基桩桩端下卧软弱夹层（煤夹层）承载能力研究与应用

基桩桩端下卧软弱夹层（煤夹层）承载能力研究与应用

李永通

广西壮族自治区建筑工程质量检测中心 广西南宁 530005

【摘 要】南宁作为广西第一发展城市，高层建筑更是如雨后春笋般拔地而起，桩基础也就成为了这些高楼建筑的基础首选。南宁地质条件总体较好，桩端基本以中风化泥质岩层作为持力层，本文基于工程实际，研究基桩桩端下卧软弱夹层（褐煤）时，通过有限元软件模拟煤夹层厚度为1.0m，距桩端为2.0m工况下，基桩周边及其桩端的整体变形特性研究，采用单桩静载荷试验检测方法进行验证模拟的可靠性。

【关键词】软弱夹层；有限元模拟；承载力；单桩静载荷试验

1 引言

万丈高楼平地起，时代在发展，科技在进步，建筑高度也履创新高。在不断发展新高的同时，对地质条件的勘察要求也越来越细致，勘察深度也越来越深，南宁盆地下卧有几千平方公里的古近新系煤层，主要以褐煤为主，黑色，夹存于粉砂质泥岩层，强风化质泥岩和中等风化泥岩中，分布极不均匀，层厚为0.2m～2.0m不等，单层厚度一般小于0.1m，属薄层状。质轻，强度低。属软弱岩层，钻进时大部分被机械磨成粉砂桩和泥浆状。煤层埋深一般比较深，在工程处理中很难全部清除换填，在既有条件下需要做大量的工程试验研究去判定是否能作为桩端持力层使用，本文主要研究褐煤在距桩端3倍桩身直径或5m深度范围时，不同条件下的基桩承载能力和变形特性研究、并结合实际有条件工况下的基桩进行单桩静载荷试验。

2模型的建立及其参数取值

采用有限元软件进行模拟基桩距桩端3倍桩身直径或5m深度范围存在软弱下卧层（煤夹层）条件下。得到的结果分析有：

①桩端的整体变形及云图；

②任意节点和边界、单元的变形情况；

③出具变形与不同工况下的关系图；

2.1 边界条件

据参考文献^[1,2]的相关模拟研究的假定条件，通过《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）8.5.3条第三款的描述^[3]：桩底进入持力层的有效深度，一般可取其桩身直径的1至3倍。在施工过程中桩底确定进入持力层深度范围时，同时考虑特殊土和岩溶以及液化等产生的影响。嵌岩端承灌注桩嵌入完整和较完整硬质岩体的最小深度，不宜小于0.5m。

结合地基基础变形计算的附加应力公式，根据式(2-1)、(2-2)所示：

上式中：

—与力作用的水平影响距离；

—为力作用影响下的竖直距离；

综合以上主要规范要求及影响参数得出模拟的边界条件：

①横向：1至2倍的桩长范围，取1倍桩长12.00m。

②竖向：距桩端3倍桩身直径或5m深度范围，上端为自由端，下端为固定端。结合工程实际及图2-1曲线判断，桩端以下影响深度取4.0m。

图1 变形深度影响曲线

2.2 参数取值

本工程桩身采用旋挖钻孔灌注桩，采用线弹性模型，桩径为800mm，混凝土强度等级为C30，弹性模量为 ，泊松比0.17，自重为 ，单桩抗压承载力特征值为4700KN。采用摩尔-库伦破坏准则，采用非线性弹性的 。

根据现场勘察钻探记录，该工程场地由上而下分布有：第四系人工堆积层的杂填土；第四系更新统望高组河流冲积的粘土、粉质粘土，下伏基岩为第三系北湖组湖相沉积的泥岩。现自上而下分述如下：

(1)粘土 黄红色，以粘土为主，夹有棕黄、灰白色网纹状粉质粘土，无光泽，粘性及韧性好，干强度高，该层场地均有揭露，揭露厚度1.60m～6.80m，平均厚度为3.4m。

(2)粉质粘土，灰黑色，局部为青黑色，土芯在自重作用下可变形，用手可轻易揉搓成各种形状，有磨砂感，粘性差，近粉土状，该层场地均匀揭露，揭露厚度为1.40～8.30m，平均厚度为4.0m

(3)中等风化泥岩灰白色、灰色～灰黑色，岩芯较完整，岩芯呈长柱状，岩芯切面光滑，锤击声哑，有凹印，指甲可刻画出痕迹，岩芯用手不易折段，粘性较好。单层厚度0.5m～5.0m，平均厚度为3.0m。

（4）泥煤岩夹层煤，黑色，层厚为1.0m～2.0m不等。质轻，强度低。

2.3 模型的建立

本工程煤夹层厚度选取1.0m最不利条件，选取距桩端为2.0m工况下进行，得到如下的模型：

图2 煤夹层厚度为1.0m，距桩端为2.0m

2.4 计算结果

计算得出如下图所示结果：

图3 煤夹层厚度为1.0m，距桩端为2.0m的变形情况

从图中可以看出：

横向：应力扩散较明显，对周边桩间土有一定的应力影响，可以在施工过程中通过周边相邻的基桩所产生的挤压土效应消除大部分的应力扩散影响；

竖向：桩端的变形较集中，主要集中在桩端两侧，由于应力的扩散效应，到达桩端底部时已消散了大部分的应力影响，变形效果不显著，至煤层的应力扩散不明显，整体对下卧软弱层影响较小。

综上，无论是横向的影响或是竖向的影响，在外力的影响下应力的扩散都对他们有影响，图中可以看出，主要是竖向的影响比较关键，应力云图上显示，应力线最大的影响深度在桩端以下1m范围内，这与规范要求的端承嵌岩桩必须进入完整岩石1倍桩径范围内相吻合。软弱层在桩端下1倍范围外影响并不是很大。

2.5 工程应用

基桩静载荷试验是能检验单桩竖向抗压极限承载力能否达到设计要求承载力的唯一检测方法，它是目前最为准确、可靠的检验方法，是设计进一步优化的依据。静载荷试验加载

装置是通过千斤顶的加压产生向上的推力，通过上覆的装置如钢梁、混凝土块等作为向上推力的反力，从而达到千斤顶对桩身的一个压力作用。

试验过程一般为以下方式：

1 加载：加载一般分为10级加载，采用逐级等量进行加载，每级加载过后需测读一段时间，一般为2小时左右，直至加载到所需的最大加载值。

2 卸载：当基桩加载到最大要求的加载值后，如果在1小时内沉降不超过0.01mm，且出现两次的情况下，可以终止加载，达到卸载条件，同时卸载与加载不同，一般分2级进行卸载，直至为0。

本次现场试验静载试验压重平台及检测结果曲线如下图所示：

图4 现场试验静载试验压重平台

图5 荷载-沉降、沉降-时间对数曲线

2.6 检测结果分析

通过曲线可以看到本试桩，当试验荷载加至9400kN，历时120min观测，加载的力值已达到设计要求（承载力特征值的2倍）且达到前述的稳定标准，此时桩顶总沉降量为7.21mm，停止加载，然后在进行卸载到零，通过上述荷载-沉降、沉降-时间对数曲线来分析,本次所检测的工程桩，没有出现明显拐点，尾部未出现明显向下弯曲的现象，综合分析承载能力极限值达到设计承载力要求。

3 结语

综合模拟情况及实际工程检验可以得出这样一个结论：中风化泥岩受地下水的作用比较明显，在前期勘察过程中或者后期的桩基施工过程中，只要不破坏泥岩或软弱夹层的原有地质构造和周边围岩环境的情况下，桩端以下1倍桩径范围外存在软弱夹层，对基桩本身不构成承载能力的影响。同时本论文研究应用范围较窄，基于实际工程应用的限制仅进行了煤夹层厚度为1.0m，距桩端为2.0m的工况下的研究和应用，单从这个成果中我们可以推导出煤夹层厚度为1.0m时，距桩端2.0m至3倍桩身直径或5m深度范围，是不需要对煤夹层这一软弱层进行处理的，往后的研究可以更加倾向于厚度的增减等更多的工况。

工程数值模拟可以对工程实际应用做一个提前预判，对于指导和应用工程实际有重要的意义，基桩工程无论在施工还是检测阶段都面临着极其复杂的地质环境及条件的约束，合理和灵活运用既有的条件和技术，不仅可以节约施工成本、缩短工程进度，更加能够做到对整个工程项目的顺利开展，创造更多的剩余价值。岩土工程是一门灵活而有趣的专业技术，探知地底下未知的世界，不断创新和研究能对经济发展有重要的推动作用。

参考文献：

[1]李永通.南宁盆地灰色泥岩中煤夹层的承载特性研究[D].广西大学.2013.

[2]彭凯,张信贵,王元龙.南宁盆地煤层力学特性研究及工程应用[J].土工基础,2010,24(2):72-76.

[3]彭凯,荣绍洋,张信贵,等.煤夹层地质条件下单桩承载特性分析[J].桂林理工大学学报,2010,30(1):75-77.

作者简介：李永通（1988-），男，福建福鼎人，工程师，研究生学历，主要从事地下岩土工程、检测工程与研究。