珊瑚礁灰岩钻孔灌注桩承载特性试验研究*

夏玉云,杨志刚,乔建伟,郑建国,柳 旻,唐国艺

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710043;2.自然资源部陕西西安地裂缝与地面沉降野外科学观测研究站,陕西 西安 710054;3.陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室,陕西 西安 710043;4.中工国际工程股份有限公司,北京 100080)

0 引 言

珊瑚礁是造礁石珊瑚死亡后遗骸经过漫长的地质沉积作用、生物破坏、海洋动力等共同作用形成的特殊岩土体,包括上部松散的珊瑚砂和下部胶结程度较好的礁灰岩,广泛分布在南纬30°与北纬30°之间的热带海洋区域,尤以东南亚地区最为典型和发育［1-4］。礁灰岩是珊瑚岛礁的主体部分,其碳酸钙(CaCO3)含量高达96%以上,因此将其称为礁灰岩［5-8］。由于礁灰岩独特的成因环境、物质组成和结构特征,使其具有不同于一般陆相沉积岩石的物理力学特性和工程地质特性［9-10］。

与钙质土相比,目前礁灰岩物理力学特性和工程地质特性的研究尚处于起步探索阶段。国内外学者对其物理力学特征的研究主要集中在矿物成分、微观结构、孔隙率、密度、含水率、渗透系数、波速特性、单轴抗压强度、应力应变特征等［11-16］;对其工程性质特性的研究集中在天然地基承载力［17-18］,但对礁灰岩桩基承载特性的应用研究还较少。部分学者开展了一些礁灰岩地区的现场试桩试验,刘军科［19］通过原位静载试验和数值模拟,得出珊瑚礁灌注桩侧摩阻力可达275kPa;肖向阳等［20］根据试桩试验测定桩基的极限侧阻力,结果表明礁灰岩桩基可达到的实测最大侧阻力比地质勘探所提供结果大 5～7 倍;卢超健等［21］对礁灰岩地层桩的侧摩阻力进行测试,结果表明礁灰岩桩侧残余摩阻力较高,平均为1 091.2kPa。由于现场试桩成本高、操作较复杂,刘海峰等［22］开展了不同结构礁灰岩镶嵌桩的模型试验,分别研究礁灰岩层围压和强度对桩侧摩阻力的影响规律,估算了不同礁灰岩嵌岩桩的极限侧摩阻力标准值。综上,尽管一些学者对礁灰岩地区桩基承载特性开展了一定研究,但针对不同施工工艺下钻孔灌注桩承载特性的研究还较少,现有研究成果还很难指导礁灰岩地区的桩基施工。鉴于此,本文结合印度尼西亚某电站项目,通过冲击钻孔灌注桩和旋挖钻孔灌注桩的现场静载试验,并埋设钢筋应力计,对比分析了冲击钻孔灌注桩和旋挖钻孔灌注桩的承载特性,研究结果对珊瑚礁灰岩地区桩基工程具有一定的指导和借鉴意义。

1 试验场地地层特征

试验场地位于印度尼西亚爪哇岛,钻探揭示试验场地深度50m以内地层可划分4层(见图1),分别为①黏土层、②灰泥混珊瑚礁碎块、③块状礁灰岩、④柱状礁灰岩,各地层基本特征如表1所示。从表1可知,②灰泥混珊瑚礁碎块和③块状礁灰岩的最小标贯击数分别为3击和1击,表明其局部可能存在孔洞或洞穴。②灰泥混珊瑚礁碎块的标贯击数变化范围为3～64击,剪切波速变化范围为238～652m/s;③块状礁灰岩的标贯击数变化范围为1～65击,剪切波速变化范围为611～908m/s;④柱状礁灰岩的标贯击数变化范围为4～300击,剪切波速变化范围为764～955m/s。因此,试验场地下伏礁灰岩(②,③,④层)标贯击数和剪切波速的变化范围较大,表明试验场地礁灰岩的密实程度和软硬程度差别较大。

表1 试验场地地层基本特征Table 1 Basic characteristics of stratum in test site

图1 试验场地地层柱状图Fig.1 Strata histogram of the test site

2 试验方案

2.1 试验桩布置

试验场地布设6根试验钻孔灌注桩和16根锚桩,其中冲击钻机成孔3根,编号为A1,A2,A3;旋挖钻机成孔3根,编号为B1,B2,B3;冲击钻机成孔,采用泥浆泵导入泥浆正循环式清孔,导管水下混凝土灌注工艺,泥浆为现场冲击自动造浆;旋挖钻机钻进过程中不需要泥浆护壁,每根试验桩施工过程中记录灌浆量。试桩桩长31.5m,桩顶与地面持平,桩径800mm(见图1),试桩桩身混凝土强度等级为C35,主筋采用12φ19。每根试桩周围布设4根锚桩,按JGJ106—2014《建筑基桩检测技术规范》,锚桩与试桩的间距设置为3.2m,如图2所示。

图2 试桩与锚桩平面布置Fig.2 Plan layout of test pile and anchor pile

2.2 单桩竖向抗压静载试验

试验采用慢速维持荷载法,冲击钻孔灌注桩试验每级荷载增量500kN,首级加载为1 000kN,每级沉降稳定后施加下一级荷载。旋挖钻孔灌注桩试验每级荷载增量1 400kN,首级加载2 800kN,加载至11 200kN时,每级荷载增量减为700kN,每级沉降稳定后施加下一级荷载。每组试验均加载至单桩破坏或无法施加下一级荷载,则试验结束并分级卸载,卸载时,测试每级荷载下桩顶的残余沉降量。在桩顶下布设4根位移传感器测试桩顶竖向位移,在4根锚桩上各安装1个位移传感器以测试锚桩上拔量。

试验采用锚桩横梁反力装置,由主梁、次梁、钢帽、锚桩和焊接钢筋井字架组成。加载装置由油压千斤顶、油管、油泵和自动加载仪组成。试验加载方法、加载稳定判定标准和终止加载条件严格按《建筑基桩检测技术规范》执行。

2.3 桩身应力测试

桩身应力测试采用钢筋应力计法,应力测试采用GJ-16型钢筋应力计,通过量测荷载作用下按地层埋设并焊接在钢筋笼主筋上的钢筋计的频率,依据提前建立的频率与应力的关系,计算钢筋应力,再将钢筋应力通过计算换算为混凝土桩截面的轴力。冲击钻孔灌注桩分别在桩顶以下1,6,11,19,30.5m处布设钢筋应力计,旋挖钻孔灌注桩在桩顶以下间隔3m布设钢筋应力计,每根桩布设10个。试验过程中,钢筋应力计测试与静载试验同步进行,静载试验加荷前测试钢筋应力计初始读数,每级荷载加荷后及桩顶沉降相对稳定后分别测试钢筋应力计读数。

按式(1)根据钢筋应力计算桩身轴向力：

(1)

式中：Ni为桩身第i断面处轴力(kN);σi为第i断面处钢筋应力(kPa);Es为钢筋的变形模量(GPa);Ei为第i断面处桩身综合变形模量(GPa);Ai为第i断面处桩的截面积(m2)。

根据桩身轴力分布曲线,按式(2)和式(3)分别计算桩侧摩阻力qsi和端阻力qp：

(2)

(3)

式中：qsi为桩侧摩阻力(kPa);qp为桩端阻力(kPa);u为桩身周长(m);Nn为桩端的轴力(kN);li为第i断面与第i+1断面之间的桩长(m);Ap为桩端面积(m2);i=1,2,……,n,并自桩顶以下从小到大排列。

3 试验结果与分析

3.1 试验桩的施工周期和充盈系数

试验期间统计冲击成孔的施工时间约为4d,而旋挖成孔的施工时间约为4h,因此旋挖成孔的施工效率约为冲击成孔施工效率的24倍。统计冲击钻孔灌注桩和旋挖钻孔灌注桩的充盈系数如表2所示。从表2可知,冲击钻孔灌注桩充盈系数分布范围为1.26～1.45,平均值为1.37;旋挖钻孔灌注桩充盈系数分布范围为1.17～1.42,平均值为1.26;因此,相同桩长和桩径情况下,冲击钻孔灌注桩的灌浆量约为旋挖钻孔灌注桩的1.09倍。

表2 试桩充盈系数统计Table 2 Fullness coefficient of test piles

3.2 单桩竖向承载力

3.2.1冲击钻孔灌注桩

抗压静载试验的3根试桩均因试验过程中锚桩上拔量过大,不宜继续加压而终止试验。绘制3根冲击钻孔灌注桩静载试验Q-s曲线如图3所示。由图3可知,3根试桩Q-s曲线均为缓变型曲线,A1试桩加载至破坏,竖向抗压极限承载力为5 000kN,对应的沉降量为34mm;A2试桩和A3试桩均未出现明显破坏点,取沉降量40mm对应的荷载为竖向抗压极限承载力,分别为4 958kN和4 524kN。因此,单桩竖向极限承载力平均值为4 827kN,极差为476kN,小于平均值的30%,取冲击钻孔灌注桩竖向极限承载力为4 827kN,单桩竖向承载力特征值为2 414kN;3根试桩极限承载力对应的沉降量平均值为38mm。

图3 冲击钻孔灌注桩静载试验Q-s曲线Fig.3 Static load test Q-s curve of impact drilling filling pile

此外,3根试桩桩顶最大沉降量均大于40mm,且最大回弹量基本相同。A1试桩最大沉降量为52.34mm,最大回弹量为11.59mm,回弹率为16.1%;A2试桩最大沉降量为40.83mm,最大回弹量为11.50mm,回弹率为28.2%;A3试桩最大沉降量为50.95mm;最大回弹量为12.48mm,回弹率为24.5%。因此,3根试桩的回弹率均较小,表明桩土体系已大大超出弹性工作范围。

3.2.2旋挖钻孔灌注桩

绘制3根旋挖钻孔灌注桩静载试验Q-s曲线如图4所示。由图4可知,3根试桩Q-s曲线均为缓变型曲线,未出现明显的陡降段,表明试桩均未破坏。由于现场试验条件所限和锚筋拉断,3根试桩最大加载量分别为14 000,14 000,13 300kN,对应的最终沉降量分别为17.65,13.89,12.88mm,取3根试桩竖向极限承载力分别为14 000,14 000kN和13 300kN,平均值为13 766kN,极差为700kN,小于平均值的30%,抗压极限承载力对应的沉降量平均值为14.81mm。因此取旋挖钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力为13 766kN,单桩竖向承载力特征值为6 883kN。

图4 旋挖钻孔灌注桩静载试验Q-s曲线Fig.4 Static load test Q-s curve of rotary excavation bored pile

此外,B1试桩的最大沉降量为17.65mm,最大回弹量为13.80mm,回弹率为78.2%;B2试桩的最大沉降量为13.89mm,最大回弹量为9.80mm,回弹率为70.6%;B3试桩的最大沉降量为12.88mm,最大回弹量为9.27mm,回弹率为72.0%。因此,3根试桩回弹率较大,均大于70%,表明试桩刚超出弹性工作范围,进一步证明桩土未进入破坏阶段。

3.3 桩身轴力特征与侧摩阻力分析

3.3.1冲击钻孔灌注桩

绘制试桩在不同荷载下桩身轴力随深度分布曲线如图5所示。从图5可知,各试桩桩端阻力随桩顶荷载增加而增加,极限荷载下,3根试桩(A1,A2,A3)对应的桩端阻力分别为3 141,2 818kN和2 396kN,所占承载力的比例分别为62.8%,53.0%和56.8%,均大于50%,表现为摩擦端承桩。

图5 冲击钻孔灌注桩桩身轴力随深度变化曲线Fig.5 Curve of axial force variation with depth of impact drilling filling pile

根据轴力计算②灰泥混珊瑚礁碎块和③块状礁灰岩的极限侧摩阻力,结果如表3所示。从表3可知,②灰泥混珊瑚礁碎块极限侧摩阻力变化范围为27.9～38.5kPa,平均值为32.8kPa,方差为4.4kPa,变异系数为0.133;③块状礁灰岩极限侧摩阻力变化范围为24.5～61.3kPa,平均值为39.3kPa,方差为15.9kPa,变异系数为0.404。此外,考虑到桩周地层主要为②灰泥混珊瑚礁碎块和③块状礁灰岩,根据桩端极限承载力,计算3根试桩全桩长平均极限侧摩阻力分别为24.3,32.2kPa和28.0kPa,平均值为28.2kPa。

表3 冲击钻孔灌注桩侧摩阻力计算Table 3 Skin friction of impact drilling filling pile

3.3.2旋挖钻孔灌注桩

绘制试桩不同荷载下桩身轴力随深度分布曲线如图6所示。从图6可知,桩身轴力曲线大致呈线性分布,桩身轴力随深度增加而线性减小,表现出摩擦桩特征,当桩顶荷载较小时,仅基桩上部产生轴向压缩使桩土产生相对位移,进而产生桩侧摩阻力,随荷载增加,竖向荷载克服侧摩阻力沿桩身向下传递。最大加压荷载下,桩身24m处轴力基本降为0,表明该深度以下桩侧摩阻力和桩端阻力均未发挥,进一步说明试桩未达到破坏状态。

图6 旋挖钻孔灌注桩桩身轴力随深度变化曲线Fig.6 Curve of axial force variation with depth of rotary excavation bored pile

根据轴力计算②灰泥混珊瑚礁碎块和③块状礁灰岩的极限侧摩阻力,结果如表4所示。从表4可知,②灰泥混珊瑚礁碎块极限侧摩阻力变化范围为200.5～335.6kPa,平均值为220.5kPa,方差为14.8kPa,变异系数为0.067;③块状礁灰岩极限侧摩阻力变化范围为292.7～327.6kPa,平均值为307.3kPa,方差为14.8kPa,变异系数为0.048。此外,考虑到桩周地层主要为②灰泥混珊瑚礁碎块和③块状礁灰岩,计算3根试桩21m深度内的平均极限侧摩阻力分别为233.8,228.9kPa和216.8kPa,平均值为226.5kPa。

表4 冲击钻孔灌注桩侧摩阻力计算Table 4 Skin friction of rotary excavation bored pile

3.4 冲击钻孔与旋挖钻孔灌注桩对比分析

统计相同桩长、桩径下冲击钻孔灌注桩与旋挖钻孔灌注桩承载特性,结果如表5所示。从表5可知,旋挖钻孔灌注桩抗压极限承载力和抗压承载力特征值均是冲击钻孔灌注桩的2.85倍,而对应的桩顶沉降量,旋挖钻孔灌注桩仅为冲击钻孔灌注桩的0.39倍。旋挖钻孔灌注桩在②灰泥混珊瑚礁碎块、③块状礁灰岩以及全桩长范围内的极限侧摩阻力分别是冲击钻孔灌注桩的6.72倍、7.82倍和8.03倍。

表5 冲击钻孔与旋挖钻孔灌注桩承载特性对比Table 5 Bearing characteristics comparision of impact drilling filling pile and rotary excavation bored pile

综上,旋挖钻孔灌注桩的施工周期和充盈系数均小于冲击钻孔灌注桩,但旋挖钻孔灌注桩的承载特性均优于冲击钻孔灌注桩。现场开挖冲击钻孔灌注桩发现桩周存在较厚泥皮,厚度一般为5～10mm,因此可以推测冲击钻孔灌注桩承载特性低于旋挖钻孔灌注桩的原因主要是冲击成孔过程中在孔周产生了过厚的泥皮,其大大降低了桩周地层的侧摩阻力,从而使桩基抗压承载力降低,桩顶沉降量增加。

4 结语

本文通过现场静载试验,研究了珊瑚礁灰岩地区冲击钻孔灌注桩和旋挖钻孔灌注桩的承载特性,得到以下结论。

1)冲击钻孔灌注桩的成孔时间约为4d,充盈系数为1.37;旋挖钻孔灌注桩的成孔时间约为4h,充盈系数约为1.26;桩长、桩径相同时,冲击钻孔灌注桩的施工时间和充盈系数分别是旋挖钻孔灌注桩的24倍和1.09倍。

2)冲击钻孔灌注桩桩端阻力随桩顶荷载增加而增加,表现为摩擦端承桩特性;旋挖钻孔灌注桩桩身轴力随荷载增加逐渐向下传递,表现为摩擦桩特性。

3)旋挖钻孔灌注桩的承载特性明显优于冲击钻孔灌注桩,其极限抗压承载力、单桩抗压承载力特征值是冲击钻孔灌注桩的2.85倍,其桩长范围内极限侧摩阻力平均值是冲击钻孔灌注桩的8.03倍。

4)造成冲击钻孔灌注桩承载特性较差的原因是冲击成孔过程中在孔周形成了较厚泥皮,其大大降低了桩周地层的侧摩阻力。