嵌巖樁承載力分析計(jì)算

史艷 趙衛(wèi)冬

摘? 要：各行業(yè)對(duì)嵌巖樁的計(jì)算規(guī)定各異，為詳細(xì)區(qū)分其計(jì)算差異和適用特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比研究建筑、公路、鐵路的嵌巖樁承載力規(guī)范計(jì)算方法。系統(tǒng)總結(jié)差異原因，分析嵌巖樁軸力曲線圖，闡述歸納嵌巖樁基受力基本原理，提出采用增大嵌巖段阻力的方法計(jì)算承載力?？捎糜谇稁r樁基設(shè)計(jì)計(jì)算參考和工程分析。

關(guān)鍵詞：嵌巖樁;承載力;軸力曲線;承載力計(jì)算

Abstract： The calculation rules of rock-socketed piles vary from industry to industry.Through the comparative study of the method of the bearing capacitycalculation for building， highways and railway rock-socketed piles， the reasons for the differences are summarized systematically， the axial force curves of rock-socketed pile are analyzed， the basic principle of rock-socketed pile foundation is summarized， and the method of increasing rock-socketed resistance is put forward to calculate the bearing capacity， which can be used as reference for design calculation and engineering analysis of rock-socketed pile foundation.

1 概述

樁基礎(chǔ)作為深基礎(chǔ)的一種類型，將上部荷載傳遞到一定深度的持力層。通常均能獲得較大的承載力和較小的沉降變形。廣泛應(yīng)用在高層建筑基礎(chǔ)、公路、鐵路橋梁基礎(chǔ)以及邊坡治理、地基處理等領(lǐng)域。當(dāng)基巖埋深較淺通常采用嵌巖樁能獲得非常好的經(jīng)濟(jì)效益，樁長(zhǎng)較短時(shí)基本都是端承樁。嵌巖樁設(shè)計(jì)中樁基承載力計(jì)算分析是首要任務(wù)，特別是基巖較深的長(zhǎng)樁，是否充分考慮苫布土層的側(cè)摩阻力尚有爭(zhēng)議，對(duì)比建筑、公路、鐵路規(guī)范對(duì)嵌巖樁的計(jì)算存在較大差異。因此其設(shè)計(jì)工作需要對(duì)其原理有深入理解，解析其差異本質(zhì)和內(nèi)涵，才把握樁基設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)。

2 規(guī)范計(jì)算方法的異同

建筑樁基規(guī)范[1]是將嵌巖樁承載力分為兩個(gè)部分，第一部分為巖層以上樁側(cè)摩擦阻力，第二部分為嵌巖部分的全部樁阻力包含入巖段樁側(cè)阻力和端阻力，計(jì)算公式如下。

該計(jì)算式中，嵌巖部分采用巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度與面積來(lái)表征，文獻(xiàn)[1]中的中和調(diào)整系數(shù)為0.6～1.7。土層則全厚度范圍考慮了樁側(cè)摩阻力，同時(shí)規(guī)范條文和相應(yīng)條文說(shuō)明并未明確是否考慮大直徑效應(yīng)的折減，對(duì)于該樁采用后注漿灌注樁也未考慮土層樁側(cè)承載力提高效應(yīng)。從原理上分析嵌巖樁的土層側(cè)阻力發(fā)揮受樁土相互作用的影響，嵌巖樁較短時(shí)土層側(cè)阻力發(fā)揮較小，長(zhǎng)樁則可以充分利用土層側(cè)阻力。另外單樁直徑大于800mm時(shí)由于挖鉆孔必然導(dǎo)致樁孔周圍土體應(yīng)力的釋放和松弛，從原理上或安全角度必須考慮大直徑對(duì)樁側(cè)摩阻力的折減效應(yīng)才符合實(shí)際。同樣樁端后注漿可能存在漿液上升至土層導(dǎo)致樁側(cè)阻力提高。從受力特點(diǎn)分析嵌巖樁并非完全端承樁，主要取決于樁長(zhǎng)和相應(yīng)基巖和土層的強(qiáng)度參數(shù)。短樁主要由樁端承擔(dān)荷載，這是由于混凝土彈性模量很大，豎向壓縮量很小，這就導(dǎo)致樁與土體沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)的趨勢(shì)或很小，這必然導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力無(wú)法發(fā)揮。對(duì)于長(zhǎng)樁則由于樁身壓縮不可忽略導(dǎo)致距樁端較遠(yuǎn)處樁側(cè)阻力可以充分發(fā)揮，從這個(gè)角度分析土層樁側(cè)阻力是否計(jì)算、如何計(jì)算應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析。

準(zhǔn)確計(jì)算分析嵌巖樁承載力應(yīng)考慮樁長(zhǎng)、樁端與樁頂荷載比，計(jì)算樁身壓縮量，來(lái)確定側(cè)摩阻力的計(jì)算深度。即嵌巖樁應(yīng)確定一個(gè)樁測(cè)阻力計(jì)算的臨界深度H，該點(diǎn)為樁側(cè)壓縮位移能夠引起土層側(cè)摩擦力發(fā)揮的臨界點(diǎn)，樁側(cè)土層摩阻力的計(jì)算深度為H且應(yīng)小于土層厚度。嵌巖短樁由于主要荷載由樁端承擔(dān)，樁側(cè)分擔(dān)比例很小，無(wú)論是樁側(cè)阻力的折減或是注漿后提高對(duì)于整個(gè)樁的承載力影響是較小的。從簡(jiǎn)化計(jì)算的角度主要考慮樁端承載力。因此規(guī)范方法對(duì)于研究短樁承載力，主要研究嵌巖部分阻力而不過(guò)多深究占比小的樁側(cè)阻力不會(huì)引起較大的誤差。對(duì)于嵌巖長(zhǎng)樁并非完全端承樁，大概率為嵌巖摩擦樁或摩擦嵌巖樁[1]。樁側(cè)土層分擔(dān)了相當(dāng)一部分荷載。這時(shí)完全按照式（1）計(jì)算承載力而不考慮成樁工藝或樁長(zhǎng)的影響將引起較大誤差。

式（2）與式（1）相同之處在于都是考慮土層樁側(cè)阻力和嵌巖部分的阻力，式（2）僅是將嵌巖阻力分為樁側(cè)阻力和樁端阻力，其內(nèi)涵是一致的，表達(dá)形式有所區(qū)別。兩計(jì)算式的最大區(qū)別在于樁側(cè)阻力的發(fā)揮受樁端影響，即土層樁側(cè)阻力受樁端巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度的影響，巖層樁側(cè)、樁側(cè)阻力受巖石完整程度的影響，分別用相應(yīng)的調(diào)整系數(shù)來(lái)體現(xiàn)，如表1、表2。

樁端巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度越高土層樁側(cè)摩阻力越小。這是因?yàn)闃抖藥r石強(qiáng)度越高越不容易壓縮，相應(yīng)的樁側(cè)對(duì)土層的相對(duì)位移越小。樁側(cè)承載力得不到發(fā)揮，這時(shí)樁側(cè)承載力絕大部分只是一種安全儲(chǔ)備。反之樁端巖石強(qiáng)度越低則容易壓縮樁側(cè)承載力能夠充分發(fā)揮，規(guī)范取值0.8。但對(duì)于不同的巖石類型也可能存在相同的飽和單軸抗壓強(qiáng)度，而變形模型E差異較大。該情況下土層樁側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)采用frk和E雙參數(shù)指標(biāo)確定β1，則更具有一般性和普適性。實(shí)際樁基可認(rèn)為是以樁端為固定點(diǎn)的受壓柱，離底面越遠(yuǎn)樁側(cè)與土層相對(duì)位移越大。即樁側(cè)土層承載力發(fā)揮也非均勻分布，從臨界點(diǎn)沿豎向逐漸增大到一定程度后保持不變。同時(shí)還與土層性質(zhì)有一定關(guān)系。公路規(guī)范土層折減系數(shù)所有土層均為唯一值是一種簡(jiǎn)化的算法。該方法同樣對(duì)于短樁而言樁端承當(dāng)了較大的荷載，樁側(cè)分擔(dān)荷載較小，即便樁側(cè)計(jì)算誤差較大也不至于引起整樁承載力的過(guò)大偏差，同時(shí)讓計(jì)算更為簡(jiǎn)潔，對(duì)于長(zhǎng)樁考慮了樁端巖石強(qiáng)度的影響，計(jì)算結(jié)果理論上比建筑規(guī)范更為準(zhǔn)確。土層樁側(cè)阻力系數(shù)的調(diào)整同樣未考慮樁長(zhǎng)的影響，短樁則可忽略該影響，長(zhǎng)樁的影響與上述建筑規(guī)范的分析一致。

公路規(guī)范對(duì)巖層樁側(cè)、樁端承載力調(diào)整主要是考慮巖石完整程度的影響，樁底基巖完整程度越差，基巖的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力均減小。其原理是嵌巖樁多為灌注樁，嵌巖部分的完整程度直接決定了清孔程度和混凝土與巖石的結(jié)合程度，另一方面裂隙越多越破碎則容易產(chǎn)生沉降，則越不利于嵌巖段承載力發(fā)揮。在決定嵌巖段承載力調(diào)整系數(shù)時(shí)巖石強(qiáng)度并非決定性作用。

鐵路規(guī)范[3]，對(duì)于嵌巖樁的承載力計(jì)算與上述分析區(qū)別在于直接忽略了土層承載力的作用，而僅考慮樁端巖石承載力。樁端嵌入巖石面一定深度時(shí)計(jì)算巖石對(duì)樁側(cè)和樁端的阻力，樁端支撐與巖石表面則僅計(jì)算樁端承載力。這種計(jì)算最為簡(jiǎn)便，對(duì)于短樁并不會(huì)有過(guò)大的計(jì)算誤差，對(duì)于長(zhǎng)樁特別是基巖為非堅(jiān)硬巖，必然是大幅度的低估了嵌巖樁的承載力，造成一定的浪費(fèi)。

對(duì)于公路、鐵路一般設(shè)計(jì)使用年限為100年，一般建筑物的設(shè)計(jì)使用年限為50年。從耐久性或可靠度分析，設(shè)計(jì)使用年限越長(zhǎng)相應(yīng)的安全儲(chǔ)備或安全系數(shù)越大，即鐵路、公路應(yīng)趨于保守，而一般建筑物則可充分考慮嵌巖樁的承載力。

3 嵌巖樁的受力分析

規(guī)范方法差異在于側(cè)阻力的計(jì)算，精確分析樁基承載力必須研究樁土共同作用，樁側(cè)阻力的發(fā)揮不僅與土的性質(zhì)有關(guān)，還與樁土相對(duì)移動(dòng)趨勢(shì)密切關(guān)聯(lián)。樁土荷載傳遞計(jì)算有理想彈塑性模型[4]，即認(rèn)為在樁土從靜止到相對(duì)滑移階段，摩擦力從零開(kāi)始線性增長(zhǎng)，達(dá)到土的極限摩擦力后則維持不變。較為準(zhǔn)確的樁土作用力大多學(xué)者認(rèn)為這一關(guān)系成雙曲線增長(zhǎng)[5]。趙明華[6]通過(guò)算例對(duì)比了雙曲線結(jié)果較為接近實(shí)測(cè)值，但計(jì)算較為復(fù)雜，沒(méi)有得到普及應(yīng)用。鑒于此，我們通過(guò)分析彈塑性和雙曲線模型，結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，將樁側(cè)土層阻力增長(zhǎng)分三個(gè)階段考慮。如圖1在巖層上AB之間由于樁的壓縮量不足以引起樁側(cè)阻力發(fā)揮，柱軸力保持不變;BC之間由于樁的壓縮量逐漸積累，樁側(cè)土阻力成雙曲線函數(shù)加速增長(zhǎng)，表現(xiàn)為樁側(cè)阻力的非線性快速增長(zhǎng)段F2→F3;在C點(diǎn)以后則由于樁側(cè)阻力已經(jīng)達(dá)到極限值，則樁軸力成線性增長(zhǎng)F3→F4。

其中k為承載力提高系數(shù)，若能從某一場(chǎng)地的試樁資料直接測(cè)定k，則可直接用于設(shè)計(jì)。若不能直接取得，樁側(cè)增大系數(shù)k必然是土層厚度L、巖層變形模量E、土層強(qiáng)度（c，？漬）等的函數(shù)，即k=f（L，E，c，？漬…），通過(guò)積累足夠的資料即可確定這一關(guān)系，或通過(guò)原位試驗(yàn)來(lái)直接測(cè)定，嵌巖樁的承載力確定即可簡(jiǎn)化為巖石段樁阻力乘以增大系數(shù)。對(duì)于工程應(yīng)用也可以通過(guò)多因數(shù)，采用查表的方式確定，這就需要有相對(duì)多的工程資料和測(cè)試資料的積累，目前我們通過(guò)研究提出這一方法，但我們的實(shí)測(cè)資料尚少，還不足以直接給出查表確定參數(shù)的條件，或者沒(méi)有普遍適用性。

定性分析系數(shù)k有以下幾點(diǎn)，樁端變形模型越小、土層越厚、土層抗剪強(qiáng)度越高則土層內(nèi)樁側(cè)摩阻力發(fā)揮越充分，及系數(shù)k越大，反之則k越小。當(dāng)土層為濕陷性土、欠固結(jié)土，或因地面堆載，地下水位下降引起土層沉降導(dǎo)致樁側(cè)承受負(fù)摩阻力時(shí)k可以小于1。土層為一般正常固結(jié)土則樁相對(duì)于土層下沉，系數(shù)k大于1。甚至也可以將可靠度、耐久性等因素綜合考慮在該系數(shù)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建筑、公路和鐵路嵌巖樁的規(guī)范計(jì)算方法對(duì)比分析，得出鐵路規(guī)范最保守，公路規(guī)范則在原理上最為接近實(shí)際。三個(gè)行業(yè)規(guī)范均側(cè)重樁端承載力而對(duì)計(jì)算做了簡(jiǎn)化處理，對(duì)于短樁具有很強(qiáng)的適用性，對(duì)于長(zhǎng)樁鐵路規(guī)范可能存在一定的工程浪費(fèi)。分析嵌巖樁受力特點(diǎn)結(jié)合樁土共同作用，結(jié)合兩種樁土共同作用模型繪制樁軸力圖。提出確定嵌巖樁承載力為增大k倍的嵌巖段的總阻力。從勘察、試樁資料、工程積累或直接測(cè)定得出土層側(cè)阻力增大系數(shù)k。也可以從多因數(shù)角度研究不同條件下的k值，以供查表使用，目的在于盡可能全面考慮各種因素對(duì)嵌巖樁承載力的影響，但不至于計(jì)算過(guò)于復(fù)雜。

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