风化岩和残积土.pdf

残积土的特性及在工程上应用的几点体会 吴寅东 一、残积土的工程特性：风化岩和残积土都是新解岩层在物理和化学风化作用下形成的物质，统称为风化残留物，由于岩石受到风化程度不同，使其性状不同，因而把岩石的风化带剖面划分为坡积土、残积土、全风化岩、强风化岩、中风化岩、微风化岩及未风化岩，一般的风化作用自上而下、自外向内的风化原则。残积土是保持在原岩所在位置，没有受到搬运营力的水平搬运，而只受垂直向淋漓作用。泉州目前的残积土主要是指花岗岩和火山岩风化而成的残积土（此次主要讨论花岗岩类），原岩结构、矿物组成、岩脉侵入、原岩变质程度和裂隙的发育程度决定了残积土的物理力学性质及其工程特性；而一般粘性土、粉土，砂性土是受到搬运营力的水平搬运作用，且矿物质较为混杂，水性稳定好，属于冲积成因。残积土的特性：按液塑限具有粘性土特性，按含砂量及颗粒骨架结构具有砂性土特性，按其膨胀性又具有膨胀土的特性，因此花岗岩残积土在岩土规范中归属于特殊土。本地方常见的花岗岩：二长花岗岩，斜长花岗岩，黑云母花岗岩，闪长花岗岩，混合片麻花岗岩。结构特征又分为细粒、中粒、粗粒的花岗结构，其风化最明显特点是球状风化，由于场地中常出现不同的花岗岩性侵入体，又受区域应力，构造等诸多因素的影响，形成了残积土的各向异性。90 年代初深圳地区根据该地区的试验资料总结，把残积土细分为砾质粘性土，砂质粘性土，粘性土，而粘性土中包括粘土、粉（砂）质粘土、粉土，如果再细分，就形成了 9 个土层名称，会产生使用上的混乱，规范中把各类土的差异性交由岩土工程师来掌握，因此分类具有其科学性。花岗岩矿物成份：石英、长石（正、斜）、云母、铁矿石、闪长石，其结构称为花岗结构，块状构造。经风化后，石英基本未变，长石类风化成亲水矿物的高岭石，少部分云母风化成亲水矿物的绿泥石，闪长石风化成水性稳定较好的粘粒，花岗岩中长石含量约 4070%，风化后残积土中的高岭石含量 3570%，而残积土涨缩性是由土中高岭石含量决定。由于残积土的特殊性及钻探工艺，取样工艺，室内试验设备的局限性，室内的土工试验指标较难准确反映残积土的工程特征。相关规范推荐采用原位测试方法（标贯、载荷板试验）来确定其工程特性。综合上述：残积土与一般粘性土，存在着质的不同，残积土具有粘性土、砂性土、膨胀土三种特征，而规范用所叙述的冲积粘性土、砂土或者粉土，按其突出的工程特征而命名。冲积土工程特性及经验对于残积土的工程性能使用和探讨，只起到借鉴作用。二、残积土的承载力特征值应如何科学合理确定：1、关于浅基础设计参数的确定：由于残积土具有其砂性土、粘性土、膨胀土三项混合特征，室内试验指标的误差大，又与地下水位补给息息相关，目前工程界确定其承载力方法是很不一致，提供参数大部分采用经验指标或采用 Il指标查表法；依据本人工程实践，结合少量载荷板实验结果与土工试验成果，现场标贯试验结果进行对比，国标地基规范条中 fa=Mbrb+Marmd+mcck 计算的特征值比载荷试验值小 10%（载荷板试验均未做到破坏）以上，其原因为残积土的结构性很强，受取土，运输、开样、造成土工试验指标有明显降低。与采用标贯击数查深圳规范经验值，其比值的平均值为，与采用标贯击数利用省标规范公式计算，其比值的平均值为。从某工程 4 个点载荷板试验结果，土质为砾质粘性土，试验点位于水位线上，试验时选取 2 点泡水 2 小时，泡水后的试验曲线有明显拐点破坏，并比原状强度降低 10%以上，证明残积土特有的在吸水后，颗粒间的抗剪强度明显降低，泡水软化的现象。采用国标地基规范中条中公式，省标岩土规范公式及 88 深圳规范，采用不同方法确定残积土的承载力比载荷板试验确定的承载力低约1015%，结合工程实践，鉴于土工实验指标可靠度差，建议采用基础埋深及其以下 2m 范围内标贯击数杆长修正值的平均值（其他规范采用整个层位标贯杆长修正值的统计标准值确定承载力，而残积土层中击数相差较大，取其标准值不合理，但 2m 内如果击数采用标准值又偏于安全、保守），查深圳规程中相关承载力推荐值及使用省标公式计算所得承载力的平均值，取两者较小值。当残积土的承载力特征设计使用至280kpa 及以上时，勘察报告和设计图纸应注明使用条件。2、关于桩基础设计参数的确定 有关桩基础设计参数经验查表法的规程、规范，只有 88 深圳规程和省标提及，其确定桩侧阻力的查表依据采用 Il指标，土工中 Il指标与实际状态下的 Il经常出入很大，并且勘察中当残积土层标贯大于 20 击以上时，取样较难，扰动大，取样少，代表性差，势必造成提供设计参数不合理，而标贯试验操作简单、直观，建议采用标贯击数确定其桩侧、桩端设计参数，并且与花岗岩风化带采用标贯击数划分土层方法一致。经对多项工程试打桩及其静载试验结果反算、验算，并在多项工程的咨询中使用，本人提出来经验设计参数与在座的专家们共同讨论，具体见下表：挤土桩设计参数经验值一览表（极限标准值）土的名称 标贯击数（实测值）桩侧阻力 qs（kpa）桩端阻力 qp（kpa）砾质粘性土 N10 75-85 10N20 85-95 5000-6000 20N30 95-105 6000-7000 砂质粘性土 N10 70-75 10N20 80-90 5000-5500 20N30 90-95 5500-6500 粘性土 N10 65-75 10N20 75-85 4000-5000 20N30 85-90 5000-5500 注：1、的击数为实测击数，qs、qp指标可考虑多桩挤密效应提高系数，桩端 qp值可依据桩端持力层埋置深度取相应高低值。2、冲钻孔灌注桩孔底沉渣厚度小于 50mm 时，qs值可按表中数值乘以系数取值，qp值可按表中数值乘以系数取值；当采用桩底注浆并从侧壁反浆时，qs、qp值可按表中数值分别乘以、系数取值。3、干状作业条件下，人工挖孔桩桩端阻力可按表中 qp值乘以系数取值。三、关于挤土桩和弃土桩施工质量和承载力的控制的探讨:1、残积中桩的终压力（贯入度）与极限承载力的关系 挤土桩施工中在垂直压力或贯入能作用下沉入残积土层中时，桩周土体发生剧烈的挤压扰动，土中孔隙水压力急剧上升，亲水矿物急剧脱水，从而在桩周一定范围内产生重塑区，土的抗剪强度降低，此时桩身容易下沉，压桩阻力主要来自桩尖向下穿透土层时直接冲剪桩端土体的阻力。从压桩机上压力表或锤击数变化上分析，施工时工程桩贯入阻力并不一定随桩的入土深度的增加而增大，而是随着桩尖处土体的软硬及松密程度等因素即桩尖土体的抗冲剪阻力大小而波动。随着土层的改变，贯入阻力会发生突变；而在土性相同的情况下，贯入阻力基本保持不变或略有变化，桩侧动摩阻力很小，贯入阻力或贯入度反映的主要是桩尖阻力的变化，但这是一种暂时的动态现象。一旦压桩终止或停锤并随着时间的延续，桩周及桩端岩土层的孔隙水压力逐步消散，对桩周边的土层产生挤密作用及亲水矿石重新吸水膨胀形成回抱力，从而提高桩侧摩阻力及桩端阻力。恢复后的土体抗剪强度才使挤土桩获得工程意义上的极限承载力。所以压桩时的终压力或贯入度与单桩设计极限承载力不能简单的等同视之，而是两个不同的概念且两者的量值也不尽相同。从多项工程实践资料看，残积土中长度较长的静压桩，其最终的极限承载力比压桩施工结束时的终止压力要大。因上述残积土具有的三项特征，在部分工程中静压桩最后获得的单桩极限承载力可比终压力值高出二三倍。因此在深厚层的粘性土、砂性土、残积土层分布地段，基础方案设计选型采用端承摩擦桩型设计是合理的，采用以桩长控制为主、以压桩力或贯入度控制为辅的施工方法是可行的，必要时可先行进行试桩，确定单桩承载力。从前述的残积土层的特殊性，本人认为选用这种打桩控制标准并不会违反国标、省标的相关规定。工程实例一：某工程位于刺桐路，场地岩土层自上而下为杂填土(厚约粉质粘土(厚约淤泥(厚约 10m)含泥中粗砂(厚约粉质粘土(厚约含泥粗砾砂(厚约粗砾砂(厚约残积砂质粘性土(厚约 1020m)强风化花岗岩，工程桩采用400-500mm 的 PHC 管桩，桩入土深度均为 30m，桩端持力层为实测击数3035 击的全风化岩，终压力900-1100KN，试验桩的竖向静载试验均试验至破坏，其最大试验荷载为3600-4830KN。400mm 的单桩竖向极限承载力为 3300-3600KN，500mm 的单桩竖向极限承载力为 4620KN，单桩竖向极限承载力与压桩终压力比值约为。工程实例二：某工程位于南安市霞美，场地岩土层自上而下为杂填土(厚约粉质粘土(厚约残积砂质粘性土(厚约全风化花岗岩(厚约强风化花岗岩(砂土状)(厚约强风化花岗岩(砂砾状)(厚约，工程桩采用400mm 的 PHC 管桩，桩入土深度均为，有效桩长 22m，桩端持力层为实测击数2025 击的残积砂质粘性土，终压力1600KN，工程桩的检测均未试验至破坏，其最大试验荷载为 2700KN，桩顶沉降为。单桩竖向极限承载力为 2700KN，单桩竖向极限承载力与压桩终压力比值约为。其他工程实例，如：东湖综合楼、天都广场、泉州市第一医院病房大楼、泉州市军分区办公大楼、民兵预备役训练大楼、碧珍花苑、冠亚大厦、安溪世纪豪庭、德亿工业园一期均采用以桩长控制为主，压桩力或贯入度控制为辅的方法进行施工，有效桩长约 1719m，桩端进入实测击数30 击的全风化岩以下 13m，其工程桩的检测结果均满足设计及规范要求。对于残积土、粘性土、砂性土层分布较薄的地段，下伏为强风化岩，打桩时以压桩力或贯入度控制为主，桩长控制为辅的方法进行施工，这是工程上常用的控制标准。2、关于机械成孔灌注桩承载力使用和质量控制 机械成孔灌注桩的施工是先成孔后，泥浆循环施工工艺，成孔过程中，由于弃土，随上覆自重应力的减少，残积土中的亲水矿物迅速吸水膨胀，降低原状土的抗剪强度，使孔壁、孔底土层在一定范围的土体产生软化、增大孔隙而降低其侧阻，端阻的承载力，并随时效性而进一步降低其承载力，并且由于残积土中的亲水矿物的吸附力或泥浆中粘粘自身吸附力共同作用，在泥浆循环过程中产生一定厚度的“泥皮”及桩底沉渣，使得残积土的强度大幅度锐减，因此在设计中应充分考虑其特性，而使用相对合理、安全的设计参数，确保基桩承载力施工过程中应对桩底沉渣及孔壁泥皮的清除工作，以尽量减少桩侧、桩端阻力的损耗，发挥残积土的工程特性。当采用后压浆施工工艺时，充填、改善桩侧、桩底土层强度，可提高单桩的承载力。3、关于残积土中的浮桩问题：工程上产生浮桩的主要土层为粘性土、淤泥、坡积土、残积土，在残积土中施工挤土桩时，除对桩侧土体挤密作用外，当短时间内挤土量大于土层可压密的空隙量时，也会产生浮桩，施工时，对于群桩承台的基桩施工，应控制压桩速率，采用跳打，调整打桩顺序，可避免工程桩的浮桩，采用引孔弃土法措施是不可取。4、关于管桩桩端持力层的软化问题：泉州地区选择残积土、全风化岩作为桩端持力层，持力层均位于地下水线下，饱和状态，而残积土软化机理是上覆应力减少时才吸水膨胀；对于管桩施工，桩底有用桩靴或管桩在施工中桩身下端自然形成土塞，其桩底应力大于原状土的应力，对于预制的 RC 桩的桩尖周围的土层也不存在其软化效应。本人认为：PHC 管桩，RC 桩均可不考虑持力层的软化问题，对于部分工程出现复打沉降、静载时的极限值与压桩力不符，其可从工程桩的浮桩，桩身质量，桩身的垂直度，桩端下卧软夹层等方面查找其原因。