關(guān)于嵌巖樁的幾點(diǎn)探討

張紅霞+惠寒斌+程紅濤

【摘要】本文主要闡述了嵌巖樁的承載性狀和人們對(duì)嵌巖樁的認(rèn)識(shí)，對(duì)影響嵌巖樁的承載能力的（樁端阻力和樁側(cè)阻力）影響因素進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】嵌巖樁；承載性狀；單樁豎向極限承載力

一、概述

嵌巖樁由于單樁承載力高、群樁效應(yīng)小、抗震性能好、適應(yīng)性較強(qiáng)、樁的沉降量小、建筑物的沉降收斂較快等特點(diǎn)，在橋梁、高層建筑等方面得到了廣泛的應(yīng)用，成為大型建筑物及構(gòu)筑物的主要基礎(chǔ)形式。但長(zhǎng)期以來(lái)，人們都把嵌巖樁視為端承樁，忽略了其上覆土的荷載傳遞，認(rèn)為嵌巖樁的承載力主要取決于嵌入巖石部分樁身的樁側(cè)阻力和樁尖阻力，而大部分的現(xiàn)場(chǎng)資料表明：無(wú)論是嵌入強(qiáng)風(fēng)化基巖還是嵌入新鮮基巖中的樁，樁的軸力均隨深度遞減，而樁側(cè)阻力是不容忽視的。本文對(duì)嵌巖樁的承載性狀進(jìn)行了一些分析和討論，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)嵌巖樁的承載性狀進(jìn)行闡述。

二、嵌巖樁的承載性狀

（一）持力層巖性與樁型的關(guān)系

當(dāng)樁端嵌入巖層一定深度（要求樁的周邊嵌入微風(fēng)化或中等風(fēng)化巖體的最小深度不小于0.5m）時(shí)，稱為嵌巖樁。嵌巖樁的樁頂軸向位移主要由樁身的彈性壓縮和樁底基巖的壓縮變形組成，兩者的相對(duì)大小決定著樁端阻力和樁側(cè)阻力的發(fā)揮的程度。

對(duì)于嵌入軟質(zhì)基巖的嵌巖樁，其側(cè)阻和端阻充分發(fā)揮所需的極限相對(duì)位移與樁周土體和樁底基巖的強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越高所需的極限位移越小，強(qiáng)度越低則所需的極限位移越大。當(dāng)樁周為均勻硬土層，且長(zhǎng)徑比L/D較大，在樁頂荷載作用下，樁身彈性壓縮較大，樁與巖土間的相對(duì)位移較大，由于樁周土體強(qiáng)度較高時(shí)，側(cè)阻發(fā)揮極限側(cè)阻所需位移相對(duì)較小，故樁側(cè)阻力首先達(dá)到極限值，此時(shí)樁端阻力尚未達(dá)到極限值。這種嵌巖樁，其端阻只占樁總承載能力的一部分，可稱為端承摩擦樁（側(cè)阻占大部分）或摩擦端承樁（端阻占大部分）。

對(duì)于穿過(guò)均勻軟土層嵌入硬質(zhì)基巖中的嵌巖樁，由于樁底基巖強(qiáng)度很高，樁底位移很小，樁身位移也不大，此時(shí)，樁周土體發(fā)揮極限側(cè)阻所需相對(duì)位移尚未達(dá)到，樁側(cè)阻力無(wú)法充分發(fā)揮。而硬質(zhì)基巖所需極限位移能夠達(dá)到，使樁端阻力得到充分發(fā)揮，這種嵌巖樁稱為端承樁。

特別注意的是成樁工藝對(duì)嵌巖的承載性能有重要影響。一般情況下，鉆（沖）孔成樁過(guò)程中，孔底總會(huì)殘留一部分沉渣形成可壓縮性“軟墊”，“軟墊”的壓縮增大了端阻充分發(fā)揮所需的極限位移，使嵌巖樁表現(xiàn)出更多的摩擦樁性狀；而人工挖孔的嵌巖樁由于人工清底，一般無(wú) “軟墊”現(xiàn)象，會(huì)使嵌巖樁表現(xiàn)出更多的端承樁性狀。

（二）2Qb/Q與L/d的關(guān)系

根據(jù)相關(guān)研究資料，發(fā)現(xiàn)樁端阻力Qb與樁頂荷載Q之比Qb/Q和樁的長(zhǎng)徑比L/d之間有以下關(guān)系：

1）當(dāng)L/d<20時(shí)，Qb/Q隨L/d增大而逐漸減少；當(dāng)L/d接近20時(shí)，Qb/Q一般為25%左右。

2）當(dāng)L/d>20時(shí)，Qb/Q一般在20%以下，不少樁小于5%。

綜上所述，當(dāng)在L/d<15情況下，Qb/Q遞減明顯；當(dāng)15

（三）3Qb/Q與hr/d的關(guān)系

對(duì)于一般的嵌巖樁，樁端阻力在樁身傳遞的荷載中所占的比例并不高。理論計(jì)算表明，Qb/Q值隨著嵌巖深度的增加而逐漸減小，大約當(dāng)hr/d=5時(shí)，Qb/Q大約為零。多次試驗(yàn)結(jié)果表明，嵌巖樁樁端阻力隨著嵌巖深度基本上呈線性變化，其最佳嵌巖深度為3d，最大嵌巖深度為5d 。因此，嵌巖樁設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)增加樁長(zhǎng)、嵌巖深度等辦法都無(wú)助于改善基巖的端承作用。

綜上所述，嵌巖樁在不同地質(zhì)條件和幾何尺寸下，表現(xiàn)端承和摩擦兩種不同的承載性狀。通過(guò)了解嵌巖樁的實(shí)際承載性狀，可以防止片面追求嵌巖深度所造成不必要的浪費(fèi)。已有資料表明：隨著上覆土層的性質(zhì)和厚度的不同，嵌入基巖性質(zhì)和深度的不同，以及樁端沉渣厚度不同，樁側(cè)阻力、樁端阻力的發(fā)揮性質(zhì)也不同。值得注意的是，嵌巖樁樁端嵌巖段的單位側(cè)阻力比土層高得多，主要表現(xiàn)為：（a）巖體側(cè)阻達(dá)到極限所需的相對(duì)位移比土層小得多；（b）在側(cè)阻力的作用下完整基巖一般呈脆性破壞。表1為部分巖體達(dá)到極限側(cè)阻力的位移經(jīng)驗(yàn)值。

從表1中可以看出，在相對(duì)位移非常小的情況下，樁端嵌巖段的側(cè)阻力就可充分發(fā)揮，所以在嵌巖樁承載力確定時(shí)，應(yīng)充分考慮其承載作用。

三、嵌巖樁單樁豎向承載力的計(jì)算

（一）《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）

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，其單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

（二）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）

（1）對(duì)于嵌入破碎巖和軟質(zhì)巖石中的樁，單樁豎向承載力特征值可按下式估算：

Ra=qpaAp+upΣqsiali（2）

式中：Ra——單樁豎向承載力特征值；

qpa、qsia——樁端端阻力、樁側(cè)阻力特征值，由當(dāng)?shù)仂o載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析算得；

（2）當(dāng)樁端嵌入完整及較完整的硬質(zhì)巖石中時(shí)，當(dāng)樁長(zhǎng)較短且入巖較淺時(shí)，可按下式進(jìn)行估算單樁豎向承載力特征值：

Ra=qpaAp（3）

（三）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）

本規(guī)范給出了嵌巖樁單樁承載力的計(jì)算模式為：承載力一般由樁周土總側(cè)阻力、嵌巖段總側(cè)阻力和總端阻力三部分組成。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，一般情況下，即使樁端置于新鮮或微風(fēng)化基巖中，上覆土層的側(cè)阻力也是可以發(fā)揮的。支承在基巖上或嵌入基巖內(nèi)的鉆挖孔樁的單樁軸向受壓承載力容許值可按下式計(jì)算：

綜上所述，無(wú)論是由（1）式計(jì)算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，（2）式計(jì)算單樁豎向承載力特征值，還是由（4）式計(jì)算單樁軸向受壓承載力容許值，不僅考慮了端阻力和上覆地層的側(cè)阻力，同時(shí)也考慮了嵌巖段側(cè)阻力。因此，嵌巖樁不一定就是端承樁，多為摩擦性端承樁或端承性摩擦樁形式。對(duì)于公式（3）而言，樁端是完整及較完整的硬質(zhì)巖石，規(guī)范認(rèn)為嵌巖樁的承載力往往由樁身混凝土強(qiáng)度控制，其樁端阻力未充分發(fā)揮，一般情況是樁身混凝土先于樁端持力巖層發(fā)生破壞。故計(jì)算時(shí)，未考慮樁側(cè)阻力的發(fā)揮，同時(shí)，其簡(jiǎn)化計(jì)算的意義在于硬質(zhì)巖強(qiáng)度超過(guò)樁身混凝土強(qiáng)度，設(shè)計(jì)以樁身強(qiáng)度控制，樁長(zhǎng)較小時(shí)在計(jì)入側(cè)阻、嵌巖阻力等已無(wú)工程意義。

四、工程案例

某橋橋長(zhǎng)為500m，橋?qū)?6.0m，屬特大型橋梁，方向近東西向。地層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，上部為稍密-中密狀態(tài)的卵石，下部為二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖、泥巖（地質(zhì)資料見(jiàn)圖1）

按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，采用嵌巖樁基礎(chǔ)方案，無(wú)沖刷。鉆孔樁施工工藝，樁徑分別取d=600mm、d=800mm，嵌入中風(fēng)化砂巖深度分別取3d和5d，計(jì)算如表2。

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出：①嵌巖樁嵌入基巖的樁長(zhǎng)和端阻力的發(fā)揮并不是線性關(guān)系；②在巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度一定的情況下，其單樁容許承載力隨著樁徑增大而增大；③樁總端阻力僅占單樁承載力容許值的20.5%～27.3%，還是為摩擦樁的性質(zhì)，可以稱為端承摩擦樁。

五、結(jié)論

嵌巖樁根據(jù)其不同工程地質(zhì)條件、樁幾何尺寸和成樁工藝，可表現(xiàn)為端承及摩擦兩種不同的承載性狀，不應(yīng)將嵌巖樁一概視為端承樁。

在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，具體判定嵌巖樁的承載類型，正確估算其單樁承載力。另外在具體工程實(shí)踐中應(yīng)考慮樁身強(qiáng)度等因素，綜合確定嵌巖樁單樁承載力的取值，在堅(jiān)硬巖體上設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮并努力提高嵌巖樁的樁身混凝土強(qiáng)度，使兩者更好的匹配，這樣才能充分發(fā)揮樁的承載力。

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