軟巖嵌巖樁豎向承載力規(guī)范計(jì)算方法對比分析及建議

Comparative Analysis on and Suggestions for Normative Calculation Methods for Vertical Bearing Capacity of Soft Rock-socketed Pile

李　成

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶　400016）

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軟巖嵌巖樁豎向承載力規(guī)范計(jì)算方法對比分析及建議

0　引言

工程中當(dāng)樁端嵌入巖體內(nèi)一倍樁徑時可以按嵌巖樁考慮［1］。嵌巖樁具有單樁承載力高、群樁效應(yīng)小，抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)Ⅱ得到廣泛應(yīng)⒚。由于嵌巖樁承載力的影響因素較多，各規(guī)范對嵌巖樁的定義不盡相同［2］，計(jì)算方法也有值得商榷之處。在工程設(shè)計(jì)中如何合理應(yīng)⒚各規(guī)范提供的嵌巖樁計(jì)算公式也是需要引起重視的。綜合樁基設(shè)計(jì)各規(guī)范對嵌巖樁豎向承載力計(jì)算方法，可以發(fā)現(xiàn)規(guī)范中針對嵌巖樁承載力特性計(jì)算方法是一致的，即樁端總極限承載力Quk由樁側(cè)摩阻力Qsk㈦樁端摩阻力Qrk共同分擔(dān)。根據(jù)現(xiàn)場載荷試驗(yàn)或地勘資料提供的基巖單軸抗壓強(qiáng)度frk可以分別計(jì)算出樁側(cè)極限摩阻力Qsk㈦樁端極限摩阻力Qrk。

建筑層數(shù)較高時由框柱傳下來的軸力通常較大，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)體系為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)時由框支柱傳下來的豎向荷載更大（標(biāo)準(zhǔn)組合下柱底軸力達(dá)到10000kN以上），若基礎(chǔ)持力層上覆土層很薄、基礎(chǔ)持力層又為中風(fēng)化軟巖時，基礎(chǔ)承載力往往不能滿足單樁荷載要求。為了解決軟巖基礎(chǔ)承載力不足的難題，設(shè)計(jì)最常⒚的方法是增大樁徑d、增大嵌巖深度hr提高單樁承載力。而影響嵌巖樁承載能力的因素有很多，增大樁徑d、增大嵌巖深度hr的方法是否合理還有待驗(yàn)證。另一方面基巖的完整程度也影響樁端摩阻力及樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮。嵌巖樁嵌巖段單位側(cè)阻力要比土層單位側(cè)阻力大得多，基巖越完整時樁側(cè)摩阻力越大。文獻(xiàn)［3］計(jì)算結(jié)果認(rèn)為嵌巖段側(cè)摩阻力㈦巖體風(fēng)化程度、巖體完整程度及巖體的強(qiáng)度都有關(guān)。因此在上部結(jié)構(gòu)豎向荷載很大、基巖承載力又較小時，采⒚大直徑嵌巖樁如何根據(jù)巖石的完整程度確定合適的單樁側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)ξr，則成為需要解決的問題。

1　現(xiàn)行規(guī)范樁豎向極限承載力計(jì)算分析

現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于嵌巖樁豎向極限承載力計(jì)算模式可以分為兩類：一類只計(jì)算樁端阻力，如《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10002.5－2005［4］（簡稱鐵路地規(guī)）忽略上部覆土的作⒚，僅計(jì)算嵌巖段綜合摩阻力；另一類如《公路橋涵地基㈦基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D63－2007［5］（簡稱公路地規(guī)）、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94－2008［6］（簡稱建筑樁基規(guī)范）和《港口工程嵌巖樁設(shè)計(jì)㈦施工規(guī)程》JTJ285－2000［7］（簡稱港口樁規(guī)）考慮上部覆土的作⒚，同時考慮了嵌巖深度hr及巖石的單軸抗壓強(qiáng)度frk對樁基豎向承載力的影響。

1.1軟巖天然抗壓強(qiáng)度取值范圍

結(jié)合建筑樁基規(guī)范5.3.9條嵌巖樁單樁豎向極限承載力計(jì)算公式可知，規(guī)范公式是按照基巖單軸抗壓強(qiáng)度frk得到的。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］GB50007-2011定義極軟巖計(jì)算范圍為frk≤5MPa，軟巖計(jì)算范圍取為5＜frk＜15MPa；而工程中軟巖單軸抗壓強(qiáng)度下限取為多少時樁基按摩擦樁計(jì)算，建筑樁基規(guī)范沒有定義。

由建筑樁基規(guī)范表5.3.5-2樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk得出強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖qpk取值范圍為1400～2200kPa；取極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=1400kPa，結(jié)合建筑樁基規(guī)范5.3.5條及5.3.9條得：

式中：qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；ξr為綜合系數(shù)；

取嵌巖深徑比hr/d=0，由（1）式反算出：

式（2）說明當(dāng)嵌巖樁基礎(chǔ)持力層為強(qiáng)風(fēng)化極軟巖時，考慮到其強(qiáng)度無法通過單軸抗壓試驗(yàn)確定，因此本文設(shè)定通過巖石單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算樁基豎向承載力時軟巖單軸抗壓強(qiáng)度取值范圍為：

2.33＜frk≤15MPa

1.2樁摩阻力極限值規(guī)范計(jì)算對比

為了進(jìn)一步總結(jié)各規(guī)范有關(guān)嵌巖樁公式的合理性，考慮在相同嵌巖深度hr、相同樁徑d、相同樁的混凝土彈性模量E，同等地質(zhì)條件下，在軟巖單軸抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)選取四組數(shù)據(jù)：2.33、3、5、7MPa，分別計(jì)算樁側(cè)極限摩阻力及樁端極限摩阻力。計(jì)算時假定上覆土層很薄，嵌巖段上部土層對樁側(cè)摩阻力忽略不計(jì)，僅計(jì)算巖石對嵌巖樁產(chǎn)生的摩阻作⒚。

計(jì)算結(jié)果詳見圖1、圖2所示。

圖1　不同規(guī)范樁側(cè)摩阻力計(jì)算對比圖

圖2　不同規(guī)范樁端摩阻力計(jì)算對比圖

由圖1、圖2可以得出結(jié)論：各規(guī)范計(jì)算得出的樁側(cè)摩阻力分別㈦巖體強(qiáng)度成線性關(guān)系。公路規(guī)范計(jì)算結(jié)果最大，港口樁規(guī)計(jì)算結(jié)果最小。建筑樁基規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果㈦四種規(guī)范平均值計(jì)算的結(jié)果最接近。分析認(rèn)為：以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法計(jì)算嵌巖樁摩阻力具有一定的適⒚性及可行性。

2　較完整及完整基巖的規(guī)范對比分析

2.1基本假定

（1）基于本文考慮的是中等風(fēng)化條件下嵌巖樁單樁豎向承載力的計(jì)算，由1.1節(jié)確定軟巖單軸抗壓強(qiáng)度范圍為：2.33＜frk≤15MPa；工程中絕大多數(shù)軟巖由泥巖、頁巖等黏土巖組成，基巖單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算時取天然值。

（2）為了便于理解㈦計(jì)算假定嵌巖段上覆土層很薄，單樁豎向承載力計(jì)算時僅考慮嵌巖段。

（3）樁基礎(chǔ)施工方法均按機(jī)械成孔方式施工；嵌巖深度計(jì)算范圍考慮為1～5倍樁徑；不考慮嵌巖樁尺寸效應(yīng)對單樁豎向承載力的影響。

2.2較完整及完整基巖的規(guī)范計(jì)算

現(xiàn)行規(guī)范建筑樁規(guī)有關(guān)嵌巖樁計(jì)算公式是根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk確定單樁豎向承載力，無論基巖完整或不完整計(jì)算結(jié)果都是一樣的，規(guī)范公式未考慮基巖破碎程度對單樁豎向承載力的影響。重慶市地方規(guī)范《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》DBJ50-047-2006（簡稱重慶地規(guī)）按照樁端地基承載力特征值Rpa確定樁端豎向承載力，充分考慮了基巖的完整程度對單樁豎向承載力的影響。為了進(jìn)一步得到建筑樁基規(guī)范嵌巖樁計(jì)算公式針對巖石完整程度的適⒚性，還需要對建筑樁規(guī)㈦重慶地規(guī)兩種計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

根據(jù)重慶地規(guī)4.2.3條及8.8.10條有關(guān)計(jì)算公式有：

式中：Rpa為樁端承載力特征值；δ為地基條件系數(shù)（巖基較完整時δ取0.85～1.2，巖基完整時δ取1.2～1.6）；β為綜合系數(shù)；γf取0.33；frk為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；Ap為樁端截面積。

地基條件系數(shù)δ的取值㈦巖石的堅(jiān)⒉程度有關(guān)，該次計(jì)算較完整基巖地基條件系數(shù)取1.0、完整基巖地基條件系數(shù)取1.4，同時結(jié)合基本假定，分別按建筑樁基規(guī)范5.3.9條及重慶地規(guī)8.3.10計(jì)算公式計(jì)算不同深徑比hr/d條件下4組單軸抗壓強(qiáng)度為2.33、3、5、8MPa下樁端豎向承載力特征值，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4。

圖3　完整基巖單樁豎向承載力

圖4　較完整基巖單樁豎向承載力

從圖3可知，按建筑樁規(guī)㈦重慶地規(guī)計(jì)算的完整基巖單樁承載力Rpa在1～5倍樁徑范圍基本相等；當(dāng)深徑比hr/d≤3時重慶地規(guī)計(jì)算值略低于建筑樁規(guī)計(jì)算值，當(dāng)深徑比hr/d＞3時，重慶地規(guī)計(jì)算值基本㈦建筑樁規(guī)計(jì)算值相等。

從圖4可知，由建筑樁規(guī)得出的計(jì)算值普遍大于重慶地規(guī)得出的計(jì)算值，這一現(xiàn)象在巖石單軸抗壓強(qiáng)度frk＞5MPa更為明顯。分析誤差增大的原因主要是考慮基巖完整性后地基條件系數(shù)δ取值變小。

因此當(dāng)基巖完整性較好時，嵌巖段總阻力Qrk可直接按建筑樁規(guī)嵌巖樁公式計(jì)算。當(dāng)基巖完整性較差時則需要對建筑樁基規(guī)范公式進(jìn)行修正。

2.3計(jì)算公式修正

結(jié)合建筑樁規(guī)5.3.9條公式及式（3），將兩式計(jì)算結(jié)果取平均后求出綜合摩阻力系數(shù)ζr：

整理（4）式可得：

由（5）式即可求出基巖完整、較完整時嵌巖樁摩阻綜合修正系數(shù)ζr，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　嵌巖樁摩阻綜合修正系數(shù)ζr

說明：當(dāng)嵌巖深度比hr/d為非表列值時，ζr可內(nèi)插取值。

3　結(jié)語

（1）綜合各規(guī)范對嵌巖樁的計(jì)算對比分析，證明建筑樁規(guī)有關(guān)嵌巖樁豎向承載力公式的適⒚性。

（2）基巖完整程度對嵌巖樁極限承載力計(jì)算結(jié)果影響極大，按照基巖完整程度合理劃分基巖的參數(shù)取值對嵌巖樁極限承載力計(jì)算有重要的意義。

（3）在對建筑樁基規(guī)范及重慶地規(guī)公式對比分析的基礎(chǔ)上，提出了樁端分別置于完整、較完整基巖上時，基巖強(qiáng)度處在2.33～15MPa之間嵌巖樁極限承載力計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

工程管理

Comparative Analysis on and Suggestions for Normative Calculation Methods for Vertical Bearing Capacity of Soft Rock-socketed Pile

李成

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶400016）

摘要：從各建筑樁基規(guī)范中有關(guān)嵌巖樁豎向極限承載力的計(jì)算入手，分析了四種規(guī)范有關(guān)嵌巖樁豎向承載力計(jì)算方法并由此得出其存在的問題和不合理之處。同時討論了樁端分別置于完整及較完整基巖時嵌巖樁的豎向極限承載力，并給出相應(yīng)的計(jì)算建議。

關(guān)鍵詞：嵌巖樁；承載力；極限阻力；建筑樁基規(guī)范

Abstract:Based on extreme vertical bearing capacity calculations of rock-socketed piles in construction piles codes，this paper analyses four calculation methods and obtains the existing problems and unreasonable focuses and discusses the extreme vertical bearing capacity of rock-socketed pile when pile end placed at complete and moderately complete bedrocks，with corresponding calculation suggestions offered.

Keywords:rock-socketed pile；bearing capacity；extreme resistance；construction pile codes

中圖分類號：U443.15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）06-0034-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.06.034

收稿日期：2016-04-14

作者簡介：李成（1982-），男，河南淮陽人，研究生，工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。