對(duì)部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于嵌巖樁單樁豎向承載力計(jì)算方法的探討

陶燕春

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200333)

目前國內(nèi)勘察設(shè)計(jì)企業(yè)的業(yè)務(wù)范圍漸漸從單行業(yè)拓展至多行業(yè)，而不同行業(yè)采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)理念并不完全一致，如樁基單樁豎向承載力計(jì)算公式均有所不同，相對(duì)而言，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算摩擦樁的單樁承載力公式大同小異，都是基于單樁豎向承載力等于樁側(cè)土阻力與樁端土阻力之和，尤其樁側(cè)土阻力計(jì)算公式主要的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均完全一致，僅在樁端土阻力計(jì)算時(shí)，不同規(guī)范采用的參數(shù)和公式有所區(qū)別，最終計(jì)算結(jié)果一般情況下也出入不大。但關(guān)于嵌巖樁，因出版年代、編制理念、安全度不同等原因，根據(jù)不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)所列公式計(jì)算的單樁豎向承載力有時(shí)可能會(huì)出入較大，故本文試以設(shè)計(jì)經(jīng)常使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡稱鐵路橋規(guī))、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](以下簡稱公路橋規(guī))、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3](以下簡稱建筑規(guī)范)為例，對(duì)部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于嵌巖樁單樁豎向承載力計(jì)算方法的異同及使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行探討。

1 部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于嵌巖樁單樁豎向承載力計(jì)算公式及編制說明

鐵路橋規(guī)條文5.3.4[1]所列“支承于基巖上或嵌入基巖內(nèi)的鉆(挖)孔樁、沉樁的單樁軸向受壓承載力容許值,可按下式計(jì)算]：[P]=R(C1A+C2Uh)”(公式1),各指標(biāo)代表意義詳見規(guī)范條文(下同),該計(jì)算公式表明鐵路橋規(guī)只考慮嵌巖樁嵌入基巖部分的側(cè)阻力和樁端阻力,而不考慮嵌巖樁經(jīng)過土層(包括強(qiáng)風(fēng)化層和全風(fēng)化層均不考慮)的樁側(cè)土摩阻力,同時(shí)在條文說明中進(jìn)行了相應(yīng)編制說明,認(rèn)為樁側(cè)土對(duì)樁身作用的向上摩阻力不容易確定,隨樁的施工方法、施工質(zhì)量、樁側(cè)土的類別、樁底土的堅(jiān)硬程度以及樁身的軸向剛度而異。為安全計(jì),該規(guī)范不考慮柱樁側(cè)面土承受樁身軸向荷載,而將柱樁承受的全部軸向荷載考慮由樁底堅(jiān)硬地層承受,柱樁側(cè)面土對(duì)樁身作用的摩阻力僅視為安全儲(chǔ)備[1]。

建筑規(guī)范條文5.3.9[3]中所列“樁端置于完整、較完整基巖的嵌巖樁單樁豎向極限承載力,由樁周土總極限側(cè)阻力和嵌巖段總極限阻力組成。當(dāng)根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),可按下列公式計(jì)算：Quk=Qsk+Qrk”(公式3),其中Qsk=u∑qsikli、Qrk=ζrfrkAp,同時(shí)在條文說明中對(duì)嵌巖段總極限阻力的構(gòu)成進(jìn)行了分解說明,相應(yīng)的也為嵌巖部分的側(cè)阻力、樁端阻力,只是編制時(shí)將側(cè)阻、端阻系數(shù)合并體現(xiàn)為計(jì)算公式中的側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)ζr,見表1[3],該表因放在條文說明中,故其含義及作用常被技術(shù)人員所忽視。

表1 嵌巖段側(cè)阻、端阻系數(shù)ζs、ζp及側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)ζr

2 使用各行標(biāo)嵌巖樁單樁承載力計(jì)算公式時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題

在使用各行標(biāo)進(jìn)行嵌巖樁單樁承載力計(jì)算時(shí),發(fā)現(xiàn)存在一些問題。

問題1：公路規(guī)范采用公式(2)計(jì)算嵌巖樁單樁承載力時(shí),明確規(guī)定強(qiáng)風(fēng)化層和全風(fēng)化層按土層考慮,同時(shí)規(guī)定樁端巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度值frk小于2 MPa時(shí)按摩擦樁計(jì)算,但未提供frk小于2 MPa的基巖(部分極軟巖)的樁側(cè)土極限摩阻力建議值,同時(shí)鐵路規(guī)范公式(1)也要求h為自新鮮巖石面算起的嵌入深度,兩個(gè)公式均未考慮硬質(zhì)巖強(qiáng)風(fēng)化基巖單軸抗壓強(qiáng)度可能較高甚至超過一部分極軟巖的情況,且樁基經(jīng)驗(yàn)參數(shù)表中均未提供強(qiáng)風(fēng)化基巖的樁側(cè)極限摩阻力建議值。當(dāng)樁周存在強(qiáng)風(fēng)化基巖時(shí),如何選取該層的樁側(cè)摩阻力參數(shù),或硬質(zhì)巖強(qiáng)風(fēng)化基巖是否可作為嵌巖樁考慮均未提及,尤其鐵路設(shè)計(jì)單位往往由設(shè)計(jì)人員自行查表確定樁側(cè)和樁端阻力值,而不是由勘察報(bào)告提供建議值,這樣對(duì)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高。

問題2：建筑規(guī)范提供了全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化基巖的樁側(cè)阻力建議值范圍,應(yīng)用公式(3)時(shí)可查表選取,但規(guī)范附注中對(duì)強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖和強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖定義為系指其母巖分別為frk≤15 MPa、frk>30 MPa的巖石,缺少(15,30]這一區(qū)間范圍,且簡單地用母巖強(qiáng)度劃分為2類而未考慮風(fēng)化巖強(qiáng)度、均勻性等狀況不盡合理。

問題3：鐵路規(guī)范公式(1)不考慮樁側(cè)土阻力,當(dāng)樁側(cè)土層及強(qiáng)風(fēng)化基巖總厚度達(dá)一定值且嵌入基巖為軟巖、極軟巖時(shí),此時(shí)實(shí)際樁側(cè)總阻力占比較大,直接按規(guī)范條文說明作為安全儲(chǔ)備不太合理,尤其遇設(shè)計(jì)對(duì)單樁承載力要求較高時(shí)(如大跨度橋梁),勢(shì)必造成嵌巖深度達(dá)較大值才能滿足設(shè)計(jì)要求。而根據(jù)文獻(xiàn)[4],當(dāng)泥漿護(hù)壁鉆(挖)孔嵌巖樁的長徑比L/d>15～20時(shí),加上樁底沉渣因素,其荷載傳遞具有摩擦樁的特征,即樁側(cè)阻力先于端阻力發(fā)揮出來,荷載并不是全由樁端承擔(dān),這樣樁基設(shè)計(jì)安全度偏大,不太經(jīng)濟(jì)。另外,當(dāng)樁基嵌入基巖一定深度后,經(jīng)常遇到嵌巖段為多種基巖軟硬相間(如砂頁巖互層等),甚至中間夾了強(qiáng)風(fēng)化層,這樣采用公式(1)時(shí)R、h值均無法按要求選取單一值,造成設(shè)計(jì)人員很大的困惑,甚至計(jì)算時(shí)不計(jì)軟夾層厚度,更加不經(jīng)濟(jì)。而建筑規(guī)范同樣也存在類似問題,當(dāng)嵌巖段地層多樣時(shí),公式(3)中的側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)ζr無法既經(jīng)濟(jì)又合理地按規(guī)范直接查表取值。

Qrk=[4(ζs1frk1h1+ζs2frk2h2+ζs3frk3h3)/

Qrk=ζs1frk1πdh1+ζs2frk2πdh2+

ζr=4(ζs1frk1h1+ζs2frk2h2+ζs3frk3h3)/

(frk3d)+ζp=0.877

表2 算例1各參數(shù)

3 根據(jù)不同行標(biāo)對(duì)相同地層條件下的單樁承載力估算案例

某鐵路客運(yùn)專線特大橋,標(biāo)準(zhǔn)梁跨32 m,采用承臺(tái)下8-φ1.00 m鉆孔樁,地層及主要樁基設(shè)計(jì)參數(shù)如表3(括號(hào)內(nèi)為同橋分區(qū)段存在的另一種基巖,為砂質(zhì)泥巖)。其中4-2層強(qiáng)風(fēng)化基巖的樁周極阻摩阻力值是假設(shè)R=5σ0(按極軟巖、節(jié)理不發(fā)育)、C2取0.03計(jì)算所得。

表3 各地層主要樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

按進(jìn)入4-3泥質(zhì)砂巖層6 m,采用公式(1)計(jì)算單樁容許力值[P]=6 000×(0.4×3.14×0.5×0.5+0.03×3.14×1×6)=5 275 kPa。此時(shí)按摩擦樁計(jì)算的樁側(cè)土總阻力(強(qiáng)風(fēng)化層及以上)為3.14×1×(55×8+10.6×60+5.4×105)/2=2 579 kPa,占比近49%。該橋基巖砂質(zhì)泥巖區(qū)段,若上部地層類同,則按公式(1)計(jì)算進(jìn)入基巖6 m時(shí)[P]僅為2 110 kPa,尚不如此時(shí)的樁側(cè)土層總阻力2 452 kPa,若改用“鐵規(guī)”摩擦樁公式計(jì)算將更為經(jīng)濟(jì)合理。相同地層若按公式(2)計(jì)算,取C1=0.5、C2=0.04、ζs=0.8,同樣進(jìn)入4-3層6 m,則單樁承載力容許值可分別達(dá)8 940 kPa和4 712 kPa。同樣按建筑規(guī)范計(jì)算進(jìn)入4-3層6 m,強(qiáng)風(fēng)化層樁側(cè)極限摩阻力按表3取值(為便于比較,未采用規(guī)范查表范圍值的下限140 kPa),查表ζr=1.63,按公式(3)計(jì)算得到的Quk除以2為單樁承載力特征值,分別為6 418 kPa和3 917 kPa。從本算例可見,若計(jì)入樁側(cè)土阻力,則鐵路規(guī)范計(jì)算所得的單樁承載力將比建筑規(guī)范稍大而比公路橋規(guī)略小(根據(jù)其他計(jì)算經(jīng)驗(yàn),鐵路規(guī)范摩擦樁公式因?qū)抖俗枇Φ陌踩绕咝?故按摩擦樁公式的計(jì)算結(jié)果會(huì)較另兩規(guī)范都略偏小些,本文不再表述),否則按公式(1)直接計(jì)算時(shí)則明顯小于后兩者,不太經(jīng)濟(jì)。

再按嵌巖1 m、樁端基巖為硬質(zhì)巖(取單軸飽和抗壓強(qiáng)度為30.1 MPa為例)、上部地層同表3為例,按公式(1)計(jì)算的單樁容許承載力為12 286 kPa,公式(2)為16 110 kPa,公式(3)為12 149 kPa,所以當(dāng)樁端為單軸抗壓強(qiáng)度較小的極軟巖、軟巖或樁側(cè)地層較厚且非軟弱土?xí)r,采用公式(1)計(jì)算因不考慮樁側(cè)土阻力作用,相對(duì)而言不太經(jīng)濟(jì)合理,而樁端為硬質(zhì)巖時(shí),采用3種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果更為接近,且此時(shí)設(shè)計(jì)采用的單樁承載力值應(yīng)考慮以樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制。

4 結(jié)論

因嵌巖樁的受力情況較為復(fù)雜,以往試驗(yàn)成果也相對(duì)較少,故不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式均有其適用性和局限性,相對(duì)而言,當(dāng)樁身地層相對(duì)較好且厚度較大、樁端置于極軟巖時(shí),采用“鐵規(guī)”嵌巖樁計(jì)算公式相對(duì)偏于安全,建議作摩擦樁方案比選,當(dāng)樁端置于硬質(zhì)巖時(shí),各行標(biāo)計(jì)算結(jié)果更為接近,同時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算,與巖土體提供的單樁承載力計(jì)算值進(jìn)行比較,取小值作為設(shè)計(jì)的單樁承載力值。

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