｅｒｅｄｃｏｒａｌ￣ｒｅｅｆｌｉｍｅｓｔｏｎｅ
收稿日期:２０１８￣０８￣２０
㊀∗基金项目：广州市珠江科技新星专项(２０１７１００１０１８８ꎬ２０１８０６０１０１６４)ꎻ广东省交通运输厅科技项目(２０１６￣０２￣０２４)作者简介：苏世定(１９９１ )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ助理工程师ꎬ从事港口及海洋工程的桩基科研㊁设计㊁施工和检测ꎮ
㊀㊀珊瑚礁灰岩是一种特殊的岩土介质ꎬ孔隙率大㊁黏结力小㊁排水性好ꎬ与砂土性质较接近ꎬ
主要化学成分为碳酸钙ꎬ可归类为碳酸钙岩土或钙质砂ꎮ但它结构多变㊁性脆㊁强度差别大ꎬ与常规岩土之间存在较大的差异性ꎬ给珊瑚礁灰岩地质条件下的工程建设带来了很多不确定性ꎬ特
别是桩基工程领域ꎮ大量的试验和工程实例表明：基于常规地基材料的桩基设计经验在该类地质中是不适用的 １￣３ ꎮ
目前ꎬ风化岩层地质条件下桩基础主要面对的问题有:１)风化岩层厚度变化等造成的桩长变化ꎻ２)桩端持力层的确定ꎮ而珊瑚礁灰岩风化岩层也不例外ꎬ同时它的软硬不均匀㊁强度差异大等特点使这些问题更加棘手ꎮ本文依托实际工程的试桩ꎬ通过对两根进入不同持力层的钢管桩进行高应变动测和竖向抗压静载试验的对比研究ꎬ探讨分析在珊瑚礁灰岩地质中的入土深度控制及桩端持力层确定等问题ꎬ同时也优化了后续的沉桩施工方案ꎮ
㊀第４期苏世定ꎬ等：珊瑚礁灰岩中钢管桩持力层选择及试验研究∗１㊀土层情况分析
试验场地为典型的珊瑚礁灰岩地质ꎬ并且珊瑚礁灰岩风化层交错分布ꎬ风化程度不一ꎬ呈现硬而脆㊁疏密不均的特征ꎬ实测标贯击数分布为１２~＞１００击ꎮ现场分别对２根试验桩Ｔ１和Ｔ２进
行高应变动测试验和静载试验ꎬ它们对应的参照孔位分别为ＢＦ￣０３和ＢＨ￣０３ꎮ
试验桩Ｔ１和Ｔ２在入土深度范围内的桩周土层分布见图
１ꎮ
图１㊀试验桩桩周土层分布
㊀㊀在入土深度范围内ꎬ试验桩Ｔ１的桩周土层分为:１)细中砂１－１ꎬ密实ꎬ棕灰ꎬ级配差ꎬ含有少量壳类碎片ꎬ标贯击数为３６~３９击ꎻ２)砂质黏土２－１ꎬ灰ꎬ非常硬ꎬ标贯击数为１４~２３击ꎻ３)残积土３－１ꎬ白灰ꎬ主要为已分解的珊瑚礁灰岩ꎬ标贯击数较小ꎬ为１２击ꎻ４)黏土２－２ꎬ灰ꎬ
硬塑ꎻ５)残积土３－１ꎬ白灰ꎬ主要为已分解的珊瑚礁灰岩ꎬ标贯击数为１３击ꎻ６)全风化珊瑚礁灰岩层４－１ꎬ标贯击数分布均匀ꎬ为３５~４７击ꎻ７)强风化珊瑚礁灰岩层４－２ꎬ标贯击数为５０~８０击ꎻ
８)全风化珊瑚礁灰岩层４－１ꎬ标贯击数为４０击ꎮ在入土深度范围内ꎬ试验桩Ｔ２的桩周土层分为:１)细中砂１－１ꎬ松散ꎬ灰黑ꎬ级配差ꎬ含有少量壳类碎片ꎬ标贯击数约为８ꎻ２)砂质黏土
２－１ꎬ灰黄ꎬ局部带有绿灰斑纹ꎬ坚硬ꎬ标贯击数约为３２ꎻ３)全风化珊瑚礁灰岩层４－１ꎬ全风化珊瑚礁灰岩ꎬ中密ꎬ灰黄ꎬ标贯击数约为１５~２６ꎻ４)细中砂１－１ꎬ带有轻微黏性ꎬ灰黄ꎬ部分带有绿灰斑点ꎬ该段含有较多的珊瑚碎片ꎻ５)全风化珊瑚礁灰岩层４－１ꎬ全风化珊瑚礁灰岩ꎬ
张钧涵
灰白ꎬ带有灰黄斑点ꎬ层面顶部非常坚硬ꎬ标贯击数大于１００击ꎬ层面顶部以下２ｍꎬ标贯击数约为１８~２８ꎻ６)强风化珊瑚礁灰岩层４￣２ꎬ灰白ꎬ带有灰黄斑点ꎬ极弱ꎬ层面顶部标贯击数为４７ꎬ底部标贯击数大于１００击ꎮ２㊀试验桩沉桩信息
试验桩Ｔ１和Ｔ２的具体参数见表１ꎮ
表１㊀试验桩参数
桩号桩径ˑ壁厚∕(ｍｍˑｍｍ)施工桩长∕ｍ泥面高程∕ｍ桩底高程∕ｍ入土深度∕ｍ停锤贯入度∕
(ｍｍ 击－１
)
总锤击数∕击参照孔位桩端持力层Ｔ１１２００ˑ１２５５ ０－１３ ００－４７ ９０３４ ９０６ ３１１２８ＢＦ￣０３
４－１全风化珊瑚礁灰岩Ｔ２
１２００ˑ１２
５０ ０
－１３ ００
－４１ ２０
２８ ２０
１ １
７５９
ＢＨ￣０３４－２强风化珊瑚礁灰岩
１７１
水运工程２０１９年㊀
３ 高应变拟合分析结果
静载试验前ꎬ首先对两根试验桩进行高应变动测ꎬ进而初步判定基桩的极限承载力ꎬ作
为后续两根桩的静载试验的参考ꎮ根据现场实测数据ꎬ两根试验桩的高应变动测拟合分析结果见表２ꎮ
表２㊀高应变动测分析结果
桩号极限承载力∕ｋＮ
总阻力侧阻力端阻力Ｑｓ∕ｍｍＱｔ∕ｍｍＪｓＪｔＤｘ∕ｍｍＴ１９００８ ５６４４０ １２５６８ ４１ ９１６７ ３０００ ７８５１０ ０８９５４３ ２Ｔ２
９４７０ ５
５６５９ ５
３８１１ ０
３ ００８
１ ００４
１ ４４９１
２ ８９７９
４１ ０
㊀㊀注:Ｑｓ为桩侧弹性极限ꎬＱｔ为桩底弹性极限ꎬＪｓ为桩侧阻尼系数ꎬＪｔ为桩底阻尼系数ꎬＤｘ为桩身最大动位移ꎮ
㊀㊀Ｔ１桩的高应变实测曲线见图２ꎮ图中试验桩Ｔ１的力和速度曲线表明ꎬ试验桩Ｔ１进入的桩周土层能提供大的侧阻ꎬ但桩端２Ｌ∕ｃ处(Ｌ为桩长ꎬｃ为应力波在桩身传播速度)力和速度曲线构成的面积域较小ꎬ端阻偏小ꎬ说明Ｔ１桩所处的持力层偏软ꎬ动测极限承载力主要由桩侧摩阻力提供
ꎮ
图２㊀桩Ｔ１动测力和速度曲线
Ｔ２桩的高应变实测曲线见图３ꎮ由图中试验
桩Ｔ２的力和速度曲线可知ꎬ桩端处２Ｌ∕ｃ力曲线正向反射强ꎬ说明桩端所处的标贯击数达１００击以上的强风化珊瑚礁灰岩持力层很硬ꎬ端阻力较大ꎮ但实测的贯入度只有１ １ｍｍ∕击ꎬ此时可能并未充分激发端阻ꎮ同时ꎬ表２中试验桩Ｔ２偏小的桩端弹限Ｑｔ也说明现场测试时激发的桩－土相对位移偏小ꎬ并未充分激发土阻抗ꎬ因此基桩的潜在极限承载力比实测值仍有较大提升空间ꎮ
通过拟合分析还可以得到两根试验桩的荷载－桩土位移曲线ꎬ见图
４ꎮ
图３㊀桩Ｔ２
动测力和速度曲线
图４㊀桩Ｔ１和Ｔ２动测拟合荷载－桩土位移曲线
Ｔ２桩的桩顶荷载随桩土位移的增加近似线性
增加ꎬ卸载后残余位移值小ꎮ相比而言ꎬ试验桩Ｔ１的残余位移值更大ꎬ并且加载曲线在Ｔ２桩的曲线上方ꎬ荷载随位移变化的斜率更小ꎬ即对比试验桩Ｔ２ꎬ激发相同的承载力Ｔ１桩需更小的桩土位移ꎮ依据侧摩阻力先于端阻发挥的异步性以及侧阻充分发挥所需临界位移小的特点ꎬ可推断试验桩Ｔ１的承载力主要由侧阻力提供ꎬ而试验桩Ｔ２侧阻较小ꎮ此外ꎬ当桩土位移进一步增大时ꎬ试验桩Ｔ１可能发生陡降破坏ꎬ即试验桩Ｔ１单桩破坏
２７１
㊀第４期苏世定ꎬ等：珊瑚礁灰岩中钢管桩持力层选择及试验研究∗模式可能为刺入破坏ꎮ而试验桩Ｔ２所增加的位移并不能充分激发端阻ꎬ试验桩Ｔ２实际上的端阻比实测要大ꎮ４㊀静载试验结果
静载试验采用锚桩法ꎬ利用试验桩周围的４根锚桩提供反力ꎬ试验分两个循环加载ꎬ第１次循环最大荷载为５ＭＮꎬ第２次循环最大荷载取为２倍工作荷载１０ＭＮꎬ加卸载总共分２０级ꎮ试验终止条件和极限承载力判断依据港口工程桩基规范和建筑基桩检测技术规范 ４￣５ ꎮ
试验桩Ｔ１的荷载－沉降曲线见图
５ꎮ
图５㊀Ｔ１桩荷载－沉降曲线
在第１次循环加载过程中ꎬ各级荷载作用下沉降量差异不大ꎬ最大单级沉降量为４ＭＮ荷载作用下的４ ９８ｍｍꎬ累计最大沉降达１３ ３５ｍｍꎬ残余沉降为３ ５１ｍｍꎬＴ１桩处于正常工作状态ꎮ但在第２次循环加载过程中ꎬ当加载至５ＭＮ时ꎬ该级沉降量突然增大为１１ ９７ｍｍꎬ累计达２７ ４９ｍｍꎬ继续加载到７ ５ＭＮꎬ该级沉降量进一步增大为２５ ９５ｍｍꎬ已超过前一级荷载沉降量的２倍ꎬ累计沉降量达到５３ ４４ｍｍꎬ荷载－沉降曲线表现为明显的陡降段ꎬ终止加载ꎬ卸载为０后残余沉降量为３８ ７２ｍｍꎮ根据港口工程桩基规范和建筑基桩检测技术规范ꎬ可判断试验桩Ｔ１的极限承载力为５ＭＮꎮ
Ｔ２桩的荷载－沉降曲线呈缓变型ꎬ如图６所示ꎮ
无论第１次循环加载还是第２次循环加载ꎬ荷载－沉降曲线曲率变化不大ꎬ各级沉降量随荷载近似呈线性比例增长ꎬ累计沉降量为３１ ９０ｍｍꎬ残余沉降量为３ ０４ｍｍꎮ卸载后残余沉降较小ꎬ试验过程中的沉降量大部分由桩身压缩引起的弹性变形ꎬ与图５中动测拟合分析得到桩顶荷载－位移曲线的特征相一致ꎮ充分说明桩端进入非常硬的强风化珊瑚礁灰岩层时ꎬ无论高应变动测还是静载试验ꎬ都很难激发桩端土阻力ꎬ从而充分发挥桩端阻力ꎮ试验结果表明Ｔ２桩的极限承载力不小于１０
ＭＮꎮ
图６㊀Ｔ２桩荷载－沉降曲线
５㊀试验结果对比分析及持力层选择
相对一般灰岩ꎬ珊瑚礁灰岩抗压强度指标较小ꎬ且离散性大ꎬ属于软质岩 ６ ꎬ珊瑚礁风化岩层的单位侧阻和单位端阻宜按相关规范中软质岩类别取值ꎮ同时考虑到珊瑚礁灰风化岩层的软硬不均匀性以及土颗粒易破碎的特点ꎬ单位侧阻值在同等条件下还应适当折减ꎬ折减系数宜取０ ８~０ ９ꎮ因此在该类地质条件下ꎬ钢管桩的沉桩贯入度偏大ꎬ锤击数少ꎬ需要足够深度的入土深度或者极硬的桩端持力层来保证基桩极限承载力 ７￣８ ꎮ
教育孩子的方法试验桩Ｔ１入土深度３４ ９０ｍꎬ但桩端位于夹
在强风化珊瑚礁灰岩层间的全风化珊瑚礁灰岩层中ꎬ标贯击数较小ꎬ桩端持力层为较软层ꎻ动测试验结果也表明Ｔ１桩的端阻较小ꎬＴ１桩的承载力以侧阻力为主ꎬ为摩擦型桩ꎮ同时动测拟合分析
３７１
水运工程２０１９年㊀
得到的陡降式荷载－位移曲线表明试验桩Ｔ１的单桩破坏模式可能为刺入破坏ꎬ这种假设最后由试验
桩Ｔ１的静载试验结果得到证实ꎮ静载试验过程中Ｔ１桩总沉降量和残余量大ꎬ荷载－曲线出现明显的陡降破坏ꎬ试验判定的极限承载力小于动测极限承载力ꎮ
试验桩Ｔ２入土深度２８ ２０ｍꎬ桩端持力层为较硬的强风化珊瑚礁灰岩层中ꎬ标贯击数＞１００击ꎮ试验桩Ｔ２持力层很硬ꎬ动测时贯入度较小ꎬ未能充分激发端阻ꎬ实际端阻较大ꎬ承载力相比实测还有较大的上升空间ꎮ同样在静载试验过程中ꎬ坚硬的持力层让试验桩Ｔ２的端阻很难充分发挥ꎬ荷载－沉降曲线呈缓变型ꎬ总沉降量小ꎬ卸载后回弹量大ꎬ大部分沉降量为桩身压缩引起的弹性变形ꎮ
上述试验分析结果表明ꎬ入土深度多６ ７ｍ的Ｔ１桩的承载力远小于试验桩Ｔ２ꎬ依靠侧阻力来
林隆璇老婆提供主要承载力并不能解决珊瑚礁灰岩地质中钢管桩承载力不足的问题ꎬ而且容易导致因桩长过长引起的工程成本增加ꎮ而同等条件下ꎬ选择较硬的持力层有利于提高基桩极限承载力ꎬ并且能缩短桩长节省工程成本ꎮ对于工程桩的验证性静载试验ꎬ还能够降低试验破坏的风险ꎮ此外ꎬ基桩施工应穿过软弱夹层ꎬ应避免出现试验桩Ｔ１类似的桩端处于软弱夹层的情况ꎮ
６ 结论
１)桩端持力层软硬可通过高应变实测的桩端位置的力和速度曲线的积分域大小判断ꎮ当桩端持力层较软时ꎬ力和速度曲线积分域较小ꎬ有些情况甚至引起速度曲线正向反射ꎬ使积分域为负值ꎻ当桩端持力层较硬时ꎬ贯入度小ꎬ力曲线正向反射明显ꎬ速度曲线构成的积分域面积大ꎬ端阻难以充分发挥ꎮ
２)全风化珊瑚礁灰岩作为持力层偏软ꎬ无法保证基桩承载力满足施工要求ꎬ单桩可能存在刺入破坏的风险ꎻ而选择标贯击数为８０~＞１００击的强风化珊瑚礁灰岩硬层作为桩端持力层ꎬ基桩在极限荷载作用下沉降为缓变型ꎬ大部分为桩身压缩引起的弹性压缩ꎬ有利于确保桩基础安全可靠且经济ꎮ
３)珊瑚礁灰岩地质风化程度不均ꎬ软硬交互出现ꎬ试验研究证明摩擦型桩不适用于该地质ꎬ极限荷载作用下存在桩身刺入破坏的风险ꎮ因此为了更合理地降低风险ꎬ减少基桩施工中因桩长接长引起的经济损失ꎬ应在保障最小的入土深度情况下ꎬ尽量选择更硬的岩层作为持力层ꎮ实际施工中可通过动测和静载试验结果ꎬ选择最适宜的桩端持力层ꎮ
参考文献:
１ ㊀袁征余克服王英辉等.珊瑚礁岩土的工程地质特性研究进展 Ｊ .热带地理２０１６ ３６ １ ８７￣９３.
２ ㊀王新志.南沙岛珊瑚礁工程地质特性及大型工程建设可行性研究 Ｄ .武汉中国科学院研究生院武汉岩土力学研究所２００８.
３ ㊀吴京平褚瑶楼志刚.颗粒破碎对钙质砂变形及强度特性的影响 Ｊ .岩土工程学报１９９７ １９ ５ ５１￣５７. ４ ㊀中国建筑科学研究院.建筑基桩检测技术规范ＪＧＪ１０６ ２００３ Ｓ .北京中国建筑工业出版社２００２.
５ ㊀交通部第三航务工程勘察设计院.港口工程桩基规范ＪＴＳ１６７￣４ ２０１２ Ｓ .北京人民交通出版社１９９８. ６ ㊀任世锋齐钰黄磊.珊瑚礁工程地质特性分析 Ｊ .水运工程２０１５ ５ ２０７￣２１２.
７ ㊀贾德庆陈锋吕黄.大直径开口钢管桩承载力特性的分析 Ｊ .水运工程２００４ １０ ２２￣２４＋３１.
蒜蓉油麦菜８ ㊀赖琼华.高层建筑桩基持力层的选择及承载力分析 Ｊ .
岩石力学与工程学报２００４ ２３ ２ ３３９￣３４３.
(本文编辑㊀武亚庆)
４７１
发布评论