嵌岩桩的承载特性与承载力计算模式分析

2022-09-10

嵌岩桩, 顾名思义就是桩端嵌入岩石一定深度的桩, 特别是大直径嵌岩桩由于具有承载力大、单桩沉降及群桩沉降小、抗震性能好、并能充分利用基岩承载能力及混凝土抗压强度等特点, 在建筑、市政、公路铁路桥梁、港口码头等工程领域中得到广泛的应用, 在基岩埋藏深度不深的地区, 采用大直径桩经济效益显著。但是在实际工程中, 由于对嵌岩桩承载特性与荷载传递机理缺乏足够的认识, 导致在嵌岩桩设计与承载力取值方面存在一些误区, 即一方面不管嵌岩桩的长径比大小、上覆土层特性、成桩工艺 (有无沉渣) 等, 一律把嵌岩桩作为端承桩进行设计;另一方面是不适当地增加嵌岩深度或不考虑基岩的软硬程度而采用扩底, 从而造成工期延长、施工难度增加以及不必要的浪费。进入90年代以后, 对于大直径嵌岩桩的单桩竖向荷载研究较多, 尤其是桩周土侧阻力与桩端阻力的分配关系, 不少专家学者做过大量的工作[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。随着试桩资料和实测资料的增加以及对嵌岩桩的试验研究和大量的工程实践, 得到了许多研究成果, 人们在工程中已认识到, 嵌岩桩的侧阻力不能忽视, 有时可以成为平衡外荷载的主要反力, 因此, 嵌岩桩有时并不是单纯的端承桩, 可以是摩擦端承桩、端承摩擦桩, 甚至是摩擦桩。

1 嵌岩桩的承载特性

按承载性状分类将桩分为摩擦桩和端承桩两种, 由桩侧摩擦力支承荷载的称为摩擦桩, 由桩端阻力支承荷载的称为端承桩。嵌岩桩的承载特性与桩的长径比、上覆土层性质与厚度、嵌岩段的岩性、嵌入深度及成桩工艺 (有无沉渣) 等有关:当桩端有较好的持力层, 有一些端阻力, 但在极限承载力状态下, 桩顶荷载主要由上覆土层提供的桩侧阻力承担, 传递到嵌岩部分的力就很小, 这时就呈摩擦桩性状;当上覆土层较薄, 且主要为软土, 能提供的桩侧摩阻力较为有限时, 在在极限承载力状态下, 桩顶荷载主要由桩端阻力承担, 这时就呈端承桩性状。

由于嵌岩桩的荷载--沉降性状受多种因素影响, 很难作出准确的预计。因而我们只能对嵌岩桩的承载性状进行基本分析。嵌岩桩的桩顶沉降主要由二部分组成:一是桩身混凝土的弹性压缩;二是桩底基岩的应变。这二种分量的相互关系受荷载传递机理的支配。施加在桩顶的荷载通过桩端阻力和桩侧阻力传递给桩周的土体和桩底的基岩, (其中桩侧阻力包括桩周土体侧阻力和嵌岩段侧阻力) , 桩底基岩和桩周土体应变的相对大小, 决定着桩端阻力和桩侧阻力的发挥程度。各位移分量的大小取决于桩的几何形状、荷载大小、成桩工艺及桩底基岩桩周土体和桩身混凝土的弹性模量。

对于深长的大直径钻孔嵌岩桩, 其承载特性与非嵌岩桩的荷载传递规律也相似[3], 图1为钻孔灌注桩的桩身轴力随深度变化曲线 (覆盖层为冲洪积相的粘性土和砂土, 嵌岩深度2.2m) 。从图中可看出, 增加了桩长, 嵌入了岩石, 但承载力并没有显著提高;桩身荷载 (轴力) 随深度明显地减小, 说明侧摩阻力得到了比较充分地发挥, 而基岩的端承作用未得到有效的利用;嵌岩与不嵌岩的条件并不影响侧摩阻力的发挥。因此, 深长的大直径钻孔嵌岩桩为摩擦桩, 而非端承桩, 但应注意嵌岩段具有较高的侧阻力, 嵌岩的主要作用在于发挥其桩侧阻力, 而不在其端阻力。图2为桩进入新鲜岩石和强风化岩的荷载传递曲线, 从图中可看出, 荷载 (轴力) 均随深度递减, 且两者端阻力都比较小。

一般来说, 嵌岩桩的承载性状具有如下特性。

(1) 对于粗短、清底良好的嵌岩桩 (L/d≤5) , 且嵌岩不深 (嵌岩深径比dr/r0<0.5) , 端阻力才先于上覆土层的侧阻力发挥, 且端阻力起主要作用, 其承载特性属端承桩。还有如考虑到冲刷的影响而忽略全部土层的侧阻力的桥梁嵌岩桩, 其也属端承桩范畴。

(2) 当桩端持力层为中风化硬质岩 (如花岗岩) 和微风化软质岩 (如砂岩) , 且长径比L/d≤10冲钻孔桩和长径比L/d≤12的人工挖孔桩, 嵌岩桩可按端承桩考虑。

(3) 沿海地区、大面积深厚填土区或自重湿陷性黄土地区, 当长径比L/d比较大, 而桩侧处于厚层软土中 (如欠固结淤泥) 或自重湿陷性黄土、松散填土时, 则将产生负摩阻力的情况。其承载力主要靠嵌岩段侧阻和端阻承担, 嵌岩桩可按端承桩考虑。

(4) 对于长径比L/d>15-20的泥浆护壁冲钻孔灌注桩, 无论嵌入风化岩还是完整基岩中, 其荷载传递具有摩擦型桩的特性, 一般端承桩所占比例不超过20%, 属于摩擦型桩。

(5) 当长径比L/d≥40, 且覆盖层为非软弱土层时, 嵌岩桩的端承作用较小, 桩端嵌入中微风化或新鲜基岩不会明显改变桩的承载性状, 上部荷载主要由桩侧摩阻承担, 属于摩擦桩。当长径比L/d接近100时, 桩端土性质的影响几乎为零。

(6) 对于嵌入软质基岩, 桩周为均匀硬土层且长径比L/d较大的嵌岩桩。桩侧阻和端阻充分发挥所需的极限相对位移同桩周土体和桩底基岩的强度有关, 强度越高所需的极限位移越小, 强度越低则所需的极限位移越大。当桩底基岩较软, 长径比较大时, 桩顶荷载作用下, 桩身位移相对较大, 桩周土体强度较高时, 其发挥极限侧阻所需位移相对较小, 故桩侧阻力首先达到极限值, 此时桩端阻力尚未达到极限值, 这种嵌岩桩, 其端阻只占桩总承载能力的一部分, 可称为端承摩擦桩 (侧阻占大部分) 或摩擦端承桩 (端阻占大部分) 。

(7) 对于嵌入硬质基岩, 当混凝土桩的孔底沉渣较厚, 因嵌岩桩存在“软垫”效应, 桩的承载性状表现为摩擦桩或摩擦端承桩 (当沉渣较薄时) 。

1.1 嵌岩桩侧摩阻力

嵌岩桩的荷载传递特征是荷载首先通过侧阻力传递于嵌岩段侧壁, 在产生一定的剪应变后, 一部分荷载才传递到桩底。由于嵌岩段的单位侧阻力比土层高很多, 因而端阻力所占的比例很低。嵌岩桩侧摩阻力在几个毫米时就可以发挥[5], 桩身的压缩量很容易达到毫米级, 就足以发挥侧摩阻力, 因此, 荷载是从桩顶依次向下传递, 桩顶的荷载大部分被侧摩阻力所平衡, 传给桩端的荷载就剩下不多了。

大量实测资料表明, 嵌岩桩的端阻力与侧阻力之比并不接近于1.0, 根据国内外150根嵌岩桩的实测资料 (1) (其中国内39根国外111根;无覆盖层20根, 有覆盖层130根, 长度l=3.0m~55.0m, 直径d=0.5m~8.0m L/d=1~63.7) , 给出了嵌岩桩在竖向荷载下端阻分担荷载比Qpk/Quk与桩的长径比L/d之间的关系。当L/d从1增加至20时, Qpk Quk自100%随L/d增大而递减至大约30%;L/d当从20增大至63.7时, Qpk/Quk一般不会超过30%, 其中大部分桩在20%以下, 不少桩在5%以下。与此相对应, 桩的侧阻力 (严格地说应包括侧阻力和嵌固力) 大约在L/d10~20时开始起主要作用, 侧阻分担荷载比Qsk/Quk随L/d增大而增大, 一般保持在70%以上, 大部分在以上80%, 不少桩在95%以上, 这是因为桩身的弹性压缩变形就足以使侧阻力得到发挥。

侧阻力占很大比例的原因有三点。

(1) 较长的桩受荷后桩身的弹性压缩量比较大, 桩土之间相对位移也比较大, 足以使侧阻得以发挥。

(2) 由于施工工艺的限制, 桩底沉渣很难清除干净, 桩愈长, 沉渣愈难清除, 沉渣的压实使桩身位移, 提供了侧阻发挥的条件。

(3) 由于岩石与桩的连接是脆性的, 在较小的位移条件下嵌固段的阻力就可以达到峰值, 而且先于土的侧阻力得到发挥, 嵌固深度愈深, 端阻力的比例愈低。

1.2 嵌岩端阻力

嵌岩桩可采用机械钻孔或人工挖孔方法成孔, 将桩嵌入岩体内一定的深度。嵌入基岩部分的桩与基岩的相互作用比较复杂, 嵌岩段的嵌固力与底部的端阻力发挥的过程是不同的。嵌岩桩的端阻力与桩的极限承载力之比随嵌岩深径比 (桩嵌入中或微风化岩体的深度与桩径之比) 增大而急剧减小, 侧阻力与深径比的关系不大;桩嵌岩越深, 端阻力的贡献越小;与一般的观念正好相反。

图3所示为不同桩、岩刚度比Ep/Er (Ep-桩身弹性模量、Er-岩石弹性模量) 干作业条件下, 桩端分担荷载比Fb/Ff (Fb-总桩端阻力、Ff-岩面桩顶荷载) 随着嵌岩深径比dr/r0的变化。从图中看出, 桩端总阻力Fb随Ep/Er增大而增大, 随深径比增大而减小。

实测资料说明, 当嵌岩深度为3倍桩径时, 桩的嵌固力与端阻力可以得到很好的配合, 嵌固力占总承载力的75%以上, 可以用最少的工程量获得最佳的承载效果。当嵌岩深度超过5倍桩径后, 端阻力反而趋近于零[11] (端阻系数ζp=0) 。新修订的《建筑桩基技术规范》 (2) 最佳嵌岩深度为0.5~1倍桩径, 当嵌岩深度超过3倍桩径后, 端阻力不计 (端阻系数ζp=0) , 见表1。文献[6]指出:对于大直径超长钻孔灌注桩, 若桩端嵌岩条件较好时, 其承载特性表现为端承摩擦桩, 端承力约占荷载的20%, 同时, 加大嵌岩段的深度对提高承载力的效果不是很明显, 通常嵌入到中微风硬质岩0.5倍的桩径即可。当基岩为硬质岩时, 由于桩身混凝土强度与岩石抗压强度相当, 因此, 一味采用扩大桩端, 只会造成浪费及施工难度加大。而红层 (软质岩) 中, 最佳嵌岩深度为3倍桩径, 最大嵌岩深度为5倍桩径[10]。

对于端承型或摩擦端承型的嵌岩桩, 由于岩体的侧阻和端阻都很高, 应适当提高砼强度等级及其配筋率, 以尽可能发挥基岩的作用。

2 嵌岩桩承载力的计算模式

嵌岩桩承载力计算模式大体分成三类[11,12,13,14,15,16]。

第一类是只计桩端阻力, 其端阻力的确定方法是将岩石饱和单轴极限抗压强度乘以某一折减系数, 只符合支承于基岩表面的短粗桩的承载力性状, 如《建筑地基基础设计规范》 (GBJ7-89) 。《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2002) 延续GBJ7-89规范, 按端承桩设计, 给出的嵌岩桩承载力估算式:

式中:Ra为嵌岩桩单桩竖向承载力特征值;qpa为桩端岩石承载力特征值;Ap为桩底端横截面面积。

其只计端阻力, 而不计侧阻、嵌岩阻力, 主要是考虑到硬质岩的强度超过桩身混凝土强度, 设计以桩身强度控制, 不必再计入侧阻、嵌岩阻力等不定因素, 简化计算。

第二类是嵌岩桩的承载力只计嵌岩部分的侧阻力和端阻力, 不计覆盖土层的侧阻力。如《铁路桥涵地基和基础设计规范》 (TB10002.5-2005) 和《公路桥涵地基与基础设计规范》 (TJT024-85) 给出的嵌岩桩承载力估算式:

式中:[P]为桩的容许承载力;R为岩石单轴抗压强度;A为桩底截面面积;U为桩嵌入基岩部分的截面周长;h为桩嵌入基岩深度;C1、C2为系数, 根据岩石破碎程度和清底情况决定) 均属此类, 主要是考虑到冲刷的影响而忽略全部土层的侧阻力。

第三类是嵌岩桩的承载力由3部分组成, 即土层的侧阻力、嵌岩段的侧阻力和端阻力, 如《建筑桩基技术规范》 (JGJ94-94) 、《高层建筑岩土工程勘察规程》 (JGJ72-2004) 和《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》 (JTJ285-2000) 。其端阻力和嵌岩段的侧阻力都与岩石的饱和单轴抗压强度建立联系, 用经验的计算系数表示。同时, 高规 (JGJ72-2004) 给出了嵌岩桩岩石极限侧阻力和极限端阻力值取值范围。

桩基规范 (JGJ94-94) 给出的嵌岩桩承载力估算式:

式中:Quk为嵌岩桩单桩竖向承载力标准值;Qsk为土的总极限侧阻力标准值;Qrk为嵌岩段总极限侧阻力标准值;Qpk为总极限端阻力标准值。

3 结语

(1) 嵌岩桩可表现为端承及摩擦两种不同的承载性状, 不应将嵌岩桩一概视为端承桩。它可以是摩擦端承桩、端承摩擦桩, 甚至是摩擦桩, 在工程设计中应根据实际情况, 具体判定嵌岩桩的承载特性。

(2) 嵌岩桩侧摩阻力的分担比例随长径比 (L/d) 的增大而增大;当桩的长径比较大 (L/d>20) , 而覆盖层又不太软弱的情况下, 侧阻力分担荷载比Qsk/Quk都超过了70%, 大部分在80%以上, 端阻力分担荷载的比例很小。

(3) 嵌岩桩的端阻力与桩的极限承载力之比随嵌岩深径比增大而急剧减小, 桩嵌岩越深, 端阻力的贡献越小;侧阻力与深径比的关系不大。最佳嵌岩深度:中-微风硬质岩0.5~1倍桩径, 软质岩为2~3倍桩径。

(4) 对于端承型或摩擦端承型的嵌岩桩, 由于岩体的侧阻和端阻都很高, 应适当提高砼强度等级及其配筋率, 以尽可能发挥基岩的作用。

(5) 在具体工程实践中, 应根据嵌岩桩的承载特性, 按相应的计算模式正确估算嵌岩桩单桩承载力。

摘要：嵌岩桩是在端承桩的基础上发展起来的, 在计算嵌岩桩承载力时, 过去常忽略覆盖层的侧阻力, 将嵌岩桩作为直接传递荷载给基岩的受压柱看待, 荷载全部由桩端承担。本文通过对嵌岩桩的长径比大小、上覆土层特性、嵌岩段的岩性、及成桩工艺 (有无沉渣) 等分析, 得到嵌岩桩不一定是端承桩的概念, 从而改变了人们对嵌岩桩承载特性的认识:即嵌岩桩的长度越长, 长径比越大, 上覆土层越硬、嵌岩深径比越大、嵌入岩体越深, 嵌岩桩的承载性状越表现为摩擦型桩, 而离端承桩也越来越远。并对现行的几种嵌岩桩承载力的计算模式进行分析。

关键词：嵌岩桩,承载特性,承载力计算模式