大直径嵌岩灌注桩承载力探究范文

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《东北水利水电杂志》2016年第10期

摘要：

本文对大直径嵌岩灌注桩的竖向承载性状进行分析，探讨了嵌岩桩的竖向承载机理；比较了国内现行规范关于嵌岩桩竖向承载力的计算方法。针对规范的计算结果与工程实测资料相比偏于保守的主要原因，提出现行规范有待进一步修订的内容。文章还介绍并总结了国内外对大直径嵌岩桩关于嵌岩深度的研究现状及理论方法。

关键词：

嵌岩灌注桩；竖向承载机理；嵌岩深度；大直径桩

大直径桩一般是指直径大于或等于800mm的桩，它的使用可以显著提高桩的承载能力。在基岩埋深较浅的情况下，常将大直径灌注桩穿过全部覆盖层，将其嵌入到基岩中，形成一种新的桩型———大直径嵌岩灌注桩。大直径嵌岩灌注桩具有单桩承载力高，入土深，沉降小，抗震性能好，群桩效应小的优点。现已广泛应用于高层建筑、大跨桥梁、港工及重型构筑物的基础中，嵌岩桩竖向承载力的研究是建筑物桩基技术中的一项重要课题，嵌岩桩作为新概念，在理论上仍需不断完善、补充。

1嵌岩灌注桩的荷载传递机理

20世纪90年代以前，中国普遍认为嵌岩桩是端承桩，GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》[1]中规定嵌岩桩按端承桩设计。进入90年代后，中国在修订JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》[2]时有所突破，认识到桩侧阻力不可忽视，提出了嵌岩桩承载力由桩与土间的侧摩阻力、嵌岩段的侧摩阻力及桩端阻力三部分组成，并给出了半经验公式。嵌岩桩的桩顶荷载由桩侧阻力与桩端分担的过程，实际上是桩-土-岩体系的荷载传递过程。大量现场荷载实验表明，嵌岩桩在竖向荷载作用下，随着基岩以上覆盖土层的物理力学指标和层厚不同、桩身长径比、桩端基岩的性质和嵌岩深度的不同，桩侧阻力对桩承载力发挥着不同程度的作用。美国著名学者R.E.Goodman[3]，提出了综合考虑荷载、桩体强度、岩体结构强度和桩与围岩接触性状的嵌岩桩竖向荷载传递规律。嵌岩桩在竖向荷载作用下，首先桩体发生竖向位移，桩和桩侧土之间产生相对位移，因而桩侧土对桩身产生向上的桩侧摩阻力。荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断地克服这种摩阻力，因此桩身截面轴向力随深度逐渐减小。随着荷载的增加，嵌岩段摩阻力被调动起来，桩端开始承担部分荷载，并且其值随所施加荷载的增大而逐渐增大，这时桩侧非嵌岩段侧摩阻力和嵌岩段侧摩阻力同时发挥作用。当荷载增加到一定值时，桩侧各点的摩阻力达到极限值并趋于稳定。若此时荷载继续增加，则其增量将全部由桩端阻力来承担，直至达到岩体的极限。

2嵌岩桩承载力的计算方法

经过近十多年的研究，工程界和学术界已取得共识，认为嵌岩桩的承载力一般应包括覆盖土层的侧阻力、嵌岩段侧阻力及桩端阻力三部分；其受力分析简图如图1所示。这类计算模式在规范JGJ94-2008[2]、TB10002.5-2005《铁路桥涵地基和基础设计规范》[4]、JTGD63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》[5]以及GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》[1]中都有所体现。GB50007-2002[1]中规定对于桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中，按端承桩设计，并按下式计算单桩竖向承载力：Ra=qpaAp（1）式中：Ra为嵌岩单桩竖向承载力特征值，kN；qpa为桩端岩石承载力特征值，kPa；Ap为桩端横截面面积，m2。TB10002.5-2005[4]中规定嵌岩桩的嵌固深度不得少于0.5m，嵌岩桩的承载力由嵌岩段的侧阻力及端阻力组成，如下式所示：［P］=R（C1A+C2Uh）（2）式中：［P］为单桩容许承载力，kN；R为岩石单轴抗压强度，kPa；A为桩底截面面积，m2；U为桩身嵌岩段截面周长，m；h为嵌岩深度，m；C1，C2分别为端阻、侧阻发挥系数，由清底情况及岩石破碎程度确定。JTGD63-2007[5]中规定嵌岩桩的承载力按下式计算：Ra=c1Apfrk+umi=1Σc2ihifrki+12ζsuni=1Σliqik（3）式中：Ra为单桩竖向承载力容许值，kN；hi为桩嵌入各岩层部分的厚度，m；u为各土层或各岩层部分的桩身周长，m；m，n分别为嵌入岩层层数及上覆土层数；frk为桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值，kPa；qik为第i层土的侧阻力标准值，kPa；c1为由清孔情况、岩石破碎程度等确定的端阻力发挥系数；c2i为由清孔情况、破碎程度等确定的第i层岩层的侧阻力发挥系数；ζs为覆盖层土的侧阻力发挥系数；li为各土层的厚度，m。JGJ94-2008[2]中规定将上覆土层的摩阻力计为组成嵌岩桩单桩承载力的一部分的同时，规定嵌岩段的总极限阻力按下式计算：Quk=Qsk+Qrk（4）Qsk=u鄱qsikli（5）Qrk=ζrfrkAp（6）式中：Quk为单桩竖向极限承载力；Qsk，Qrk分别为土的总极限侧阻力、嵌岩段总极限阻力，kN；qsik为桩周第i层土的极限侧阻力，kPa；frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值，kPa；ζr为嵌岩段侧阻和端阻综合系数，与嵌岩深径比及岩石软硬程度和成桩工艺有关。从各个规范给出的承载力计算公式可以看出，GB50007-2002[1]中给出的计算模式仅考虑基岩的端承作用，未考虑桩侧岩土层的承载作用；而TB10002.5-2005[4]和JTGD63-2007[5]的侧阻力修正系数依岩石破碎程度选取具有较强的经验性，且计算模式相对保守；JGJ94-2008[2]不仅考虑了桩侧土层、嵌岩段岩层及桩端基岩三者共同承载荷载的作用，而且建立了嵌岩段侧阻及端阻修正系数与嵌岩深径比的关系。但整体而言，各规范中嵌岩部分总阻力的计算是建立在岩石单轴抗压强度的基础上的，而工程中的岩体性质是各种各样的，端阻综合系数的取值以单轴抗压强度来取值缺乏一定的合理性，从而导致规范的计算结果与工程实测资料相比偏于保守，所以现行规范有待进一步修订。

3基于荷载传递机理的嵌岩深度探讨

嵌岩深度的确定关系到嵌岩桩设计的安全与经济是否合理，是嵌岩桩设计中最重要的参数。嵌岩深度过大，虽然安全可靠，但施工难度增大，经济不合理；嵌岩深度过小，桩端岩层性质差，承载力和沉降难以满足上部结构要求，偏于不安全。在对嵌岩桩承载性能研究的初期，曾一度认为嵌岩桩嵌固深度越深，嵌岩桩桩端阻力越大，从而承载能力越大，但随着研究的逐渐深入，开始意识到，单纯的增加入岩深度，在一定深度范围内能有效提高承载力，超过某一深度后，对单桩承载力几乎没有提高，即所谓的最大嵌岩深度和最佳嵌岩深度的问题。Pells和Turner（1979）[6]假设桩侧阻力和桩端阻力全部发挥，根据设计的桩径d，求出桩端反力Qb，进而求出嵌岩深度L=(Qs-Qb)/(πdτ)；Rowe和Armitage（1987）[7]对嵌岩桩桩岩模量比、相对嵌入深度等进行了分析，认为桩侧阻力随着嵌入深度的增大而略有减小，单位侧阻随着桩径的增大而有所减小，以及岩性越好，桩侧极限阻力越大。黄求顺（1992）[8]认为当嵌岩深度大于5d时，桩端以下无端阻存在，称为“最大嵌岩深度”，而当柱嵌岩深度等于3d时，柱的侧阻和端阻可以得到最佳配合，嵌入深度超过3d，桩的承载力增加甚微，称3d为“最佳嵌岩深度”；明可前（1998）[9]通过试验认为4d为嵌岩桩的最佳嵌岩深度；徐松林（1998）[10]认为嵌岩深度不宜过深，一般取1.0～1.5m即可，且嵌岩段应作为整体来考虑；刘松玉等（1998）[11]认为最大嵌岩深度为7d；刘兴远，郑颖人等（1998）[12]认为一律将最佳嵌固深度定为3倍桩径的提法似乎不够合理，且易产生误导作用，而应该根据具体所嵌入的岩体状态来进行确定。刘树亚等（1999）[13]认为所谓“最大嵌岩深度”，只是相对某一岩性而言，当桩岩模量Ep和Er处于同量级且界面胶结条件良好时，从工程角度讲，可以把5d作为嵌岩桩的最大嵌岩深度，在满足沉降和承载力双准则的基础上，从经济的角度来考虑嵌岩深度越浅越好；林天健（1999）[14]认为嵌岩深度应根据岩石的坚硬程度确定嵌岩桩的深度，硬质岩石以控制在（50±20）cm，软质岩石以控制在（80±20）cm；张忠苗（2001）[15]指出不存在最大入岩深度，但存在一个最佳入岩深度h=1.5～2.5m，因为在该深度下桩端荷载分担比高；JGJ94-2008[2]指出：嵌岩深度应综合荷载、上覆土层、基岩、桩径、桩长诸因素来确定，当岩面较为平整且上覆土层较厚时，嵌岩深度宜采用0.2d或不小于0.2m；许锡宾等（2010）[16]认为最土层侧摩阻力Qsk桩体嵌岩段的岩层土层桩端阻力Qpk岩层侧摩阻力Qrkhs桩顶荷载Qhr图1嵌岩桩受力分析规划设计佳嵌岩深度对于硬质基岩取3d，软质基岩取5d较为合理；孟明辉等（2013）[17]建议可按桩端阻力占上部荷载30%～60%的比例来确定合理的嵌岩深度；王小卫等（2013）[18]认为嵌岩深度没有一个最大值，而有一个最佳的嵌岩深度，是桩侧摩阻力及桩端阻力发挥最为协调的深度，且该最佳深度不是一个定值，尚需具体工程具体分析。从国内外学者的研究成果来看，大直径嵌岩桩确实存在着嵌岩深度效应，且存在最佳嵌岩深度，但不一定存在最大嵌岩深度。当嵌岩到达一定的深度后，继续增加嵌岩深度，对桩承载能力的提高已不明显，甚至无助于承载能力的提高。这是因为在竖向荷载一定的情况下，增加嵌岩深度，势必导致极限桩侧摩阻力增加，极限桩端阻力减小，嵌岩深度增加到一定程度后，桩端阻力远远没有达到桩底岩石实际所能提供的反力，这样势必会造成浪费；另一方面，由于嵌岩桩桩侧阻力总是先于桩端阻力而发挥作用的，嵌岩深度过大会制约桩岩之间的相对位移的产生，影响桩端阻力的发挥。因此，嵌岩桩存在最佳嵌岩深度，使桩侧摩阻力和桩端阻力都能够充分发挥出来，达到最佳效果。

4结语

通过对大直径嵌岩灌注桩竖向承载性状的研究分析，从而得出以下结论：

1）嵌岩桩的荷载传递是一个极其复杂的、桩-土-岩共同作用相互影响的过程。嵌岩桩在设计阶段属于端承型摩擦桩，在极限承载状态下属于摩擦型端承桩，只是在不同的加载阶段中各部分所分担的荷载比例不同，因而其承载力在加载全过程中均是由上覆土层中侧阻、嵌岩段侧阻及桩端阻力三部分组成。嵌岩桩的柱顶荷载通过桩侧岩土体阻力逐渐传递到桩端，侧阻力和端阻力并不同时发挥，上部土层的侧阻力总是先于下部土层发挥出来，非嵌岩段侧阻力早于嵌岩段侧阻力，而嵌岩段桩侧阻力又是先于桩端阻力发挥出来。侧阻力和端阻力也不会同时达到极限值。

2）规范中给出了嵌岩桩承载力的计算方法，经验参数较多，取值往往较大且偏于保守，地区适应性较强，而且几乎都没涉及到设计位移值。大部分公式只笼统地考虑了桩周、桩端岩石的强度和嵌入深度，而对影响其承载力的岩石结构特征、桩端条件、桩径的大小以及桩岩界面的粗糙度等都没有加以考虑。正是由于这些因素的影响，嵌岩桩的承载性状的差异很大。

3）通过对嵌岩桩的嵌入深度的探讨，得出嵌岩桩确实存在着最佳嵌岩深度，但不一定存在着最大嵌岩深度，并且最佳嵌岩深度随着基岩强度的减弱而增大。

参考文献：

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［2］中华人民共和国建设部.JGJ94-2008，建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［4］中华人民共和国铁道部.B10002.5-2005，铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

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作者:范昕然 吴同情 李安钡 于坤朋 单位:重庆交通大学河海学院，重庆科技学院建筑工程学院