泥岩地基及嵌岩灌注桩的承载特性试验

张亚妹， 秘金卫， 白晓宇*， 闫楠， 桑松魁， 林振华， 王波， 陈吉光， 何来胜

(1.青岛理工大学土木工程学院， 青岛 266520； 2.中铁建投(青岛)城市开发建设有限公司， 青岛 266031； 3.中建八局第二建设有限公司， 济南 250014； 4.中国建筑第五工程局有限公司， 长沙 410004)

泥岩属于沉积岩，是一种层理不明显的块状黏土岩，在中国各地广泛分布。泥岩生成的地质年代一般在白垩纪或以前，但也有第三系泥岩，第三系泥岩的工程性质相对较差。白垩系王氏群泥岩[1]位于青山群或大盛群之上、第三系之下的一套红色碎屑岩系，可分为5个岩性组合，自下而上分为林家庄组、辛格庄组、红土崖组、金岗口组及胶州组，主要分布在青岛胶州市及城阳区，其中城阳区分布的含砂偏多。当泥岩含砂时，勘察阶段定名为砂质泥岩或粉砂质泥岩，甚至定为泥质粉砂岩，但是，当含砂量增大，超过一定限值，更多地显示出砂岩的性质时，就应该另当别论了。

随着中国经济建设的不断发展，与岩体密切相关的工程建设规模越来越大，工程岩体稳定性问题日渐突出，众多专家学者都将泥岩的蠕变特性作为研究重点，产出了一批有价值的研究成果[2-4]。此外，通过对泥岩力学特性的研究也是预防泥岩失稳的有效措施之一[5-7]。于怀昌等[8-9]为研究粉砂质泥岩常规力学特性，对饱和粉砂质泥岩进行了常规三轴压缩试验，得出了其力学特性试验结果。

对于泥岩的工程特性，已有部分学者对泥岩地基打入桩进了初步研究，依托于实际工程，开展了大量的静载荷试验，取得了一些有益的研究成果[10-12]。陈章楷等[13]开展了抗拔静载试验，验证了动测试验结果，研究了强风化泥岩桩基的承载能力。王卫东等[14-15]对武汉绿地中心某微风化地基嵌岩桩开展了静载荷试验，明确了嵌岩桩的荷载传递机理和承载特性，指出嵌岩桩荷载-位移(Q-s)曲线为缓变型。陈开伦等[16]利用图解法研究了嵌岩桩Q-s曲线极限承载力判定取值问题。周洁等[17]系统研究了工程实践中嵌岩单桩承载力计算方法。胡启军等[18]研究分析了干孔沉渣和湿孔沉渣对泥岩地基单桩承载特性的影响规律。牟洋洋等[19]在青岛某强风化泥岩地基上开展了天然地基和水泥粉煤灰碎石桩复合地基静载荷试验，得到了天然地基和复合地基的变形特性和承载性能。苗德滋等[20-21]对青岛地区某强风化泥岩地基嵌岩桩开展了静载荷试验，通过嵌入持力层为硬岩、泥质软岩和硬质土中打入桩的Q-s曲线，探明了嵌岩桩变形特性与岩土体强度的关系。

综上所述，目前对泥岩力学特性的研究仅限于室内力学试验或现场泥岩地基中桩基静载荷试验，鲜见采用室内试验与现场原位试验相结合的方法对泥岩地基的承载性能和变形特征进行综合评价。因此，现基于青岛地区某工程试验场地，开展泥岩地基的原位测试、现场灌注桩静载荷试验、泥岩室内物理力学试验，综合分析泥岩的工程性质、承载特性、变形及强度特性，揭示泥岩地基及其嵌入风化泥岩中灌注桩的承载机制。

1 泥岩的物理力学试验

1.1 泥岩的矿物组成及物理性质

泥岩工程性质在很大程度上取决于其微观组成，泥岩的黏土矿物是主要成分，试验选取泥岩打入桩试验场地的土进行颗粒分析以及其他物理指标试验，试验结果如表1所示。

表1中两个钻孔都位于试桩边，深度在桩端位置，两个钻孔的指标相差不大。其中黏土矿物(指小于0.005的粒度)的含量并未超过50%，所以并不是典型的黏土岩，或者说，带有一定的砂性。表1中土样的自由膨胀率为32%～37%，小于40%，说明不是膨胀性岩。

泥岩的水理性质方面，其透水性不强，但浸水后强度降低较明显，具有遇水软化性质；泥岩有着膨胀性和崩解性，尤其是大量含有细粒黏土矿物的泥岩，遇水后更容易产生膨胀和崩解，严重威胁岩土工程的安全[22-24]。钟志彬等[25]曾通过室内原状岩样的浸水物化膨胀性试验，揭示了川中红层非膨胀(或弱膨胀)泥岩在浸水条件下的时效变形特征。李永志等[26]对不同含水率的重塑样、黏土单矿物样、配土样进行直剪试验，得到了膨胀性红层泥岩在不同含水率状态下抗剪强度的变化规律。泥岩的水理性质对桩的承载力影响不容忽视。

表1 泥岩土工试验结果Table 1 Mudstone geotechnical test results

1.2 泥岩的力学性质试验指标

泥岩地基打入桩试验场地在打桩前未扰动状态下全风化泥岩的室内力学试验结果如表2所示。表2中，剪切试验采用直接剪切试验中快剪的方法，压缩试验采用快速固结法，最大固结压力为400 kPa。

对于泥岩的强风化及中风化带，室内试验无法作出直剪和压缩性指标。岩芯取样抗压试验也难以进行，岩土工程勘察报告中仅给出中风化泥岩的岩芯点荷载试验结果，如表3所示，因为点荷载选用岩块进行试验，推算抗压强度偏高。

2 泥岩的原位测试及静载试验

2.1 标准贯入试验

白垩系以前的中生代泥岩，标准贯入试验(SPT试验)锤击数较高，强风化泥岩有时可达到50击；白垩系的锤击数稍低，第三系泥岩最低，强风化带SPT击数一般仅为15～30击。贾维瑞等[27]结合安徽省地方标准，对白垩系和第三系泥质粉砂岩、粉砂质泥岩提出划分标准，中等风化泥岩N63.5≥80击，实际应用时还可以通过剪切波速划分。

本试验场地在打桩前进行现场勘察时，中风化岩层未进行SPT试验，仅在强风化泥岩中开展SPT试验。现场钻探显示，强风化泥岩的下部岩芯呈碎块-块-短柱状，软硬不均。在该层进行SPT测试90次，其中8次的标准贯入锤击数介于82～150击，参考文献[27]的划分标准，N63.5≥80击，不参与本次统计，其余82次的标准贯入试验结果如表4所示。

根据表4的标贯结果分析：①该场区泥岩的强度表现出非均匀性，标贯击数差异较大，这也是后面分析桩的承载力所必须考虑的；②强风化层有些标贯击数偏高，个别达到150击，属于互层或夹层，因此标准贯入锤击数超过80击的不再2本次试验的统计范围。可见，泥岩地基的不均匀性，可能是导致其承载力差异的主要原因之一。

2.2 泥岩地基承载力静载试验

2.2.1 试验方法及试验过程

在泥岩地基上进行静载荷试验最能反映其承载能力。在试验场地周边的另一处工程场地进行了全风化、强风化及中风化砂质泥岩的静载荷试验。全风化、强风化泥岩静载荷试验圆形承压板直径为80 cm、面积为0.5 m2，个别方形承压板边长为50 cm、面积为0.25 m2，中风化泥岩静载荷试验的圆形承压板直径为30 cm、面积为0.07 m2。试验方法均采用慢速维持荷载法，由压重平台提供反力。

全风化、强风化泥岩现场静载试验过程如图1所示，中风化泥岩现场静载试验过程如图2所示。

图1 全风化、强风化泥岩静载试验现场Fig.1 Static test site of fully weathered and strongly weathered mudstone

表2 全风化泥岩室内力学试验结果Table 2 Results of indoor mechanical test of fully weathered mudstone

表3 中风化泥岩岩芯点荷载试验结果Table 3 Results of core point load test of moderately weathered mudstone

表4 试验场地SPT试验结果Table 4 SPT test results of test site

图2 中风化泥岩静载试验现场Fig.2 Weathered mudstone static load test site

2.2.2 试验结果分析

本次泥岩静载试验选取了4个全风化泥岩静载试验点，3个强风化泥岩静载试验点以及3个中风化泥岩静载试验点，图3和图4分别分析了全风化、强风化泥岩静载试验的荷载-位移(P-s)曲线和位移-时间对数(s-lgt)曲线，图5分析了中风化泥岩静载试验的P-s曲线，并标示出对应的载荷板面积和形状。试验结果可为研究泥岩地基打入桩在荷载作用下的受力性状提供依据[25]。

通过分析全风化、强风化及中风化泥岩的P-s曲线和s-lgt曲线，主要得出以下试验结果。

(1)由图3可以得到全风化泥岩各静载试验点承载力特征值fak及变形模量E0：试验点TF01的地基承载力特征值为240 kPa，变形模量为13.6 MPa；TF02的地基承载力特征值为240 kPa，变形模量为12.6 MPa；TF03的地基承载力特征值为300 kPa，变形模量为18.6 MPa；TF04的地基承载力特征值为240 kPa，变形模量为7.7 MPa。

(2)由图4可以得到强风化泥岩各静载试验点承载力特征值fak及变形模量E0：TF05的地基承载力特征值为480 kPa，变形模量为54.01 MPa；TF06的地基承载力特征值为352 kPa，变形模量为19.28 MPa；TF07的地基承载力特征值为480 kPa，变形模量为67.05 MPa。

(3)由图5可以得到中风化泥岩静载试验发生陡降的前一级荷载(极限荷载)和沉降量：试验点TF08的极限荷载为5 286 kPa，沉降量为6.93 mm；TF09的极限荷载为4 714 kPa，沉降量为9.72 mm；TF10的极限荷载为3 429 kPa，沉降量为17.04 mm。

图3 全风化泥岩静载试验曲线Fig.3 Static load test curve of fully weathered mudstone

图4 强风化泥岩静载试验曲线Fig.4 Static load test curve of strongly weathered mudstone

图5 中风化泥岩静载试验曲线(圆形，0.07 m2)Fig.5 Weathered mudstone static load test curve(The loading plate area is 0.07 m2 and the shape is round)

(4)全风化及强风化泥岩地基各试验点地基承载力特征值均在P-s曲线中标注。综合分析图3～图5发现，该场地泥岩全风化带及强风化带的P-s曲线基本呈缓变型，初始曲线呈线性变化，变化斜率较小，随着荷载增加，变化斜率逐渐增大；随着时间的增加，全风化及强风化泥岩s-lgt曲线基本与水平坐标轴平行，个别试验点如TF01、TF02和TF04在荷载较大时，随着时间的增加，变形突然增大。而泥岩中风化带在破坏时发生了压裂及隆起现象，P-s曲线初始呈线性变化，当荷载增大到某一荷载，曲线变为陡降型，且变异性较大。

3 泥岩地基灌注桩承载力静载试验

3.1 试验方案

为了全面了解泥岩的工程性质和承载力问题，在泥岩静载试验同区域内进行灌注桩的静载试验，并且在灌注桩钢筋笼上安装了钢筋应力计。

试验场地共进行了9根嵌岩灌注桩的静载试验。试桩直径均为1.0 m，桩长为9.8～13.5 m，场地主要分布粉砂质泥岩，试桩的桩长及岩土层分布如表5所示。

桩的静载试验采用锚桩法提供反力，加载等级为12级。

桩身内力测试的目的是了解各岩土层摩阻力对单桩承载力的贡献，为设计提供参考依据。各试桩在6个截面上安装钢筋应力计，即：①桩顶地面附近截面处，此断面为标定断面；②土层与全风化泥质粉砂岩的界面处；③全风化泥质粉砂岩与强风化泥质粉砂岩的界面处；④强风化泥质粉砂岩与中等风化泥质粉砂岩的界面处；⑤中等风化泥质粉砂岩的界面至桩底端的1/2距离处；⑥桩底端界面处。

表5 试验桩施工桩长与桩侧岩土层分布Table 5 Test pile construction pile length and pile side geotechnical layer distribution

灌注桩的每个横截面均匀布置4个钢筋应力计，每根试桩共计24个。每个截面钢筋应力计在4个方向对称安装。

3.2 试验加载及结果

试验加载：前期4根试验桩最大加载至10 800 kN，因试验桩未达到破坏，后期5根试验桩最大加载量提高至12 960 kN，也未破坏。各试桩的试验结果如表6及表7所示。

需要指出的是，由于各试桩均未加载至破坏，竖向承载力仍有富余，以上各试桩桩侧摩阻力及桩端阻力未完全发挥，仅是中间值，不是最后的“真值”。

表6 各试桩竖向抗压静载试验结果Table 6 Test results of pile vertical compressive static load

表7 不同岩土层桩侧阻力和桩端阻力Table 7 Pile side resistance and pile end resistance in different soil layers

这与本地区其他嵌岩桩的应用现状是一致的，即静载试验几乎没有加载到破坏的，除非个别桩存在诸如沉渣、夹泥、断桩、桩头处理不佳等施工质量问题。

3.3 试验结果分析

前4根试桩最大加载至10 800 kN，后5根试桩最大加载至12 960 kN，从前4根和后5根试桩分别选取1根试桩的静载试验曲线进行分析。图6为TP01和TP03试桩的静载试验曲线。

各试验桩加载至最大荷载时均未出现破坏，由图6可知：试桩TP01和TP03的最大沉降量均小于10.80 mm，沉降较小；随着时间和荷载的增加，试桩沉降量均匀变化，各试桩的竖向抗压极限承载力值均不低于最大加载值；随着荷载的增加，试桩TP01和TP03的Q-s曲线均呈抛物线型稳定变化趋势。由试桩TP01和TP03桩基静载试验的s-lgt曲线可以看出：试桩TP01加载初期曲线存在明显的压密实段，这可能是桩头未处理好，存在低强度混凝土；TP01加载至5 400 kN以及10 800 kN时，TP03加载至5 400 kN时，Q-s变化曲线斜率突然增大，由TP01和TP03的s-lgt曲线可以看出，在加载至6 480 kN和11 880 kN时延长了监测时间，结果表明Q-s曲线基本按原斜率继续变化，究其原因可能是桩基在加载到某一荷载下，泥岩地基发生了较大的沉降，从而引起桩基发生较大沉降，或受到地层扰动及环境因素的影响等。

4 结论

(1)本试验场地泥岩中黏土矿物含量未超过50%，所以并非典型的黏土岩，即含有一定数量的砂，且自由膨胀率小于40%，表明不是膨胀性岩。泥岩不均匀，标贯击数差异很大，强风化层个别标贯击数达到150击，说明存在软硬不均的互层或夹层。

图6 桩基静载试验Fig.6 Pile foundation static load test

(2)通过泥岩地基静载试验，得到本试验场地全风化泥岩地基承载力特征值和变形模量。该场地泥岩全风化及强风化带地基的P-s曲线基本上属于缓变型，而中风化带在破坏时发生了压裂及隆起，P-s曲线呈陡降型，而且变异性较大。

(3)9根试桩静载试验均未发生破坏，桩侧摩阻力和桩端阻力未完全发挥，仍具有一定承载潜力。试验桩基的Q-s静载试验曲线基本呈直线型稳定变化趋势，且整体沉降较小。