大直徑嵌巖灌注樁承載力探究范文

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《東北水利水電雜志》2016年第10期

摘要：

本文對大直徑嵌巖灌注樁的豎向承載性狀進行分析，探討了嵌巖樁的豎向承載機理；比較了國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于嵌巖樁豎向承載力的計算方法。針對規(guī)范的計算結(jié)果與工程實測資料相比偏于保守的主要原因，提出現(xiàn)行規(guī)范有待進一步修訂的內(nèi)容。文章還介紹并總結(jié)了國內(nèi)外對大直徑嵌巖樁關(guān)于嵌巖深度的研究現(xiàn)狀及理論方法。

關(guān)鍵詞：

嵌巖灌注樁；豎向承載機理；嵌巖深度；大直徑樁

大直徑樁一般是指直徑大于或等于800mm的樁，它的使用可以顯著提高樁的承載能力。在基巖埋深較淺的情況下，常將大直徑灌注樁穿過全部覆蓋層，將其嵌入到基巖中，形成一種新的樁型———大直徑嵌巖灌注樁。大直徑嵌巖灌注樁具有單樁承載力高，入土深，沉降小，抗震性能好，群樁效應(yīng)小的優(yōu)點?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高層建筑、大跨橋梁、港工及重型構(gòu)筑物的基礎(chǔ)中，嵌巖樁豎向承載力的研究是建筑物樁基技術(shù)中的一項重要課題，嵌巖樁作為新概念，在理論上仍需不斷完善、補充。

1嵌巖灌注樁的荷載傳遞機理

20世紀90年代以前，中國普遍認為嵌巖樁是端承樁，GB50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[1]中規(guī)定嵌巖樁按端承樁設(shè)計。進入90年代后，中國在修訂JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]時有所突破，認識到樁側(cè)阻力不可忽視，提出了嵌巖樁承載力由樁與土間的側(cè)摩阻力、嵌巖段的側(cè)摩阻力及樁端阻力三部分組成，并給出了半經(jīng)驗公式。嵌巖樁的樁頂荷載由樁側(cè)阻力與樁端分擔的過程，實際上是樁-土-巖體系的荷載傳遞過程。大量現(xiàn)場荷載實驗表明，嵌巖樁在豎向荷載作用下，隨著基巖以上覆蓋土層的物理力學指標和層厚不同、樁身長徑比、樁端基巖的性質(zhì)和嵌巖深度的不同，樁側(cè)阻力對樁承載力發(fā)揮著不同程度的作用。美國著名學者R.E.Goodman[3]，提出了綜合考慮荷載、樁體強度、巖體結(jié)構(gòu)強度和樁與圍巖接觸性狀的嵌巖樁豎向荷載傳遞規(guī)律。嵌巖樁在豎向荷載作用下，首先樁體發(fā)生豎向位移，樁和樁側(cè)土之間產(chǎn)生相對位移，因而樁側(cè)土對樁身產(chǎn)生向上的樁側(cè)摩阻力。荷載沿樁身向下傳遞的過程中，必須不斷地克服這種摩阻力，因此樁身截面軸向力隨深度逐漸減小。隨著荷載的增加，嵌巖段摩阻力被調(diào)動起來，樁端開始承擔部分荷載，并且其值隨所施加荷載的增大而逐漸增大，這時樁側(cè)非嵌巖段側(cè)摩阻力和嵌巖段側(cè)摩阻力同時發(fā)揮作用。當荷載增加到一定值時，樁側(cè)各點的摩阻力達到極限值并趨于穩(wěn)定。若此時荷載繼續(xù)增加，則其增量將全部由樁端阻力來承擔，直至達到巖體的極限。

2嵌巖樁承載力的計算方法

經(jīng)過近十多年的研究，工程界和學術(shù)界已取得共識，認為嵌巖樁的承載力一般應(yīng)包括覆蓋土層的側(cè)阻力、嵌巖段側(cè)阻力及樁端阻力三部分；其受力分析簡圖如圖1所示。這類計算模式在規(guī)范JGJ94-2008[2]、TB10002.5-2005《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[4]、JTGD63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[5]以及GB50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[1]中都有所體現(xiàn)。GB50007-2002[1]中規(guī)定對于樁端嵌入完整及較完整的硬質(zhì)巖中，按端承樁設(shè)計，并按下式計算單樁豎向承載力：Ra=qpaAp（1）式中：Ra為嵌巖單樁豎向承載力特征值，kN；qpa為樁端巖石承載力特征值，kPa；Ap為樁端橫截面面積，m2。TB10002.5-2005[4]中規(guī)定嵌巖樁的嵌固深度不得少于0.5m，嵌巖樁的承載力由嵌巖段的側(cè)阻力及端阻力組成，如下式所示：［P］=R（C1A+C2Uh）（2）式中：［P］為單樁容許承載力，kN；R為巖石單軸抗壓強度，kPa；A為樁底截面面積，m2；U為樁身嵌巖段截面周長，m；h為嵌巖深度，m；C1，C2分別為端阻、側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)，由清底情況及巖石破碎程度確定。JTGD63-2007[5]中規(guī)定嵌巖樁的承載力按下式計算：Ra=c1Apfrk+umi=1Σc2ihifrki+12ζsuni=1Σliqik（3）式中：Ra為單樁豎向承載力容許值，kN；hi為樁嵌入各巖層部分的厚度，m；u為各土層或各巖層部分的樁身周長，m；m，n分別為嵌入巖層層數(shù)及上覆土層數(shù)；frk為樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值，kPa；qik為第i層土的側(cè)阻力標準值，kPa；c1為由清孔情況、巖石破碎程度等確定的端阻力發(fā)揮系數(shù)；c2i為由清孔情況、破碎程度等確定的第i層巖層的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)；ζs為覆蓋層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)；li為各土層的厚度，m。JGJ94-2008[2]中規(guī)定將上覆土層的摩阻力計為組成嵌巖樁單樁承載力的一部分的同時，規(guī)定嵌巖段的總極限阻力按下式計算：Quk=Qsk+Qrk（4）Qsk=u鄱qsikli（5）Qrk=ζrfrkAp（6）式中：Quk為單樁豎向極限承載力；Qsk，Qrk分別為土的總極限側(cè)阻力、嵌巖段總極限阻力，kN；qsik為樁周第i層土的極限側(cè)阻力，kPa；frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值，kPa；ζr為嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，與嵌巖深徑比及巖石軟硬程度和成樁工藝有關(guān)。從各個規(guī)范給出的承載力計算公式可以看出，GB50007-2002[1]中給出的計算模式僅考慮基巖的端承作用，未考慮樁側(cè)巖土層的承載作用；而TB10002.5-2005[4]和JTGD63-2007[5]的側(cè)阻力修正系數(shù)依巖石破碎程度選取具有較強的經(jīng)驗性，且計算模式相對保守；JGJ94-2008[2]不僅考慮了樁側(cè)土層、嵌巖段巖層及樁端基巖三者共同承載荷載的作用，而且建立了嵌巖段側(cè)阻及端阻修正系數(shù)與嵌巖深徑比的關(guān)系。但整體而言，各規(guī)范中嵌巖部分總阻力的計算是建立在巖石單軸抗壓強度的基礎(chǔ)上的，而工程中的巖體性質(zhì)是各種各樣的，端阻綜合系數(shù)的取值以單軸抗壓強度來取值缺乏一定的合理性，從而導致規(guī)范的計算結(jié)果與工程實測資料相比偏于保守，所以現(xiàn)行規(guī)范有待進一步修訂。

3基于荷載傳遞機理的嵌巖深度探討

嵌巖深度的確定關(guān)系到嵌巖樁設(shè)計的安全與經(jīng)濟是否合理，是嵌巖樁設(shè)計中最重要的參數(shù)。嵌巖深度過大，雖然安全可靠，但施工難度增大，經(jīng)濟不合理；嵌巖深度過小，樁端巖層性質(zhì)差，承載力和沉降難以滿足上部結(jié)構(gòu)要求，偏于不安全。在對嵌巖樁承載性能研究的初期，曾一度認為嵌巖樁嵌固深度越深，嵌巖樁樁端阻力越大，從而承載能力越大，但隨著研究的逐漸深入，開始意識到，單純的增加入巖深度，在一定深度范圍內(nèi)能有效提高承載力，超過某一深度后，對單樁承載力幾乎沒有提高，即所謂的最大嵌巖深度和最佳嵌巖深度的問題。Pells和Turner（1979）[6]假設(shè)樁側(cè)阻力和樁端阻力全部發(fā)揮，根據(jù)設(shè)計的樁徑d，求出樁端反力Qb，進而求出嵌巖深度L=(Qs-Qb)/(πdτ)；Rowe和Armitage（1987）[7]對嵌巖樁樁巖模量比、相對嵌入深度等進行了分析，認為樁側(cè)阻力隨著嵌入深度的增大而略有減小，單位側(cè)阻隨著樁徑的增大而有所減小，以及巖性越好，樁側(cè)極限阻力越大。黃求順（1992）[8]認為當嵌巖深度大于5d時，樁端以下無端阻存在，稱為“最大嵌巖深度”，而當柱嵌巖深度等于3d時，柱的側(cè)阻和端阻可以得到最佳配合，嵌入深度超過3d，樁的承載力增加甚微，稱3d為“最佳嵌巖深度”；明可前（1998）[9]通過試驗認為4d為嵌巖樁的最佳嵌巖深度；徐松林（1998）[10]認為嵌巖深度不宜過深，一般取1.0～1.5m即可，且嵌巖段應(yīng)作為整體來考慮；劉松玉等（1998）[11]認為最大嵌巖深度為7d；劉興遠，鄭穎人等（1998）[12]認為一律將最佳嵌固深度定為3倍樁徑的提法似乎不夠合理，且易產(chǎn)生誤導作用，而應(yīng)該根據(jù)具體所嵌入的巖體狀態(tài)來進行確定。劉樹亞等（1999）[13]認為所謂“最大嵌巖深度”，只是相對某一巖性而言，當樁巖模量Ep和Er處于同量級且界面膠結(jié)條件良好時，從工程角度講，可以把5d作為嵌巖樁的最大嵌巖深度，在滿足沉降和承載力雙準則的基礎(chǔ)上，從經(jīng)濟的角度來考慮嵌巖深度越淺越好；林天?。?999）[14]認為嵌巖深度應(yīng)根據(jù)巖石的堅硬程度確定嵌巖樁的深度，硬質(zhì)巖石以控制在（50±20）cm，軟質(zhì)巖石以控制在（80±20）cm；張忠苗（2001）[15]指出不存在最大入巖深度，但存在一個最佳入巖深度h=1.5～2.5m，因為在該深度下樁端荷載分擔比高；JGJ94-2008[2]指出：嵌巖深度應(yīng)綜合荷載、上覆土層、基巖、樁徑、樁長諸因素來確定，當巖面較為平整且上覆土層較厚時，嵌巖深度宜采用0.2d或不小于0.2m；許錫賓等（2010）[16]認為最土層側(cè)摩阻力Qsk樁體嵌巖段的巖層土層樁端阻力Qpk巖層側(cè)摩阻力Qrkhs樁頂荷載Qhr圖1嵌巖樁受力分析規(guī)劃設(shè)計佳嵌巖深度對于硬質(zhì)基巖取3d，軟質(zhì)基巖取5d較為合理；孟明輝等（2013）[17]建議可按樁端阻力占上部荷載30%～60%的比例來確定合理的嵌巖深度；王小衛(wèi)等（2013）[18]認為嵌巖深度沒有一個最大值，而有一個最佳的嵌巖深度，是樁側(cè)摩阻力及樁端阻力發(fā)揮最為協(xié)調(diào)的深度，且該最佳深度不是一個定值，尚需具體工程具體分析。從國內(nèi)外學者的研究成果來看，大直徑嵌巖樁確實存在著嵌巖深度效應(yīng)，且存在最佳嵌巖深度，但不一定存在最大嵌巖深度。當嵌巖到達一定的深度后，繼續(xù)增加嵌巖深度，對樁承載能力的提高已不明顯，甚至無助于承載能力的提高。這是因為在豎向荷載一定的情況下，增加嵌巖深度，勢必導致極限樁側(cè)摩阻力增加，極限樁端阻力減小，嵌巖深度增加到一定程度后，樁端阻力遠遠沒有達到樁底巖石實際所能提供的反力，這樣勢必會造成浪費；另一方面，由于嵌巖樁樁側(cè)阻力總是先于樁端阻力而發(fā)揮作用的，嵌巖深度過大會制約樁巖之間的相對位移的產(chǎn)生，影響樁端阻力的發(fā)揮。因此，嵌巖樁存在最佳嵌巖深度，使樁側(cè)摩阻力和樁端阻力都能夠充分發(fā)揮出來，達到最佳效果。

4結(jié)語

通過對大直徑嵌巖灌注樁豎向承載性狀的研究分析，從而得出以下結(jié)論：

1）嵌巖樁的荷載傳遞是一個極其復雜的、樁-土-巖共同作用相互影響的過程。嵌巖樁在設(shè)計階段屬于端承型摩擦樁，在極限承載狀態(tài)下屬于摩擦型端承樁，只是在不同的加載階段中各部分所分擔的荷載比例不同，因而其承載力在加載全過程中均是由上覆土層中側(cè)阻、嵌巖段側(cè)阻及樁端阻力三部分組成。嵌巖樁的柱頂荷載通過樁側(cè)巖土體阻力逐漸傳遞到樁端，側(cè)阻力和端阻力并不同時發(fā)揮，上部土層的側(cè)阻力總是先于下部土層發(fā)揮出來，非嵌巖段側(cè)阻力早于嵌巖段側(cè)阻力，而嵌巖段樁側(cè)阻力又是先于樁端阻力發(fā)揮出來。側(cè)阻力和端阻力也不會同時達到極限值。

2）規(guī)范中給出了嵌巖樁承載力的計算方法，經(jīng)驗參數(shù)較多，取值往往較大且偏于保守，地區(qū)適應(yīng)性較強，而且?guī)缀醵紱]涉及到設(shè)計位移值。大部分公式只籠統(tǒng)地考慮了樁周、樁端巖石的強度和嵌入深度，而對影響其承載力的巖石結(jié)構(gòu)特征、樁端條件、樁徑的大小以及樁巖界面的粗糙度等都沒有加以考慮。正是由于這些因素的影響，嵌巖樁的承載性狀的差異很大。

3）通過對嵌巖樁的嵌入深度的探討，得出嵌巖樁確實存在著最佳嵌巖深度，但不一定存在著最大嵌巖深度，并且最佳嵌巖深度隨著基巖強度的減弱而增大。

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作者:范昕然 吳同情 李安鋇 于坤朋 單位:重慶交通大學河海學院，重慶科技學院建筑工程學院