重力式锚碇依靠巨大的自重保证锚碇基础的稳定性, 因此, 锚碇基底基岩的承载力对锚碇基础的稳定性有着至关重要的影响。Maputo大桥是非洲南部国家莫桑比克共和国首都Maputo市跨越Maputo湾的第1座跨海大桥, 大桥位于热带滨海半成岩高承压水地区, 场地内地质条件复杂。Maputo大桥Katembe侧 (南岸) 锚碇基坑直径50m, 开挖深度36m, 属超大超深基坑。锚碇基础基底持力层为第三纪细砂岩层, 为半成岩, 属极软岩, 质量基本等级为Ⅴ级, 呈粉砂状结构, 由于受到海相沉积环境的影响, 岩石胶结完整程度及强度存在一定的差异性, 因此基底细砂岩存在风化程度及软硬不均的情况, 基础范围内岩体性质差异明显。对于这类半成岩, 多呈半岩半土状, 不仅极软, 而且常常具有比较特殊的工程特性。目前, 国内对地基承载力方面的研究较多^[1,2,3], 吕天启等^[4], 袁灿勤等^[5]学者结合现场试验对软岩的承载特性及其承载力确定方法也进行了研究, 但对非均质半成岩地基承载特性的研究很少, 且我国正处在大型桥梁建设的快速发展期, 需要更多的研究成果及工程经验。

本文依托Maputo大桥Katembe侧锚碇基础工程, 在基底进行了SPT, CPT, 平板载荷等多项原位试验。根据试验结果确定了基底不同区域的承载力, 为锚碇基底加固设计提供了可靠的数据支持, 为工程安全提供了坚实基础。

开挖至基底后, 基底左幅 (图1从S6-S7桥墩方向左侧) 为完整性较好细砂岩, 风化程度为微~中度风化, 其性状与地勘资料一致, 右幅地层情况与地勘资料不同, 表层为破碎的细砂岩及细砂岩经强风化后形成的细砂和粗砂, 表层以下为完整性较好的细砂岩。针对右幅地层情况与勘察资料不同的情况, 补充了5个地质钻孔 (BCZK-1~BCZK-5) 并进行了SPT试验, 7处静力触探 (JLCT-1~JLCT-7) 试验。为了得到细砂岩的地基承载力原位数据, 在基底左幅前后趾进行了平板载荷试验。试验点、SPT钻孔位置及静力触探点的位置如图1所示。

为确定左幅细砂岩的基本承载力, 在锚碇左幅前趾、后趾位置分别进行了承载力试验。基底左幅载荷试验共4个试点, 试点对称布置于前后趾内衬墙边缘, 试点布置如图1所示。反力装置采用由工字钢搭成的堆载压重平台, 堆载量为130t。开挖至试点标高以上0.5m处, 进行人工开挖至基底设计标高, 以减少试点岩土的扰动。载荷试验按单循环逐级递增加载直至预定荷载, 在加载前对测量系统进行初步稳定读数观测, 加载后立即进行沉降量测读, 然后每隔10, 10, 10, 15, 15min测读沉降, 以后每30min读数1次。当连续2h以内, 每小时沉降量<0.1mm时, 即达到稳定, 即可进行下一级荷载。左幅1~4号试点的加载分级为:68, 102, 136, 170, 204, 281, 358, 435, 512, 589, 666, 743, 820k N。

左幅1~4号试点荷载-位移曲线如图2所示。

由试验结果可知, 4个试点均未达到破坏荷载, 极限荷载≥2 371.80k Pa, 按照规范规定的方法将最终荷载除以2的安全系数, 得到地基承载力基本容许值, 左幅1~4号试点微~中风化细砂岩承载力≥1 185.90k Pa, 满足设计要求。

各试点深度、标准贯入击数及根据各经验公式计算所得的地基承载力值如表1所示。

测试结果按TB10018—2003《铁路工程地质原位测试规程》推荐公式:σ₀=0.89p_s^0.63+14.4计算天然地基基本承载力。各孔承载力如图3所示。以地基基本承载力设计值350k Pa为界, 各孔贯入深度如表2所示。

由试验结果可知左幅微~中风化细砂岩承载力≥1 185.90k Pa, 满足设计要求, 基底左幅区域不需要加固处理。

地质钻孔BCZK-1和静力触探孔JLCT-1、地质钻孔BCZK-2和静力触探孔JLCT-2、地质钻孔BCZK-4和静力触探孔JLCT-4位置较为接近, 以这3组数据作为对比分析对象。

地质钻孔BCZK-1显示在1.5m范围内为砂状细砂岩, 1.5~6.3m为泥岩砂岩互层, 6.3m以下为细砂岩。静力触探孔JLCT-1显示深度组0.8m以内强度呈线性增加, 0.8~6.8m承载力时高时低, 在250~350k Pa波动, 6.8m以下承载力明显提高。静力触探与地质钻孔反映的情况基本相同。

地质钻孔BCZK-2显示在1.8m范围内为砂状细砂岩, 1.8m之下为细砂岩。静力触探孔JLCT-2显示1.7m以内强度较低, 1.7m以下承载力明显提高。静力触探与地质钻孔反映的情况相同。

地质钻孔BCZK-4显示在1.2m范围内为砂状细砂岩, 1.2m以下为胶结较好的细砂岩, 1.7m以下细砂岩强度有显著提高, 但下部细砂岩仍存在胶结程度不一、强度不均匀的情况, 其中3.2~6.3m段强度较低, 与JLCT-4探查的情况接近。静力触探孔JLCT-4显示随着深度的增加, 地基土承载力也增加, 最高不超过282k Pa (受探测深度影响, 只能说明上部5.1m内的规律) 。两孔位相距约1.5m, 静力触探与地质钻孔反映的情况虽存在一定的差异性, 但是地层强度上相差不大, 主要原因是受到海相沉积环境的影响, 且该类岩石沉积时间不长, 因此造成了胶结程度不均一的情况。

根据钻孔及静力触探试验结果, 得到软弱层的平面及纵深方向的分布情况如图4, 5所示。

锚碇右幅JLCT-1 (BCZK-1) , JLCT-4 (BCZK-4) 一带软弱层厚度较大, 往BCZK-2方向变薄, 地层分布为泥岩、砂岩互层及胶结较差的细砂岩。在JLCT-4点和钻孔BCZK-4附近, 岩石胶结完整程度及强度存在一定的差异性, 地基承载力值相对较低, 对上述范围 (见图6网格区域) 需进行深部处理。锚碇左幅JLCT-2 (BCZK-2) 及靠近锚碇轴线区域 (见图6点状区域) 表层砂状细砂岩厚度较小, 强度较低, 但下部岩土体强度较高, 对上部软弱层进行地基处理即可。锚碇基底需进行深部及浅部处理的范围如图6所示。

最终在试验结果的基础上提出表层砂性细砂岩深层分布区域采用素混凝土钻孔灌注桩进行深层加固, 对浅层分布区域采用素混凝土换填进行加固的方案 (见图7) 。具体加固措施如下。

1) 西侧深部处理区域采用C20素混凝土钻孔桩加固, 桩径1.5m, 正方形布置, 桩间距3.3m。素混凝土桩加固处理后, 对桩间土体进行处理和夯实, 并在桩间土上进行地基静载试验 (标高-33.600m) 以确定桩间土承载力。

2) 西侧浅部处理区域采用开挖1.5m后用C20素混凝土换填。

JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》中7.1.5-3条关于有粘结强度的增强体单桩承载力特征值用下式计算:

式中:u_p为桩的周长;q_si为桩周第i层土的侧阻力特征值 (k Pa) , 可按地区经验确定;l_pi为桩长范围内第i层土的厚度 (m) ;α_p为桩端端阻力发挥系数, 应按照地区经验确定;q_p为桩端端阻力特征值, 按地区经验确定, 可取桩端土未修正的地基承载力特征值;q_si根据临近试桩所得摩阻力参数进行取值, 按照软弱层较厚区域钻孔BCZK-1的情况进行计算。

土层参数如表3所示。

将参数代入式 (1) 得:

根据《建筑地基处理技术规范》有粘结强度复合地基增强体桩身强度应满足式 (2) 的要求:

式中:f_cu为桩体试块标准养护28d的立方体抗压强度平均值 (k Pa) , f_cu=20MPa, 代入上式 (2) 得:

取2 229.3k N和8 835.7k N的小值, 即增强体单桩竖向承载力特征值为:R_a=2 229.3k N。

根据《建筑地基处理技术规范》中对有粘结强度增强体复合地基承载力特征值按照式 (3) 计算:

式中:λ为单桩承载力发挥系数, 按照地区经验取值;R_a为单桩竖向承载力特征值 (k N) ;A_P为桩的截面积;β为桩间土承载力发挥系数, 按照地区经验取值;f_sk为处理后桩间土承载力特征值, 通过现场试验得到。

由试验结果可知左幅微~中风化细砂岩承载力≥608.4k Pa。将右幅桩间土体的试验结果及各参数代入式 (3) 得:

式中:m为面积置换率, 正方形布桩时m=d²/d_e²=1.5²/ (1.13×3.3) ²=0.162;β取0.8;单桩承载力发挥系数λ取1。由计算结果可知, 加固后的复合地基承载力满足设计要求。

换填区域素混凝土的抗压强度远大于细砂岩, 因此该区域的地基承载力以下覆细砂岩的承载力为控制值, 由地质钻孔BCZK-2及静力触探孔JLCT-2结果可知, 换填1.5m后的细砂岩完整性较好, 承载力较高, 参照左幅完整细砂岩的试验结果可知, 该处细砂岩的承载力满足设计要求。

1) 由左幅1~4号试验结果可知, 左幅微~中风化细砂岩承载力≥1 185.90k Pa, 满足地基承载力设计值 (350k Pa) 。将载荷试验结果与SPT (BCZK-1~BCZK-5) 和CPT所得的细砂岩承载力值对比可知, SPT和CPT所得细砂岩的承载力沿深度方向的变化趋势一致, 但结果整体偏保守, SPT试验结果所列的3个公式中, f_k=105+10N (纺织工业部) 计算结果较为接近试验值。

2) 由验算结果可知, 深层加固区域在完成素混凝土钻孔灌注桩及桩间土的处理后, 该复合地基承载力满足地基承载力设计值 (350k Pa) , 安全储备较大。

3) 浅层加固区域在完成素混凝土换填处理后, 地基承载力满足设计值 (350k Pa) 。