王田龍，黃質(zhì)宏，帥海樂，楊 成，李罡燁

(1. 中國建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州 510000；2. 貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

對(duì)于嵌巖樁的理論研究已經(jīng)比較成熟。但通過實(shí)際工程對(duì)樁的承載特性進(jìn)行的研究較少。另外由于巖石的完整性程度對(duì)承載性狀影響較為顯著，貴陽地區(qū)樁基礎(chǔ)的樁端大多數(shù)置于較破碎的巖層中。對(duì)于該類型樁的承載力計(jì)算，樁基規(guī)范中未給出具體計(jì)算方法，給樁基的設(shè)計(jì)帶來諸多不便。

SERRANO A等[1]、 雷孝章等[2]對(duì)嵌巖樁的側(cè)阻力進(jìn)行了研究，史佩棟[3]對(duì)嵌巖深度、長細(xì)比等進(jìn)行研究，并提出了計(jì)算嵌巖樁豎向承載力的公式。東南大學(xué)的張帆[4]、張穎輝[5]、黃亞琴[6]通過樁基載荷試驗(yàn)對(duì)嵌巖樁的承載特性進(jìn)行研究。

賴慶文等[7]針對(duì)貴州山區(qū)地基特點(diǎn)，按巖石的完整性對(duì)嵌入較破碎巖石中樁的承載力計(jì)算提出建議公式，并提出側(cè)阻、端阻綜合影響系數(shù)。陳筠等[8]對(duì)貴州地區(qū)較破碎巖體上的樁基進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)嵌入較破碎巖體中樁的側(cè)阻力非?？捎^。童菁等[9]根據(jù)地基承載力特征值fa，結(jié)合樁基規(guī)范提出較破碎巖石地基樁承載力的建議計(jì)算公式。湛鎧瑜[10-11]對(duì)較破碎中等風(fēng)化巖石樁的端阻力進(jìn)行研究。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)[12]中(以下簡稱樁基規(guī)范)，當(dāng)樁端置于完整、較完整基巖時(shí)的嵌巖樁，對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)提出了明確的計(jì)算公式，對(duì)于較破碎巖石則沒有明確規(guī)定。

本文根據(jù)101根樁基靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)探討影響側(cè)阻力、端阻力的因素，提出一種分析嵌巖樁的模型；并依據(jù)9組(26根)較破碎巖中灌注樁靜載荷試驗(yàn)，探討較破碎巖石地基上樁的承載性狀，提出一種改進(jìn)的計(jì)算方法，可為相似工程提供參考。

1 嵌巖樁承載性狀

本文收集了國內(nèi)101根樁[4-6]的靜載試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，包括樁端嵌入極軟巖、軟巖、較軟巖、較硬巖的巖體。本文將嵌巖樁靜載試驗(yàn)資料匯總整理，研究樁端阻力、樁身側(cè)阻力與深徑比、長徑比、巖石的堅(jiān)硬程度、上覆土厚度的關(guān)系，均未考慮部分離散數(shù)據(jù)。另外，根據(jù)影響嵌巖樁樁端阻力、側(cè)阻力的因素，并充分考慮嵌巖樁的傳力機(jī)理，從位移協(xié)調(diào)角度提出一種分析嵌巖樁的模型。

1.1 深徑比對(duì)嵌巖樁的影響

根據(jù)圖1所示，嵌巖深徑比大于10后，嵌入巖石中的樁體端阻力基本不發(fā)揮。但軟巖、極軟巖在較大的深徑比下，端阻力尚有一定程度的發(fā)揮。

圖1 端阻力發(fā)揮與深徑比關(guān)系圖Fig.1 Relationship between tip resistance and embedded depth-diameter ratio

圖2 側(cè)阻力發(fā)揮與深徑比關(guān)系圖Fig.2 Relationship between shaft resistance and embedded depth-diameter ratio

圖2所示，隨著嵌巖深徑比的增大，各巖層中的側(cè)阻力發(fā)揮程度逐漸增大。相同嵌巖深徑比情況下，強(qiáng)度高的巖石側(cè)阻發(fā)揮程度高。

1.2 長徑比對(duì)嵌巖樁的影響

圖3 端阻力發(fā)揮與長徑比關(guān)系圖Fig.3 Relationship between tip resistance and length-diameter ratio

圖3所示，隨著長徑比的增加，端阻力的發(fā)揮程度降低。當(dāng)長徑比大于35后，端阻力基本不發(fā)揮。長徑比相同的情況下，樁端巖石越硬，端阻力發(fā)揮程度越高。

圖4 側(cè)阻力發(fā)揮與長徑比關(guān)系圖Fig.4 Relationship between shaft resistance and length-diameter ratio

圖4所示，嵌巖段側(cè)阻力與長徑比近似呈拋物線關(guān)系 。長徑比為30左右達(dá)到極值。

1.3 上覆土對(duì)嵌巖樁的影響

圖5 側(cè)阻力與上覆土厚度關(guān)系圖Fig.5 Relationship between shaft resistance and thickness of soil

圖5所示，嵌巖段側(cè)阻力隨上覆土厚度增大，先變大后變小，在上覆土厚度為30 m左右達(dá)到極值。

通過以上的分析研究可知，嵌巖樁端阻力、側(cè)阻力均與深徑比、長徑比及巖石的強(qiáng)度有關(guān)，而側(cè)阻力的大小還與上覆土厚度有關(guān)。

1.4 嵌巖樁分析模型

對(duì)于嵌巖樁來說，在樁頂豎向荷載作用下，由于樁土相對(duì)滑移及樁身的自身壓縮變形，樁土側(cè)阻力、嵌巖段側(cè)阻力依次發(fā)揮，隨著樁頂荷載的增大，壓縮樁端巖體，端阻力開始發(fā)揮。嵌巖樁可用如下分析模型來表達(dá)，如圖6所示。

圖6 嵌巖樁位移分析模型Fig.6 The analysis model of the rock-socketed pile

樁端發(fā)生的位移主要取決于巖石的抗壓強(qiáng)度、完整程度等巖石本身的性質(zhì)，可簡化為彈簧模型。巖石的強(qiáng)度及完整性對(duì)應(yīng)于彈簧的彈性常數(shù)；對(duì)于樁側(cè)位移，取決于樁身混凝土與巖石之間的摩擦因數(shù)(與巖石的強(qiáng)度、成樁工藝等有關(guān))以及垂直于樁身的法向應(yīng)力大小，簡化為滑動(dòng)模型。

從位移協(xié)調(diào)角度分析，樁身可視為剛體(樁身變形較小)，樁頂位移s主要由樁土、樁巖的滑移(s1、s2)及樁端巖石的壓縮變形s3組成，即s=s1+s2+s3。在樁頂荷載N的作用下，由于樁土、樁巖側(cè)向位移s1和s2的漸次發(fā)揮，產(chǎn)生樁土側(cè)阻力Qsk和樁巖側(cè)阻力Qrs，樁與樁端巖石的壓縮變形產(chǎn)生端阻力Qrp，即N=Qsk+Qrs+Qrp。

2 嵌巖樁承載力計(jì)算

樁基規(guī)范5.3.9中給出，對(duì)于樁端置于完整、較完整基巖的嵌巖樁單樁豎向極限承載力，由樁土極限側(cè)阻力和嵌巖段極限側(cè)阻力和極限樁端阻力組成。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]中(以下簡稱地基規(guī)范)，給出估算單樁承載力特征值的公式：

(1)

式中：qpa、qsia分別為樁端巖石承載力特征 、樁側(cè)阻力特征值，由當(dāng)?shù)仂o載荷試驗(yàn)得到；Ap、up分別為樁的截面面積、周長；li為第i層巖土的厚度。

完整、較完整和較破碎的巖石地基承載力特征值可按下式計(jì)算[13]：

fa=ψrfrk。

(2)

式中：fa為巖石地基承載力特征值，ψr為 折減系數(shù)；frk為飽和單軸抗壓強(qiáng)度。

對(duì)于較破碎巖石上的樁基如何進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，規(guī)范中未做詳細(xì)說明。這給工程設(shè)計(jì)帶來了一定的問題。因此需要對(duì)較破碎巖石樁基礎(chǔ)承載性狀和承載力計(jì)算進(jìn)行探討，以滿足工程需要。

3 較破碎巖石地基樁承載性狀

根據(jù)嵌巖樁承載性狀和較破碎巖石的特點(diǎn)，對(duì)較破碎巖石樁基承載性狀進(jìn)行分析。因機(jī)械成孔施工使側(cè)壁凹凸不平，加上較破碎巖體節(jié)理裂隙的存在，混凝土澆筑時(shí)會(huì)使混凝土漿液進(jìn)入樁側(cè)壁和樁底處的巖石，如圖7、8所示。

圖7 較破碎巖石地基樁側(cè)傳力機(jī)理示意圖Fig.7 The mechanical mechanism at the side of pile in less-fragmentized rock

圖8 較破碎巖石地基樁端傳力機(jī)理示意圖Fig.8 The mechanical mechanism at the end of pile in less-fragmentized rock

由于較破碎巖石的節(jié)理裂隙中被混凝土漿液進(jìn)入，在樁側(cè)使樁與巖石界面的摩擦阻力增強(qiáng)，而在樁端則使較破碎巖石的性能得到一定的改善。

在樁頂荷載不斷增大的過程中，被裂隙進(jìn)入的混凝土漿液將會(huì)對(duì)樁體的承載性狀產(chǎn)生一定影響。在樁側(cè)達(dá)到極限側(cè)阻力即樁側(cè)與巖石將小柱體破壞和樁土、巖石發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)。同時(shí)在樁底由于混凝土漿液進(jìn)入樁底較破碎巖石，使巖石的壓縮性有所改善，從而改變了樁極限端阻力。

4 較破碎巖石地基樁承載力探討

對(duì)于童菁提出的較破碎巖石地基樁承載力理論計(jì)算公式，本文提出一種改進(jìn)算法：

(3)

針對(duì)較破碎巖石，將地基規(guī)范5.2.6中的折減系數(shù)和《巖土工程勘察規(guī)范》[15]中表3.2.2-2的完整性程度系數(shù)kv相結(jié)合(表1)，利用線性內(nèi)插法得到：ψr=0.5kv-0.075。

例如，取完整性系數(shù)kv=0.45，計(jì)算得到折減系數(shù)為0.15。

表1 折減系數(shù)、完整性指數(shù)Tab.1 Reduction coefficient and integrity index

5 工程實(shí)例

本文選取9組(26根)較破碎巖石地基上灌注樁的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，樁長、深徑比、承載力取平均值，見表2。不考慮樁周土體的側(cè)阻力，只計(jì)算嵌巖段承載力。

將表2數(shù)據(jù)代入式(3)，計(jì)算所得結(jié)果與靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。其中側(cè)阻、端阻影響系數(shù)由樁基試驗(yàn)計(jì)算得到。

表2 試驗(yàn)樁參數(shù)Tab.2 Parameters of pile tests

注：4～7組為模型樁試驗(yàn)，其中6、7組試驗(yàn)未破壞；8、9組樁完整性指數(shù)未知，取0.40，來自文獻(xiàn)[6]，各參數(shù)指標(biāo)取平均值。

表3 Ra計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab. 3 The caculation comparison of Ra kN

注：嵌巖樁側(cè)阻力、端阻力影響系數(shù)按極限側(cè)阻力、極限端阻力與單軸飽和抗壓強(qiáng)度的比值計(jì)算。

根據(jù)以上分析可以得出：

(1)對(duì)于較軟巖、較硬巖，公式計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)測較為接近，可為相似工程提供一定的參考；對(duì)于軟巖、極軟巖，因試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，巖石性質(zhì)較復(fù)雜且影響因素較多，所得計(jì)算值偏小，建議使用現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定樁基承載力。

(2)改進(jìn)公式中使用的側(cè)阻、端阻影響系數(shù)是根據(jù)定義計(jì)算得到的試驗(yàn)實(shí)測值。對(duì)于較破碎巖石樁的側(cè)阻、端阻影響系數(shù)，因靜載試驗(yàn)數(shù)量較少，不能給定不同強(qiáng)度和深徑比下相應(yīng)的取值范圍，為本公式存在的不足。今后可根據(jù)不斷地工程實(shí)踐，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集整理，對(duì)較破碎巖石上的樁側(cè)阻、端阻影響系數(shù)進(jìn)行研究。

6 結(jié)論

本文通過101根嵌巖樁和26根較破碎巖石樁基的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論。

(1)嵌巖樁的深徑比、長徑比、巖石強(qiáng)度以及上覆土層厚度對(duì)承載性狀影響較大。

(2)嵌巖樁分析模型對(duì)嵌巖樁的研究有一定的參考。

(3)改進(jìn)的較破碎巖石嵌巖樁的建議計(jì)算公式，考慮較破碎巖石樁的側(cè)阻力、端阻力影響系數(shù)，所得結(jié)果與現(xiàn)場靜載試驗(yàn)吻合得較好，相似工程可參考，其它情況建議通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定樁基承載力。