确定软岩地基桩基承载力参数的方法与应用

摘要：南水北调中线一期工程输水总干渠第三系软岩地基占线路总长的68%，桩基数量为国内外土建工程之最。由于软岩具有易扰动性的显著特征，软岩地基和桩基力学参数获取的手段单一并存在欠陷，导致参数取值的不确定性，在此情况下，带来设计指标估计有较大富余，对工程投资影响巨大。因此现阶段研究软岩地基桩基承载力特性工作显得尤为迫切。文章介绍了采用模拟桩极限侧阻力试验、自平衡试桩法等获取参数的新方法以及其成功应用工程的实例；并简要介绍了离心机模拟试验、计算机数值仿真技术、桩基动力检测方法以及提高桩基承载力的新方法。建议不失时机地将这些新方法应用于设计和施工方案的优化，控制基础的不均匀变形，缩短工程周期，减少设计变更。

关键词：南水北调中线；软岩地基；桩基；承载力

中图分类号：TU471

文献标识码：A

文章编号：1672-1683(2008)01-0120-04

New Methods for Determination Bearing Capacity Parameter of Pile Foundation in Soft Rocks and Its Application

BIAN Zhi-hua，WEN Song-lin，PANG Zheng-jiang，ZHANG Li-jie

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China)

Abstract：Soft rock foundation length of the water distribution main channel in Mid-Route of the South-to-North Water Diversion is 68% of the total.Number of pile foundation is the largest in domestic and overseas civil engineering field.Mechanical parameters can not be gained exactly because the means gaining them is defective.It makes project investment increase greatly.New methods of ultimate pile side resistance simulation test and self regulation test pile are demonstrated in the paper.And application of the new methods is introduced.Centrifuge simulation experiment，the computer simulation technology，the pile foundation power examination method and new construction methods improving bearing capacity are demonstrated.It is suggested that all the above new methods are applied in design and in optimizing construction scheme to control unequal foundation settlement，shorten project time and cut down design alteration.

Key words：South-to-Route Water Diversion Midline；soft rock foundation；pile foundation；bearing capacity；new method

1 前 言

南水北调中线一期工程输水总干渠软岩分布广泛，涉及软岩地基的区段长度达968.97 km，占线路总长68%，主要分布在陶岔至古运河沿线，主要由第三系黏土岩、砂岩、砾岩和泥灰岩等软弱岩体组成。总干渠交叉建筑物众多，分为左岸排水建筑物、河渠交叉建筑物、公路交叉建筑物、铁路交叉建筑物和控制建筑物以及隧洞泵站等，共1 796座。排洪(水)渡槽、梁式渡槽、公路桥和铁路桥基础大部分采用桩基，排洪(水)渡槽、梁式渡槽、公路桥和铁路桥基础大部分采用桩基，共用桩约70万根，桩基数量为国内外基建工程之最。根据工程地层结构的复杂性，将本工程地层划分为岩体、土/岩体、土体3大结构类型。其中岩体结构类型，又进一步分为块状结构、层状结构两个类别；土/岩体结构类型主要为双层结构类别；土体结构类型进一步分为土体均一结构、双层结构和多层结构3个类别。对于工程荷载高的桩基，主要依靠岩石地基作持力层，软岩因其具有特殊的工程特性，如何合理地评价软岩地基条件下桩基的承载力，关系到全线交叉建筑物的安全和设计优化，对整个基础工程的投资影响重大。

2 主要问题的提出

2.1 软岩的力学特性问题

各种定义的软岩都强调软、弱、松、散等低强度的特点。具有亲水性强、膨胀性、崩解性、季节性冻胀性、流变性等易扰动性的特征。勘探时普遍存在取芯过程中岩芯受到扰动而破碎导致取芯率低，仅能获取完整性较好硬度较高的岩芯，即使取到完整的芯样，岩芯样经过卸荷、风化及取样、运输等过程的扰动，试验得到的力学参数已大大降低。一般的软岩因为成岩时代近，较少经历地质史上各期大的构造运动，岩体比较完整，构造裂隙不发育，软岩岩芯的强度和变形指标大大低于原位状态下岩体的强度和变形指标，因此软岩的岩体完整性指数可大于1。硬岩力学特性恰恰相反，由于小尺寸范围的岩芯以完整岩石为主，岩石硬度高而不易扰动，岩体由于包含构造裂隙的影响，岩体的强度和变形指标小于岩石(芯)的强度和变形指标，因此硬岩的岩体完整性指数一般小于1。软岩芯样试验的力学指标经折减后应用于工程设计的合理性存在一定问题，特别是极软岩的力学指标经不起再减折。

2.2 研究手段单一性和欠陷

在本工程可行性研究勘察设计工作中，软岩的力学参数仅限于取钻孔岩芯样进行试验来获取，主要依据岩石单轴抗压强度标准值确定，在利用岩块的单轴抗压强度计算地基承载力时按其坚硬程度、风化程度、完整程度作了不同程度的折减，以使其符合岩体不甚完整时的情况。对于桩侧极限摩阻力几乎未进行任何试验，通常采用估计和经验提出设计指标。无论是国家规范还是行业规范仅给出了土层桩基极限侧阻力参数推荐值，而岩石地基桩基极限侧阻力参数推荐值尚为空白。

在工程施工中进行试桩往往与勘察设计工作脱离，一般仅能达到验证设计指标的目的。传统静载试验的装置停留在承重平台或锚桩反力架之类的形式上，大吨位桩试验往往无法进行，静载试桩得到的P～S曲线往往达不到极限阶段，以至许多大吨位桩基得不到准确的承载力数据，桩基的潜力不能充分发挥。

目前的勘察设计工作是按现行规范的要求进行的，对于超出常规的工作，缺乏必要的科研投入和创新，在已开工的工程项目中存在桩基工程设计变更，导致增加工程投资，影响了工程进度。

2.3 参数取值的现状

从本工程可研总报告[1]可见，工程区采用软岩的力学参数指标为：承载力标准值( f_k )为150～470 kPa，软岩地基条件下桩基允许承载力参数取值很低，桩端极限阻力一般小于1 000 kPa，桩侧极限摩阻力一般小于100 kPa。典型代表建筑物湍河梁式渡槽设计采用指标：桩基极限侧阻力( q_qk )为70～120 kPa ，桩基极限端阻力( qsk)880～1 700 kPa。鉴于目前的研究现状，对于软岩地基与桩基力学参数取值缺乏依据，存在较大的不确定性，造成设计极大的保守，由于本工程桩基工程量巨大，桩长等设计指标估计大大的富余，工程投资也成相应规模的增加。

3 新方法的应用

3.1 模拟桩极限侧阻力试验

该方法由长江科学院首创，根据岩石力学原理，以研究桩基础主要持力层的岩体力学性质来科学评价桩基础的承载力特性，这种方法实际上是水工建筑物基础岩石力学性质研究方法的延伸，试验的目的为获取主要持力层介质的力学参数。该方法已在四座长江公路大桥第三系软岩地基桩基工程优化设计中得到成功应用。试验原理见图1，由于目前设计中软岩桩侧极限摩阻力取值存在较大潜力，试验段岩层拟选择桩基持力层中性状最差或较差的岩层为主，试验成果确定桩侧某部分或主要持力层的桩极限侧阻力参数。实践证明，这种简化虽然保守，但可以较准确得到桩极限侧阻力特征值。试验时模拟桩侧岩体的受力均匀分布，参数取值依据压力(P)与桩体沉陷位移(S)曲线(P～S)得到极限强度、屈服强度、比例界限值，以地质单元相同的1组试点中比例界限的最小值为桩极限侧阻力特征值。

图1 模拟桩极限侧阻力试验安装示意图

the setting sketch plan of simulation pile limit side resistance experiment

计算公式如下：

该试验方法本身的原理简单明了，直接获取桩侧极限摩阻力参数。试验成本低，不到静力试桩费用的10%～20%。研究方法具有前瞻性，试验可提前在可行性研究、初设、施工图设计前开展，而不必等到施工阶段才进行，与勘探设计工作互为一体。取得试验成果后，不必再进行现场静载试桩。该方法应用于工程实例如下。

(1)1990年，铜陵长江公路大桥，机钻桩孔，泥浆护壁，3 m灌注桩，初设桩长90 m，基础为疏松砂砾岩等第三系软岩，岩芯天然单轴抗压强度小于1 MPa，因基岩条件差，市区桥址一直不能确定，工程前期开展现场静载试桩(锚桩方案)失败，应用本试验方法，对模拟桩进行泥浆护壁进行模拟桩极限侧阻力试验，提出如下试验成果(建议值)[2]：桩基极限端阻力8.5～9.5 MPa；桩极限侧阻力0.15～0.45 MPa。采用试验成果显著优化了初设指标，在市区最佳位置选定桥址而不受基础地质条件的影响。

(2)1997年，南京长江第二大桥南汊桥，主孔跨径628 m，机钻桩孔，  3 m清水灌注桩，设计桩深最长90 m，桩侧摩阻力承受90%工程荷载，设计单桩最大承载力达120 000 kN。基础为砾岩、砂砾岩(极软岩)，由于是深水中超长桩，现场无条件进行静载试桩。应用该方法得到如下试验成果[3]：桩基极限端阻力0.6～2.4 MPa(分不同风化带)；桩极限侧阻力0.25～0.45 MPa(分岩性和不同风化带)。以此试验成果为依据确定利用弱风化带为主要持力层，桩尖嵌入微风化带5 m。2个墩基共48根桩，每根缩短10～15 m长，缩短桩长总量为646 m，直接减少建设费约1 300万元，节省静载桩试验经费100多万元，且减少了施工的难度和风险，单桩施工工期提前30 d。

(3)1998年，夷陵长江大桥，主跨348 m，是目前国内最大跨度的三塔斜拉桥，砂岩和黏土质粉砂岩占桩周面积的47.2%和62%，对性状差的黏土质粉砂岩进行试验[4]，桩基极限端阻力为8～16 MPa，桩基极限侧阻力0.8～1.2 MPa。根据试验成果，施工期未进行静载试桩。

(4)2002年，安庆长江公路大桥，主孔跨径510 m，  3 m清水灌注桩，设计单桩最大承载力达80 000 kN，嵌入基岩的桩长65 m，2个墩共36根桩，总桩长2 340 m，基础为泥钙质胶结—紫红色细粉砂岩。由于是深水中超长桩，采用自平衡试桩法静载试桩费和配套土建费用较高，在工程已开工时间紧迫的情况下，业主选择模拟桩周极限侧阻力试验等岩石力学试验方法，试验用了45 d，保证了施工工期不误。应用试验成果[5]：承载力标准值(允许承载力)2.5～3.0 MPa(分不同风化带)，桩侧极限摩阻力特征值0.25～0.30 MPa；3号和4号主桥墩桩基每根桩长优化设计比施工图设计减短15 m，36根桩共减短540 m，计节省建安费864万元。

针对长江公路大桥桩基持力层为极软岩，由于深水中超长桩静载试桩无法实施，长江科学院采用岩石力学试验研究方法，进行了岩体变形、载荷试验和岩体三轴试验等较为系统的岩体的力学性质研究，通过试验直接获取力学参数指标[6]。试验中配套进行现场和岩块声波测试、岩石物理力学性质室内试验，混凝土与岩石接触面试验，与勘探阶段现场声波测井与岩芯试验成果进行对比分析，对试验段的地质代表性进行评价，揭示了极软岩在不同状态下的工程力学特征，为优化设计提供了科学依据。

该方法应用存在的问题如下。

(1)适用于嵌岩为主的桩基，尚未在土层中应用，由于土层介质的特性与岩体差异较大，其方法和原理的运用尚待尝试。

(2)必须找到桩基础主要持力地层出露部位，地层上有一定厚度覆盖。否则较难实施，且成本和代价提高。

(3)在嵌岩桩的承载力计算时，必须考虑侧阻力、嵌固力、桩端承载力三部分的发挥程度是不同步的力学效应。但本试验的目的仅为获取主要持力层介质的力学参数，无法考虑地基应力水平对侧阻力、端阻力的影响，

3.2 自平衡试桩法

美国于20世纪80年代中期开展了桩承载力自平衡的试验方法，称为Osterberg试桩法，也称为桩端加载试桩法。该法是在桩端埋设荷载箱，沿垂直方向加载，即可求得桩极限承载力。自平衡试桩法巧妙地利用测桩自身反力来平衡施加荷载，省去了静压试验方法中庞大笨重的加载装置，显著提高了测试的效率和精度，有一定程度突破了加载及试验条件限制，提高了加载的吨位。近几年欧洲及日本、加拿大等国也广泛使用该方法。美国加里福利亚大桥试桩的桩径2.7 m，桩长54 m，嵌岩27 m，测得极限承载力达133 MN，为世界之最。1996年后，参考国外经验，东南大学土木工程学院引进了“自平衡试桩法”[7-8]，1999年江苏省制定了地方标准《桩承载力自平衡试桩法技术规程》(DB32/T291-1999)。近5年来在国内桥梁桩基检测中广泛应用，包括润扬长江大桥、苏通长江大桥、杭州湾跨海大桥、南京长江三桥等国家重点工程。润扬长江大桥南汊桥南塔试桩被捡桩最大桩径为2.8 m。最大桩长59 m，嵌岩2.5 m，测得极限承载力达120 MN，为世界第二，中国第一。检测结果用于工程设计中，充分发挥了大直径超长桩基的承载潜能。值得指出的是，国内开展自平衡试验时，将荷载箱放置的位置从桩端拓宽到桩身，测定两个以上土层、嵌岩桩的桩—土—岩共同作用承载力特性的试验方法比较新颖。

该方法的特点如下。

(1)装置较简单，不占用场地，不需运入数百吨或数千吨物料，不需构筑笨重的反力架可多根桩同时测试，试桩准备工作省时、省力、安全；

(2)该法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可清楚的分出侧阻力与端阻力分布和各自的荷载—位移曲线；

(3)试验费用省，尽管荷载箱为一次性投入器件，但与传统方法相比较可节省试验总费用的30%～60%，具体比例视桩吨位与地质条件而定；

(4)由于试验方便，费用低，时间省，该法有利于增加试桩的数量，扩大检测面；

(5)试验后试桩仍可作为工程桩使用，必要时可利用预埋管对荷载箱进行压力灌浆；

(6)在下列情况下或当设置传统的堆载平台或锚桩反力架特别困难或特别花钱时，该法更显示其优势，如水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩、斜桩、嵌岩桩、杭拔桩等，这些都是传统试桩法难以做到的。

该方法应用存在如下问题。

(1)试桩必须在施工时利用工程桩进行，与勘探设计阶段工作脱节，未摆脱沿袭工业民用建筑1∶1原型桩试验的研究模式，在以嵌岩为主的摩擦桩使用该方法，与水利水电工程广泛地采用岩石力学试验研究方法相比显然不足。

(2)试验时上段桩由于施加荷载的方向与实际工程载荷方向相反，上段桩阻力将使岩(土)层减压松散而不是使岩(土)层压密，试验值为抗拔桩承载力必须换算成抗压桩承载力。

(3)工程实际中，桩周岩(土)受力机理并不是均匀分布，从地表向下工程应力不断衰减，上部岩(土)层持力大，下部持力小，或两头大中间小；由于介质的不均匀性和差异，土(岩)层排序不同，极限桩侧阻力的发挥变化较大。试验结果可能反应不到真实状态，必须进行分析计算来转换。

3.3 其它方法综述

桩基动力法检测目前主要有高应变检测法，低应变检测法和超声波检测法，国外最新试桩技术有静动法(Statnamic)[9]，确定桩基承载力主要采用高应变检测法，静动法。动力检测法属于无损检测技术，以振动理论、应力波理论为基础。低应变动力法是通过桩的动刚度和动静对比系数来计算桩的承载力，可以进行大面积检测，但必须依赖静载试验以求取动静对比系数，计算精度较低。高应变动力法要求较大的激振力，使桩相对与桩周土能够产生较大的位移量，激振设备重量一般为桩基设计承载力的5%～10%。同时高应变法计算结果受测试质量、桩土相互作用机理等因素的影响较大[10-11]。近10年来，荷兰TNO公司结合动力法和静力法试验的优点，开发了静动法(Statnamic)，已在欧美、加拿大、日本、韩国、马来西亚及新加坡应用，得到国家政府工程部门承认。该方法是将高应变动测法的荷载脉冲作用时间增大，这样可以不考虑复杂的应力波作用，桩体的应力和位移都与应力波的传播无关，不需要许多假定和一系列参数。目前可以测试的最大承载力量级已达到70MN。该方法对桩基承载力检测技术有很大推动作用，可以说静动法是桩基高应变检测方法的一个进步。结合动、静法的优点，寻求一种快速、简便易行、检测成果可靠的桩基承载力检测方法将是桩基检测未来的发展方向。我国应用高应变动力法较普遍，静动法未采用。

针对现场静载试验存在的一些问题，人们找到了一种有效的手段——离心机模拟试验；大量的试验资料表明：岩土的力学性质呈非线性，且取决于应力水平，即不同的应力水平条件下岩土体的力学特性不同。因此，在进行模型试验时，满足模型应力水平与原型应力水平相等是至关重要的。而只有离心模型试验才能满足这一要求。在离心模型试验中，如果选用原状土制模并使其密度与原型相同，可以使模型几何尺寸缩小n倍.场加速度增大n倍(n为模型比尺)，确保模型每一点应力与原型相同，从而实现用模型表现原型的目的。在桩基工程研究方面，文献[12-14]在离心机上进行了横向受荷桩试验的尝试，并获得较好的效果，从理论和实践上证明离心试验可较真实地模拟现场复杂情况。并准确地预测现场不同桩的反应特性。文献[15]通过离心模型试验对竖向荷载嵌岩桩进行研究，认为现行各种极限侧阻力估算方法均过于保守。文献[16]在离心机上进行桩的横轴向荷载试验研究，分析了单桩和排桩在递增荷载和循环荷载条件下的荷载位移特性和荷载传递特性，以及桩周土体反应。

计算机数值仿真技术已经开始成为岩土工程领域十分重要、甚至是不可缺少的有效工具，具有独特的作用与优势，它不仅精度高、重复性好、通用性强，而且成本低、工期短、工况多、不受场地设备施工条件限制，对于处于地下平时难以直接观察的岩土内部力学状态，有时只有采用数值仿真才能予以详尽展现，对于诸如破坏倒塌失稳灾害之类的特殊分析也只有采用计算机模拟才能进行大量分析尽可能地避免直接实验。对于大直径桩、嵌岩桩直接获得桩的承载力非常困难，而且费用庞大，迫切需要数值模拟加载(仿真)手段替代部分静力试桩。文献[17]基于可视化仿真原理开发编制了竖向荷载与水平荷载作用下单桩性状分析的可视化仿真程序，模拟加载过程中桩身各处位移轴力剪力弯矩以及桩侧摩阻力和桩端阻力的实时动态变化过程。

中国建筑科学研究院地基所于1992年起先后研究开发成功简便可行的桩底、桩侧后注浆技术。该技术不仅可消除沉渣、泥皮影响，而且可使桩侧桩端一定范围的土体得到加固，单桩承载力提高了80%。提高单桩承载力的工程措施除后处理的注浆技术外，最近日本提出了一种GRF工法，对于大直径桩，通过注浆锚杆将桩侧土体与桩体连成一体，使单桩承载力显著提高，同时减小了桩径、桩长，节约了大量混凝土。

4 应用于南水北调中线一期工程的建议

(1)针对软岩原状特性好于扰动岩石的显著特点，通过岩体现场试验研究，直接获取桩基主要持力层桩侧极限摩阻力(q_qk)、桩端极限端阻力(qsk )、地基承载力特征值(fak)、变形特性指标等力学参数。与当前勘察设计工作紧密结合，合理进行参数取值，从而优化结构形式减少桩长和数量，显著减少工程投资。由于各勘察设计单位的经验和采用的研究方法的差异，参数取值缺乏统一的评估、统一的方法、统一的标准，有必要在本工程中进行工程岩体分类，规范和优化参数取值方法，依据典型软岩地层现场试验成果，补充适当的试验工作，建立设计采用软岩力学参数分类取值的推荐表。

(2)通过采用先进的测试方法和研究方法减少静载试桩数量、降低试桩成本、缩短试桩周期。减少工程静载试桩等测试费，节省大量工程建设投资和避免社会资源的浪费，加快工程建设进度。

(3)软岩地基及桩基础试验检测技术发展应与时俱进，南水北调中线一期输水总干渠工程面临难得的机遇，有条件整合资源，通过国内外现行的试验检测方法对比试验研究，创新试验方法，引进先进测试技术，寻找提高测试效率和精度的方法，突破工业民用建筑和交通等行业长期沿袭的研究模式，创新适用于水利行业和本工程的科学及有效的方法，为现行技术标准填补空白和科学技术进步奠定基础。

(4)研究软岩地基桩基础的承载特性，包括荷载传递性状，桩侧、桩端阻力的发挥过程，桩侧摩阻力的分布及发挥机理，通过离心机模拟等特殊试验，结合现场试验资料，研究桩基承载力特性和机理，为工程桩基的设计提供理论依据。建立不同地质结构地层的P～S关系模型库，给不同工程提供用于承载力评价和优化设计的可靠参数。

(5)研究提高桩基承载力的新工法，适应地基施工处理技术快速发展的趋势，针对南水北调中线一期工程线路较长，沿线地质情况复杂的特点，应用最新的桩基基础处理技术，创新性的提出桩基承载力的新工法，通过新工法的现场试验，得到成熟的经验，以指导工程施工应对复杂多变地质条件。控制基础不均匀沉陷，提高桩基基础处理的技术能力和水平。

参考文献：

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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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