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；比較了國內現行規范關于嵌巖樁豎向承載力的計算方法。針對規范的計算結果與工程實測資料相比偏于保守的主要原因，提出現行規范有待進一步修訂的內容。文章還介紹并總結了國內外對大直徑嵌巖樁關于嵌巖深度的研究現狀及理論方法。
關鍵詞：
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，群樁效應小的優點。現已廣泛應用于高層建筑、大跨橋梁、港工及重型構筑物的基礎中，嵌巖樁豎向承載力的研究是建筑物樁基技術中的一項重要課題，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《建筑地基基礎設計規范》[1]中規定嵌巖樁按端承樁設計。進入90年代后，中國在修訂JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》[2]時有所突破，認識到樁側阻力不可忽視，提出了嵌巖樁承載力由樁與土間的側摩阻力、嵌巖段的側摩阻力及樁端阻力三部分組成，并給出了半經驗公式。嵌巖樁的樁頂荷載由樁側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、樁端基巖的性質和嵌巖深度的不同，樁側阻力對樁承載力發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、巖體結構強度和樁與圍巖接觸性狀的嵌巖樁豎向荷載傳遞規律。嵌巖樁在豎向荷載作用下，首先樁體發生豎向位移，樁和樁側土之間產生相對位移，因而樁側土對樁身產生向上的樁側摩阻力。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，這時樁側非嵌巖段側摩阻力和嵌巖段側摩阻力同時發揮作用。當荷載增加到一定值時，樁側各點的摩阻力達到極限值并趨于穩定。若此時荷載繼續增加，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
經過近十多年的研究，工程界和學術界已取得共識，認為嵌巖樁的承載力一般應包括覆蓋土層的側阻力、嵌巖段側阻力及樁端阻力三部分；其受力分析簡圖如圖1所示。這類計算模式在規范JGJ94-2008[2]、TB10002.5-2005《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》[4]、JTGD63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》[5]以及GB50007-2002《建筑地基基礎設計規范》[1]中都有所體現。GB50007-2002[1]中規定對于樁端嵌入完整及較完整的硬質巖中，按端承樁設計，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、側阻發揮系數，由清底情況及巖石破碎程度確定。JTGD63-2007[5]中規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及上覆土層數；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揮系數；c2i為由清孔情況、破碎程度等確定的第i層巖層的側阻力發揮系數；ζs為覆蓋層土的側阻力發揮系數；li為各土層的厚度，m。JGJ94-2008[2]中規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阻力、嵌巖段總極限阻力，kN；qsik為樁周第i層土的極限側阻力，kPa；frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值，kPa；ζr為嵌巖段側阻和端阻綜合系數，與嵌巖深徑比及巖石軟硬程度和成樁工藝有關。從各個規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，未考慮樁側巖土層的承載作用；而TB10002.5-2005[4]和JTGD63-2007[5]的側阻力修正系數依巖石破碎程度選取具有較強的經驗性，且計算模式相對保守；JGJ94-2008[2]不僅考慮了樁側土層、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阻及端阻修正系數與嵌巖深徑比的關系。但整體而言，各規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上的，而工程中的巖體性質是各種各樣的，端阻綜合系數的取值以單軸抗壓強度來取值缺乏一定的合理性，從而導致規范的計算結果與工程實測資料相比偏于保守，所以現行規范有待進一步修訂。
3基于荷載傳遞機理的嵌巖深度探討
嵌巖深度的確定關系到嵌巖樁設計的安全與經濟是否合理，是嵌巖樁設計中最重要的參數。嵌巖深度過大，雖然安全可靠，但施工難度增大，經濟不合理；嵌巖深度過小，樁端巖層性質差，承載力和沉降難以滿足上部結構要求，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]假設樁側阻力和樁端阻力全部發揮，根據設計的樁徑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，認為樁側阻力隨著嵌入深度的增大而略有減小，單位側阻隨著樁徑的增大而有所減小，以及巖性越好，樁側極限阻力越大。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，且易產生誤導作用，而應該根據具體所嵌入的巖體狀態來進行確定。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上，從經濟的角度來考慮嵌巖深度越淺越好；林天健（1999）[14]認為嵌巖深度應根據巖石的堅硬程度確定嵌巖樁的深度，硬質巖石以控制在（50±20）cm，軟質巖石以控制在（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]認為最土層側摩阻力Qsk樁體嵌巖段的巖層土層樁端阻力Qpk巖層側摩阻力Qrkhs樁頂荷載Qhr圖1嵌巖樁受力分析規劃設計佳嵌巖深度對于硬質基巖取3d，軟質基巖取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，是樁側摩阻力及樁端阻力發揮最為協調的深度，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，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，由于嵌巖樁樁側阻力總是先于樁端阻力而發揮作用的，嵌巖深度過大會制約樁巖之間的相對位移的產生，影響樁端阻力的發揮。因此，嵌巖樁存在最佳嵌巖深度，使樁側摩阻力和樁端阻力都能夠充分發揮出來，達到最佳效果。
4結語
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。嵌巖樁在設計階段屬于端承型摩擦樁，在極限承載狀態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阻、嵌巖段側阻及樁端阻力三部分組成。嵌巖樁的柱頂荷載通過樁側巖土體阻力逐漸傳遞到樁端，側阻力和端阻力并不同時發揮，上部土層的側阻力總是先于下部土層發揮出來，非嵌巖段側阻力早于嵌巖段側阻力，而嵌巖段樁側阻力又是先于樁端阻力發揮出來。側阻力和端阻力也不會同時達到極限值。
2）規范中給出了嵌巖樁承載力的計算方法，經驗參數較多，取值往往較大且偏于保守，地區適應性較強，而且幾乎都沒涉及到設計位移值。大部分公式只籠統地考慮了樁周、樁端巖石的強度和嵌入深度，而對影響其承載力的巖石結構特征、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