3　紅層軟巖長大直徑橋梁嵌巖樁基計(jì)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(chǎn)物，遍布于世界各地，從時(shí)代上講，自寒武紀(jì)到現(xiàn)代各個(gè)時(shí)期均有出露，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行過深入的研究。關(guān)于紅層的界定，曾昭璇等認(rèn)為“紅層是從中生代，特別是從侏羅紀(jì)到早第三紀(jì)的陸相紅色巖系，是丹霞地貌發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)”。至于其形成時(shí)代，考慮到在中生代以前和晚第三紀(jì)也有紅層堆積，故沒有在定義中予以限制。紅層界定依據(jù)如下：①偏紅色調(diào)；②陸相沉積環(huán)境；③碎屑沉積。

紅層在我國分布非常廣泛，與建設(shè)工程的關(guān)系十分密切：紅層地區(qū)在雨季經(jīng)常發(fā)生滑坡、坍塌；紅層坡體開挖常誘發(fā)塌滑事故；礦產(chǎn)開采時(shí)，可能產(chǎn)生折幫、崩解和膨脹失穩(wěn)；紅層地區(qū)水庫壩址會(huì)碰到穩(wěn)定、滲流問題；場地勘察時(shí)，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）確定的承載力往往偏低；用作填筑材料時(shí)，紅層中黏土礦物對環(huán)境水分變化極為敏感而影響其路用性能。許多專家、學(xué)者在各自領(lǐng)域?qū)Σ煌貐^(qū)、不同時(shí)代紅層的形成環(huán)境、成巖機(jī)理及其工程性質(zhì)評(píng)價(jià)、利用及處治等諸方面進(jìn)行了研究，這些成果不僅對工程設(shè)計(jì)、施工具有指導(dǎo)作用，在巖土工程學(xué)科上亦具理論意義。

3.1.1　紅層分類

在工程應(yīng)用上，紅層歸屬于軟巖。對于軟巖的定義，國內(nèi)外學(xué)者一直存在爭議，引發(fā)的定義多達(dá)數(shù)十種，概括起來有：描述性定義、指標(biāo)性定義、工程性定義。

（1）描述性定義：相對于堅(jiān)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(rèn)為軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變、強(qiáng)風(fēng)化蝕變及高應(yīng)力巖體的總稱。

（2）指標(biāo)化定義：國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）（1990、1993）定義為單軸抗壓強(qiáng)度在0.5～25MPa的一類巖石；G.Russo（1994）定義為單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度、γ為巖石容重、h為深度）。按巖石強(qiáng)度分類的標(biāo)準(zhǔn)見表3-1。

續(xù)上表

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

在上述定義基礎(chǔ)上，何滿潮教授將軟巖概化為地質(zhì)軟巖與工程軟巖兩大類。地質(zhì)軟巖指具有松散、破碎、軟弱及風(fēng)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(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。工程軟巖與地質(zhì)軟巖之間存在如下關(guān)系：當(dāng)工程荷載相對于地質(zhì)軟巖（如泥頁巖）的強(qiáng)度足夠小時(shí)，地質(zhì)軟巖不產(chǎn)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(fā)生了顯著變形的地質(zhì)軟巖才作為工程軟巖。在高深度高壓力下，部分地質(zhì)硬巖（如泥質(zhì)膠結(jié)砂巖）也可能產(chǎn)生顯著變形特征，也應(yīng)視為工程軟巖。

從成因上看，軟巖包括原生軟巖、風(fēng)化軟巖、構(gòu)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(jù)其成生時(shí)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(fēng)化軟巖是由巖石長期受物理、化學(xué)等自然因素的作用（風(fēng)化作用），導(dǎo)致巖體疏松以至松散，物理力學(xué)性質(zhì)惡化而形成的一類巖石。按風(fēng)化程度分為新鮮巖、微風(fēng)化巖、中（弱）風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖及全風(fēng)化巖。

（3）構(gòu)造軟巖是由構(gòu)造應(yīng)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(zhì)形成的軟巖、褶皺作用形成的層間錯(cuò)動(dòng)帶等。

根據(jù)巖性特性，紅層可分為三個(gè)巖類：

（1）黏土巖類：包括黏土巖、泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)頁巖，局部夾細(xì)砂巖及透鏡狀的砂礫巖、礫巖。該類巖石結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙率低，是較好的隔水層。

（2）砂巖類：包括泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂巖、細(xì)砂巖。該類巖石有的為泥質(zhì)、鐵質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，有的鈣質(zhì)膠結(jié)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(chǎn)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(yàn)，液壓司服機(jī)及力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，對兗州、徐州地區(qū)侏羅系和第三系紅層的含水量、力學(xué)強(qiáng)度、膨脹與崩解等特征及其對建井與開采的影響進(jìn)行了深入研究。周翠英（2003）等以華南地區(qū)“紅層”中的粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)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(shí)間后的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并設(shè)計(jì)了若干軟巖飽水軟化試驗(yàn)，探討了不同類型軟巖在不同飽水狀態(tài)和飽水時(shí)間后微觀結(jié)構(gòu)的基本特征，揭示了不同類型軟巖微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為軟巖飽水后力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律和軟化機(jī)制研究奠定了微觀學(xué)基礎(chǔ)，并對泥質(zhì)軟巖膨脹與水的物理化學(xué)作用及力學(xué)作用關(guān)系進(jìn)行了探討。

3.1.3　物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

紅層軟巖的一些重要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間存在較好的相關(guān)性。謝蒙、易海強(qiáng)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(xué)參數(shù)間的關(guān)系，揭示了白堊紀(jì)紅層巖石物理力學(xué)參數(shù)間的規(guī)律性和統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。徐紅梅、侯龍清、羅嗣海建立了撫州市區(qū)紅層飽和重度與飽和單軸抗壓強(qiáng)度、飽和單軸抗壓強(qiáng)度與割性模量、三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓間的相關(guān)方程。對湘瀏地洼盆地白堊紀(jì)紅層軟巖單軸天然抗壓強(qiáng)度R0與天然密度ρ0、彈性模量，旁壓特征參數(shù)Pf、Em，彈性縱波速度vP之間的相關(guān)性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。

3.1.4　紅層的巖基強(qiáng)度

強(qiáng)度和變形問題是巖土研究中的兩大焦點(diǎn)。按巖石抗壓強(qiáng)度計(jì)算承載力的方法已為眾多學(xué)者質(zhì)疑。邊智華等（2001）通過原位試驗(yàn)對某特大橋橋基及錨碇工程的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，節(jié)省投資上千萬元。左權(quán)（1994）等分析了紅層風(fēng)化物特性與母巖的關(guān)系。何滿潮（2002）等從沉積動(dòng)力學(xué)和沉積環(huán)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(xué)特性與賦存環(huán)境（含水量、地應(yīng)力、溫度）和時(shí)間的關(guān)系，提出了軟巖強(qiáng)度取值原則。易念平（2002）等研究了南寧泥質(zhì)巖的承載力及地基性質(zhì)確定的試驗(yàn)界線劃分問題。王林、龍岡文夫（2003）對東京地下50m、無風(fēng)化擾動(dòng)試樣，約200萬年前的沉積泥巖進(jìn)行了各向異性特性研究，發(fā)現(xiàn)沒有產(chǎn)生較大的變形及強(qiáng)度各向異性。

3.1.5　變形特性與數(shù)值模擬

紅層抗壓強(qiáng)度較低，作為建筑物地基及工程圍巖時(shí)，具有明顯的流變特性，常造成支護(hù)的失穩(wěn)和破壞。林育梁（2002）著重研究了軟巖變形流動(dòng)形式及其對軟巖支護(hù)的影響。朱定華、陳國興（2002）發(fā)現(xiàn)南京紅層的長期強(qiáng)度約為單軸抗壓強(qiáng)度的63％～70％，符合Burgers本構(gòu)模型，得出了4種典型的模型參數(shù)依存性。許宏發(fā)（1997）根據(jù)單軸壓縮蠕變試驗(yàn)，討論了軟巖強(qiáng)度和彈性模量的時(shí)間效應(yīng)問題，提出了長彈模和長期損傷變量的概念。陳沅江（2003）等認(rèn)為軟巖在低應(yīng)力水平下表現(xiàn)為彈性和黏彈性；在較高的應(yīng)力水平下表現(xiàn)為彈性、塑性和黏彈性；在高應(yīng)力水平下表現(xiàn)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(jié)合，得到了一種新的復(fù)合流變力學(xué)模型；并利用連續(xù)介質(zhì)不可逆熱力學(xué)的基本原理，推導(dǎo)了軟巖的內(nèi)時(shí)流變本構(gòu)方程，有效地描述了軟巖蠕變過程中衰減蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段的力學(xué)特性。廖紅建（1998）等基于實(shí)驗(yàn)研究，分別對正常固結(jié)和超固結(jié)軟巖試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系（特別是應(yīng)變軟化特性）進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了軟巖的應(yīng)變軟化特性與時(shí)間依存性的關(guān)系。

長期以來，在軟巖嵌巖灌注樁的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)中存在這樣一些誤區(qū)：

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

（2）不適當(dāng)?shù)卦龃笄稁r深度，將樁一律嵌入新鮮基巖或微風(fēng)化基巖；

（3）在巖石強(qiáng)度高于混凝土強(qiáng)度條件下仍采用擴(kuò)底，等等。

眾所周知，正常狀態(tài)下，由于荷載一定，側(cè)阻力和端阻力之間存在此消彼長關(guān)系，側(cè)阻和端阻的發(fā)揮均需一定的位移。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）提出的考慮樁側(cè)阻力的嵌巖樁承載力計(jì)算方法，尚不能合理解釋嵌巖樁側(cè)阻力的作用機(jī)制和嵌巖樁承載性狀。通常，側(cè)阻的充分發(fā)揮所需位移較小，故能較好發(fā)揮，而端阻的發(fā)揮則需大位移，但上部結(jié)構(gòu)對變形的要求又必須制約樁端位移量，實(shí)踐中很難使兩者都充分發(fā)揮，從而存在側(cè)阻與端阻的合理分擔(dān)比，并涉及合理嵌巖深度問題。從嵌巖樁設(shè)計(jì)過程看，不僅要保證樁身強(qiáng)度和樁基強(qiáng)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。