3　红层软岩长大直径桥梁嵌岩桩基计算方法

3.1　红层软岩概述

红层是地壳演化到一定历史阶段的产物，遍布于世界各地，从时代上讲，自寒武纪到现代各个时期均有出露，国内外学者对此进行过深入的研究。关于红层的界定，曾昭璇等认为“红层是从中生代，特别是从侏罗纪到早第三纪的陆相红色岩系，是丹霞地貌发育的物质基础”。至于其形成时代，考虑到在中生代以前和晚第三纪也有红层堆积，故没有在定义中予以限制。红层界定依据如下：①偏红色调；②陆相沉积环境；③碎屑沉积。

红层在我国分布非常广泛，与建设工程的关系十分密切：红层地区在雨季经常发生滑坡、坍塌；红层坡体开挖常诱发塌滑事故；矿产开采时，可能产生折帮、崩解和膨胀失稳；红层地区水库坝址会碰到稳定、渗流问题；场地勘察时，按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）确定的承载力往往偏低；用作填筑材料时，红层中黏土矿物对环境水分变化极为敏感而影响其路用性能。许多专家、学者在各自领域对不同地区、不同时代红层的形成环境、成岩机理及其工程性质评价、利用及处治等诸方面进行了研究，这些成果不仅对工程设计、施工具有指导作用，在岩土工程学科上亦具理论意义。

3.1.1　红层分类

在工程应用上，红层归属于软岩。对于软岩的定义，国内外学者一直存在争议，引发的定义多达数十种，概括起来有：描述性定义、指标性定义、工程性定义。

（1）描述性定义：相对于坚硬岩层而言的，泛指松散、软弱的岩层。郑雨天、王梦恕教授等认为软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力岩体的总称。

（2）指标化定义：国际岩石力学学会（ISRM）（1990、1993）定义为单轴抗压强度在0.5～25MPa的一类岩石；G.Russo（1994）定义为单轴抗压强度小于17MPa的岩石；也有将σc/γh<2的岩石称为软岩（σc为单轴抗压强度、γ为岩石容重、h为深度）。按岩石强度分类的标准见表3-1。

续上表

（3）工程定义：工程上的松软岩层指“难支护的围岩”或“多次支护，需要重复翻修的围岩”。一般地，将松动圈厚度大于1.5m的围岩称为软岩。

在上述定义基础上，何满潮教授将软岩概化为地质软岩与工程软岩两大类。地质软岩指具有松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩层的总称；工程软岩指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。工程软岩与地质软岩之间存在如下关系：当工程荷载相对于地质软岩（如泥页岩）的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形的特征，即不作为工程软岩。只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩才作为工程软岩。在高深度高压力下，部分地质硬岩（如泥质胶结砂岩）也可能产生显著变形特征，也应视为工程软岩。

从成因上看，软岩包括原生软岩、风化软岩、构造软岩。

（1）原生软岩：主要指沉积岩。是由松散沉积物在温度不高和压力不大的条件下形成的，是地壳表面分布最广的一种层状岩石。根据其成生时代和黏土矿物特征可将原生软岩分为古生代软岩、中生代软岩、新生代软岩三类。

（2）风化软岩是由岩石长期受物理、化学等自然因素的作用（风化作用），导致岩体疏松以至松散，物理力学性质恶化而形成的一类岩石。按风化程度分为新鲜岩、微风化岩、中（弱）风化岩、强风化岩及全风化岩。

（3）构造软岩是由构造应力作用形成的软岩，包括断裂带中的糜棱岩、侵入岩接触变质形成的软岩、褶皱作用形成的层间错动带等。

根据岩性特性，红层可分为三个岩类：

（1）黏土岩类：包括黏土岩、泥岩、泥灰岩、泥质页岩，局部夹细砂岩及透镜状的砂砾岩、砾岩。该类岩石结构密实，孔隙率低，是较好的隔水层。

（2）砂岩类：包括泥质粉砂岩、粉砂岩、砂岩、细砂岩。该类岩石有的为泥质、铁质、硅质胶结，有的钙质胶结或在岩石中含有碳酸盐（方解石）、硫酸盐、石膏或其他卤化物晶体。

（3）砾石类：该类岩石多为底砾岩，其砾石成分多为下伏地层的岩石，以厚层至巨厚层状产出，不显层理或具不清晰的巨厚水平层理，砾石分选性差。

3.1.2　水岩作用

冯启言等（1994）利用扫描电镜、X-衍射、压汞试验，液压司服机及力学强度试验，对兖州、徐州地区侏罗系和第三系红层的含水量、力学强度、膨胀与崩解等特征及其对建井与开采的影响进行了深入研究。周翠英（2003）等以华南地区“红层”中的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为研究对象，研究了水溶液pH值及阴、阳离子浓度在不同饱水时间后的动态变化规律，并设计了若干软岩饱水软化试验，探讨了不同类型软岩在不同饱水状态和饱水时间后微观结构的基本特征，揭示了不同类型软岩微观结构的动态变化规律，为软岩饱水后力学性质的变化规律和软化机制研究奠定了微观学基础，并对泥质软岩膨胀与水的物理化学作用及力学作用关系进行了探讨。

3.1.3　物理力学性质的相关性

红层软岩的一些重要物理力学性质指标间存在较好的相关性。谢蒙、易海强采用回归分析，分析了红层岩石超声波成果与其他物理力学参数间的关系，揭示了白垩纪红层岩石物理力学参数间的规律性和统计性质。徐红梅、侯龙清、罗嗣海建立了抚州市区红层饱和重度与饱和单轴抗压强度、饱和单轴抗压强度与割性模量、三轴抗压强度与围压间的相关方程。对湘浏地洼盆地白垩纪红层软岩单轴天然抗压强度R0与天然密度ρ0、弹性模量，旁压特征参数Pf、Em，弹性纵波速度vP之间的相关性进行了较为系统的研究。

3.1.4　红层的岩基强度

强度和变形问题是岩土研究中的两大焦点。按岩石抗压强度计算承载力的方法已为众多学者质疑。边智华等（2001）通过原位试验对某特大桥桥基及锚碇工程的力学性质进行研究，节省投资上千万元。左权（1994）等分析了红层风化物特性与母岩的关系。何满潮（2002）等从沉积动力学和沉积环境两方面探讨了沉积特征对软岩特性的影响。郭志分析了软岩力学特性与赋存环境（含水量、地应力、温度）和时间的关系，提出了软岩强度取值原则。易念平（2002）等研究了南宁泥质岩的承载力及地基性质确定的试验界线划分问题。王林、龙冈文夫（2003）对东京地下50m、无风化扰动试样，约200万年前的沉积泥岩进行了各向异性特性研究，发现没有产生较大的变形及强度各向异性。

3.1.5　变形特性与数值模拟

红层抗压强度较低，作为建筑物地基及工程围岩时，具有明显的流变特性，常造成支护的失稳和破坏。林育梁（2002）着重研究了软岩变形流动形式及其对软岩支护的影响。朱定华、陈国兴（2002）发现南京红层的长期强度约为单轴抗压强度的63％～70％，符合Burgers本构模型，得出了4种典型的模型参数依存性。许宏发（1997）根据单轴压缩蠕变试验，讨论了软岩强度和弹性模量的时间效应问题，提出了长弹模和长期损伤变量的概念。陈沅江（2003）等认为软岩在低应力水平下表现为弹性和黏弹性；在较高的应力水平下表现为弹性、塑性和黏弹性；在高应力水平下表现为弹性、塑性、黏弹性和黏塑性；提出了两种非线性元件——蠕变体和裂隙塑性体，并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合，得到了一种新的复合流变力学模型；并利用连续介质不可逆热力学的基本原理，推导了软岩的内时流变本构方程，有效地描述了软岩蠕变过程中衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变三个阶段的力学特性。廖红建（1998）等基于实验研究，分别对正常固结和超固结软岩试样的应力—应变关系（特别是应变软化特性）进行了数值模拟，验证了软岩的应变软化特性与时间依存性的关系。

长期以来，在软岩嵌岩灌注桩的认识和设计中存在这样一些误区：

（1）不论桩的长径比、覆盖层厚度与性质、嵌岩深度如何变化，一律视嵌岩桩为端承桩；

（2）不适当地增大嵌岩深度，将桩一律嵌入新鲜基岩或微风化基岩；

（3）在岩石强度高于混凝土强度条件下仍采用扩底，等等。

众所周知，正常状态下，由于荷载一定，侧阻力和端阻力之间存在此消彼长关系，侧阻和端阻的发挥均需一定的位移。《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）提出的考虑桩侧阻力的嵌岩桩承载力计算方法，尚不能合理解释嵌岩桩侧阻力的作用机制和嵌岩桩承载性状。通常，侧阻的充分发挥所需位移较小，故能较好发挥，而端阻的发挥则需大位移，但上部结构对变形的要求又必须制约桩端位移量，实践中很难使两者都充分发挥，从而存在侧阻与端阻的合理分担比，并涉及合理嵌岩深度问题。从嵌岩桩设计过程看，不仅要保证桩身强度和桩基强度以满足承载力要求，而且要考虑荷载作用下桩顶位移以保证其刚度条件。