3　紅層軟巖長大直徑橋梁嵌巖樁基計算方法

3.1　紅層軟巖概述

紅層是地殼演化到一定歷史階段的產物，遍布于世界各地，從時代上講，自寒武紀到現代各個時期均有出露，國內外學者對此進行過深入的研究。關于紅層的界定，曾昭璇等認為“紅層是從中生代，特別是從侏羅紀到早第三紀的陸相紅色巖系，是丹霞地貌發育的物質基礎”。至于其形成時代，考慮到在中生代以前和晚第三紀也有紅層堆積，故沒有在定義中予以限制。紅層界定依據如下：①偏紅色調；②陸相沉積環境；③碎屑沉積。

紅層在我國分布非常廣泛，與建設工程的關系十分密切：紅層地區在雨季經常發生滑坡、坍塌；紅層坡體開挖常誘發塌滑事故；礦產開采時，可能產生折幫、崩解和膨脹失穩；紅層地區水庫壩址會碰到穩定、滲流問題；場地勘察時，按《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）確定的承載力往往偏低；用作填筑材料時，紅層中黏土礦物對環境水分變化極為敏感而影響其路用性能。許多專家、學者在各自領域對不同地區、不同時代紅層的形成環境、成巖機理及其工程性質評價、利用及處治等諸方面進行了研究，這些成果不僅對工程設計、施工具有指導作用，在巖土工程學科上亦具理論意義。

3.1.1　紅層分類

在工程應用上，紅層歸屬于軟巖。對于軟巖的定義，國內外學者一直存在爭議，引發的定義多達數十種，概括起來有：描述性定義、指標性定義、工程性定義。

（1）描述性定義：相對于堅硬巖層而言的，泛指松散、軟弱的巖層。鄭雨天、王夢恕教授等認為軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變、強風化蝕變及高應力巖體的總稱。

（2）指標化定義：國際巖石力學學會（ISRM）（1990、1993）定義為單軸抗壓強度在0.5～25MPa的一類巖石；G.Russo（1994）定義為單軸抗壓強度小于17MPa的巖石；也有將σc/γh<2的巖石稱為軟巖（σc為單軸抗壓強度、γ為巖石容重、h為深度）。按巖石強度分類的標準見表3-1。

續上表

（3）工程定義：工程上的松軟巖層指“難支護的圍巖”或“多次支護，需要重復翻修的圍巖”。一般地，將松動圈厚度大于1.5m的圍巖稱為軟巖。

在上述定義基礎上，何滿潮教授將軟巖概化為地質軟巖與工程軟巖兩大類。地質軟巖指具有松散、破碎、軟弱及風化膨脹性一類巖層的總稱；工程軟巖指在工程力作用下能產生顯著塑性變形的工程巖體。工程軟巖與地質軟巖之間存在如下關系：當工程荷載相對于地質軟巖（如泥頁巖）的強度足夠小時，地質軟巖不產生軟巖顯著塑性變形的特征，即不作為工程軟巖。只有在工程力作用下發生了顯著變形的地質軟巖才作為工程軟巖。在高深度高壓力下，部分地質硬巖（如泥質膠結砂巖）也可能產生顯著變形特征，也應視為工程軟巖。

從成因上看，軟巖包括原生軟巖、風化軟巖、構造軟巖。

（1）原生軟巖：主要指沉積巖。是由松散沉積物在溫度不高和壓力不大的條件下形成的，是地殼表面分布最廣的一種層狀巖石。根據其成生時代和黏土礦物特征可將原生軟巖分為古生代軟巖、中生代軟巖、新生代軟巖三類。

（2）風化軟巖是由巖石長期受物理、化學等自然因素的作用（風化作用），導致巖體疏松以至松散，物理力學性質惡化而形成的一類巖石。按風化程度分為新鮮巖、微風化巖、中（弱）風化巖、強風化巖及全風化巖。

（3）構造軟巖是由構造應力作用形成的軟巖，包括斷裂帶中的糜棱巖、侵入巖接觸變質形成的軟巖、褶皺作用形成的層間錯動帶等。

根據巖性特性，紅層可分為三個巖類：

（1）黏土巖類：包括黏土巖、泥巖、泥灰巖、泥質頁巖，局部夾細砂巖及透鏡狀的砂礫巖、礫巖。該類巖石結構密實，孔隙率低，是較好的隔水層。

（2）砂巖類：包括泥質粉砂巖、粉砂巖、砂巖、細砂巖。該類巖石有的為泥質、鐵質、硅質膠結，有的鈣質膠結或在巖石中含有碳酸鹽（方解石）、硫酸鹽、石膏或其他鹵化物晶體。

（3）礫石類：該類巖石多為底礫巖，其礫石成分多為下伏地層的巖石，以厚層至巨厚層狀產出，不顯層理或具不清晰的巨厚水平層理，礫石分選性差。

3.1.2　水巖作用

馮啟言等（1994）利用掃描電鏡、X-衍射、壓汞試驗，液壓司服機及力學強度試驗，對兗州、徐州地區侏羅系和第三系紅層的含水量、力學強度、膨脹與崩解等特征及其對建井與開采的影響進行了深入研究。周翠英（2003）等以華南地區“紅層”中的粉砂質泥巖和泥質粉砂巖為研究對象，研究了水溶液pH值及陰、陽離子濃度在不同飽水時間后的動態變化規律，并設計了若干軟巖飽水軟化試驗，探討了不同類型軟巖在不同飽水狀態和飽水時間后微觀結構的基本特征，揭示了不同類型軟巖微觀結構的動態變化規律，為軟巖飽水后力學性質的變化規律和軟化機制研究奠定了微觀學基礎，并對泥質軟巖膨脹與水的物理化學作用及力學作用關系進行了探討。

3.1.3　物理力學性質的相關性

紅層軟巖的一些重要物理力學性質指標間存在較好的相關性。謝蒙、易海強采用回歸分析，分析了紅層巖石超聲波成果與其他物理力學參數間的關系，揭示了白堊紀紅層巖石物理力學參數間的規律性和統計性質。徐紅梅、侯龍清、羅嗣海建立了撫州市區紅層飽和重度與飽和單軸抗壓強度、飽和單軸抗壓強度與割性模量、三軸抗壓強度與圍壓間的相關方程。對湘瀏地洼盆地白堊紀紅層軟巖單軸天然抗壓強度R0與天然密度ρ0、彈性模量，旁壓特征參數Pf、Em，彈性縱波速度vP之間的相關性進行了較為系統的研究。

3.1.4　紅層的巖基強度

強度和變形問題是巖土研究中的兩大焦點。按巖石抗壓強度計算承載力的方法已為眾多學者質疑。邊智華等（2001）通過原位試驗對某特大橋橋基及錨碇工程的力學性質進行研究，節省投資上千萬元。左權（1994）等分析了紅層風化物特性與母巖的關系。何滿潮（2002）等從沉積動力學和沉積環境兩方面探討了沉積特征對軟巖特性的影響。郭志分析了軟巖力學特性與賦存環境（含水量、地應力、溫度）和時間的關系，提出了軟巖強度取值原則。易念平（2002）等研究了南寧泥質巖的承載力及地基性質確定的試驗界線劃分問題。王林、龍岡文夫（2003）對東京地下50m、無風化擾動試樣，約200萬年前的沉積泥巖進行了各向異性特性研究，發現沒有產生較大的變形及強度各向異性。

3.1.5　變形特性與數值模擬

紅層抗壓強度較低，作為建筑物地基及工程圍巖時，具有明顯的流變特性，常造成支護的失穩和破壞。林育梁（2002）著重研究了軟巖變形流動形式及其對軟巖支護的影響。朱定華、陳國興（2002）發現南京紅層的長期強度約為單軸抗壓強度的63％～70％，符合Burgers本構模型，得出了4種典型的模型參數依存性。許宏發（1997）根據單軸壓縮蠕變試驗，討論了軟巖強度和彈性模量的時間效應問題，提出了長彈模和長期損傷變量的概念。陳沅江（2003）等認為軟巖在低應力水平下表現為彈性和黏彈性；在較高的應力水平下表現為彈性、塑性和黏彈性；在高應力水平下表現為彈性、塑性、黏彈性和黏塑性；提出了兩種非線性元件——蠕變體和裂隙塑性體，并將它們和描述衰減蠕變特性的開爾文體及描述瞬彈性的虎克體相結合，得到了一種新的復合流變力學模型；并利用連續介質不可逆熱力學的基本原理，推導了軟巖的內時流變本構方程，有效地描述了軟巖蠕變過程中衰減蠕變、穩定蠕變和加速蠕變三個階段的力學特性。廖紅建（1998）等基于實驗研究，分別對正常固結和超固結軟巖試樣的應力—應變關系（特別是應變軟化特性）進行了數值模擬，驗證了軟巖的應變軟化特性與時間依存性的關系。

長期以來，在軟巖嵌巖灌注樁的認識和設計中存在這樣一些誤區：

（1）不論樁的長徑比、覆蓋層厚度與性質、嵌巖深度如何變化，一律視嵌巖樁為端承樁；

（2）不適當地增大嵌巖深度，將樁一律嵌入新鮮基巖或微風化基巖；

（3）在巖石強度高于混凝土強度條件下仍采用擴底，等等。

眾所周知，正常狀態下，由于荷載一定，側阻力和端阻力之間存在此消彼長關系，側阻和端阻的發揮均需一定的位移。《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）提出的考慮樁側阻力的嵌巖樁承載力計算方法，尚不能合理解釋嵌巖樁側阻力的作用機制和嵌巖樁承載性狀。通常，側阻的充分發揮所需位移較小，故能較好發揮，而端阻的發揮則需大位移，但上部結構對變形的要求又必須制約樁端位移量，實踐中很難使兩者都充分發揮，從而存在側阻與端阻的合理分擔比，并涉及合理嵌巖深度問題。從嵌巖樁設計過程看，不僅要保證樁身強度和樁基強度以滿足承載力要求，而且要考慮荷載作用下樁頂位移以保證其剛度條件。