嵌巖樁嵌巖段的巖石極限側阻力系數

魯先龍 乾增珍 楊文智 鄭衛鋒

摘 要：嵌巖樁在巖土工程中已得到廣泛應用，但如何準確計算嵌巖段樁的極限側阻力仍是工程設計人員面臨的重要課題。收集整理了不同時期、不同地區、不同巖石強度和不同嵌巖條件下開展的145個嵌巖樁豎向下壓承載力試驗成果，主要包括嵌巖段巖石類型及其單軸抗壓強度、嵌巖樁的直徑與嵌巖深度、嵌巖段樁的極限側阻力等。定義嵌巖段樁的極限側阻力和巖石單軸抗壓強度的比值為嵌巖樁嵌巖段巖石極限側阻力系數，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強度對嵌巖段極限側阻力和巖石極限側阻力系數的影響規律，建立了嵌巖段巖石極限側阻力系數與巖石單軸抗壓強度之間的擬合關系式，給出了不同可靠度水平下巖石側極限阻力系數取值。

關鍵詞： 嵌巖樁;極限側阻力系數;嵌巖深徑比;抗壓強度

中圖分類號：TU411

?文獻標志碼：A? 文章編號：1674-4764（2018）06-0029-10

Analysis on ultimate side shear resistance factor of

piles socketed into rocks

Lu Xianlong1，Qian Zengzhen2，Yang Wenzhi1，Zheng Weifeng1

（1.China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， P. R. China;

2.School of Engineering and Technology， China University of Geosciences， Beijing 100083， P. R. China）

Abstract：Rock-socket pile foundations have been widely used in engineering practices. It is important to determine the ultimate side shear resistance of the piles socketed into rock for designers. In this study， the results of 145 compression load tests were collected to examine several issues related to the bearing capacity behavior of rock-socket piles. All these load test results were representative since they were carried out worldwide， on different rock types and rock-socket conditions， for a long time period. Using these available load test case history data， the socketed rock type of piles， diameter and embedment depth of socketed piles， uniaxial compressive strength of rock in nature， and the ultimate bearing side resistances were collected. The ratio of ultimate side shear resistance to unconfined compressive strength of the rock was denoted as the ultimate side shear resistance factor of the piles socketed into rocks. Effects of pile diameter， rocked depth， ratio of rock rocketed depth to diameter， and the unconfined compressive strength of the rock on ultimate side shear resistance and the influential factors were evaluated. Empirical relationships between the ultimate side shear resistance factor and the unconfined compressive strength are suggested， and based on the statistical results， the specific design recommendations for the ultimate side shear resistance factor are provided.

Keywords：rock-socket pile; ultimate side shear resistance factor; ratio of pile rocketed depth to diameter;? compressive strength

嵌巖樁是大型建（構）筑物的主要基礎型式，已在工程中得到了廣泛應用，主要用于承受上部結構的下壓或上拔荷載。對抗壓和抗拔嵌巖樁，嵌巖段樁的側阻力通常都占總承載力較大比例。嵌巖樁荷載傳遞是樁 土 巖相互作用的復雜過程。目前，學術界和工程界普遍認為，嵌巖樁抗壓承載力主要由基巖上覆土層的樁側阻力、嵌巖段樁側阻力和樁端阻力3部分組成。這在中國相關規范[1-4] 給出的嵌巖樁承載力設計計算方法中均得到體現。嵌 巖樁抗拔承載力主要由基巖上覆土層樁側阻力和嵌巖段樁側阻力2部分組成。通常采用折減系數，對土層和巖層抗壓極限側阻力進行折減。如文獻[5]建議該折減系數為0.7。因此，研究嵌巖樁嵌巖段樁測極限側阻力及巖石極限側阻力系數對嵌巖樁的抗壓和抗拔承載性能都具有重要的理論和工程意義。

目前，抗壓嵌巖樁承載力計算主要是經驗和半經驗公式，經驗參數較多。以中國現行行業標準《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）[1] 為例，其采用嵌巖段側阻和端阻綜合系數乘以相應巖石飽和單軸抗壓強度的方法，計算得到嵌巖樁嵌巖段下壓極限承載力。該方法簡單且工程意義明確，便于工程設計使用[6] 。然而，嵌巖段側阻和端阻綜合系數取值存在一定局限性。首先，側阻力系數與端阻力系數來源不同，側阻力系數來源于假定側阻力分布模式的計算結果，而端阻力系數則來源于試驗數據的統計結果。其次，綜合系數中側阻力系數僅按照軟質巖和硬質巖2大檔次取值，缺少進一步細劃分，難以充分體現巖性差異。因此，迫切需要收集更多嵌巖樁試驗數據，對嵌巖樁嵌巖段巖石極限側阻力和巖石極限側阻力系數進行分析，也為相關設計規范的完善提供參考。

收集了在不同時期、不同地區、不同巖石強度和不同嵌巖條件下所完成的145個嵌巖樁豎向下壓承載力試驗成果，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強度等因素對嵌巖樁嵌巖段樁側極限側阻力及巖石極限側阻力系數的影響規律，建立了嵌巖段巖石極限側阻力系數與巖石單軸抗壓強度之間的擬合關系式。基于統計分析結果，給出了不同可靠度水平下嵌巖樁嵌巖段巖石極限阻力系數的取值，可為嵌巖樁極限側阻力計算提供借鑒。

1 數據收集與整理

1.1 數據收集

試驗資料來源于34篇文獻[7-40] ，共145個嵌巖樁豎向下壓承載力試驗成果，主要包括嵌巖段巖石類型、嵌巖段樁的直徑 d 與嵌巖深度 h ?r、巖石天然單軸抗壓強度 σ ?c及嵌巖段樁的極限側阻力 q ?s等。相關文獻作者及發表時間如表1所示。全部嵌巖樁嵌巖段下壓承載力試驗結果列于表2。

當前，學者們通常定義嵌巖段樁的極限側阻力 q ?s和巖石單軸抗壓強度 σ ?c之間的比值為嵌巖樁嵌巖段巖石極限側阻力系數，記為 ξ ?s，即

ξ ?s = ?q ?s/ σ ?c （1）

根據表2試驗結果，按式（1）得到各試驗基礎嵌巖段巖石極限側阻力系數 ξ ?s值，結果也列于表2。

文獻中的試驗工作是不同時期、不同地區學者在不同巖石類型與強度、不同樁端嵌巖條件下完成的，作者對嵌巖樁的極限側阻力測試方法、極限承載力的確定原則也不盡相同。分析中均直接采用原文獻結果，這種分析方法得到的研究結論應更具有一般性。

1.2 數據整理與分析

表2結果表明，不同巖性中嵌巖樁抗壓承載力差異主要由嵌巖段巖體性質和樁端嵌巖特征的不同引起。樁端嵌巖特征主要包括樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比。表2中嵌巖段巖石主要包括頁巖、泥灰巖、安山巖、泥巖、砂巖、花崗巖、石灰巖、粉砂巖、凝灰巖、輝綠巖等多種類型。中國《工程巖體分級標準》（GB/T 50218-2014）[41] 指出，影響嵌巖段巖體性質的因素主要是巖石物理力學性質、構造發育情況、承受的荷載（工程荷載和初始應力）、應力應變狀態、幾何邊界條件、水的賦存狀態等。在這些因素中，巖石堅硬程度則是反映巖體基本特性的一個重要因素。此外，學者們和工程界也都是采用嵌巖樁嵌巖段巖石極限側阻力系數乘以巖石單軸抗壓強度計算得到嵌巖樁嵌巖段樁側巖石極限側力。因此，為便于分析，根據表2試驗成果，并參考《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）（2009版）[42] 中巖石堅硬程度分類規定，根據 σ ?c的大小不同，將試驗數據分為5組： σ ?c≤5 MPa，5 MPa< σ ?c≤15 MPa，15 MPa< σ ?c≤30 MPa，30 MPa< σ ?c≤60 MPa和 σ ?c>60 MPa。 據此分析嵌巖段巖體性質對嵌巖段樁極限側阻力及巖石極限側阻力系數的影響規律。各分組的試驗樣本量分別為40、49、23、22和11。

文獻[42]中巖石堅硬程度按巖石飽和單軸抗壓強度 f rk 大小進行劃分，而本文引用文獻中的巖石強度 σ ?c均為巖石天然單軸抗壓強度，這是二者的不同。采用根據 σ ?c大小進行試驗數據分組的方法，主要是便于問題分析與成果對比。

2 嵌巖段樁的極限側阻力及巖石極限

側阻力系數影響因素????? 2.1 樁徑

圖1和圖2分別為嵌巖段樁的極限側阻力和嵌巖段巖石極限側阻力系數隨樁徑的變化規律。

從圖1和圖2可看出，嵌巖段樁的極限側阻力及嵌巖段巖石極限側阻力系數隨樁徑變化均具有較大的離散性，二者之間無明顯的相關性。Williams等的試驗也表明[28] ，當樁徑大于150 mm時，樁徑對嵌巖樁的極限側阻力影響可忽略不計。可能原因為：嵌巖樁嵌巖段樁側阻力主要靠樁 巖間相對位移發揮，但巖體發揮極限側阻所需的相對位移較小，對破碎砂質粘土巖和細砂巖約4 mm，完整細砂巖約3 mm，完整石灰巖和花崗巖≤2 mm[43] 。由于樁 巖間極限側阻發揮所需的相對位移主要與巖體類別有關，從而使得嵌巖段巖石極限側阻力與樁徑之間的相關性不強。

2.2 嵌巖深度

嵌巖深度是嵌巖樁設計的重要參數之一，直接關系嵌巖樁設計的安全性和經濟性。嵌巖深度過大，雖然安全可靠，但施工難度大、費用高。反之，嵌巖深度過小，若樁端巖層性質差，嵌巖樁承載力和沉降可能不滿足上部結構要求。

圖3和圖4分別給出了嵌巖段樁的極限側阻力和巖石極限側阻力系數隨嵌巖深度變化規律。

圖3和圖4表明，嵌巖段樁的極限側阻力和嵌巖段巖石極限側阻力系數隨嵌巖深度的變化都具有一定離散性，但總體隨嵌巖深度的增加而減小。這與Rowe等[44] 研究結論一致。即在一定嵌巖深度范圍內，增加嵌巖深度可提高嵌巖樁承載力，但超過某一深度后，增加嵌巖深度對單樁承載力幾乎沒有影響，嵌巖樁存在最佳嵌巖深度，這也與中國學者對嵌巖深度普遍看法一致[44-49] ，即嵌巖樁存在最佳嵌巖深度，可使嵌巖段樁側阻力和樁端阻力發揮最為協調和充分。

2.3 嵌巖深徑比

圖5為嵌巖段樁的極限側阻力隨嵌巖深徑比 h ?r/ d 的變化規律。結果表明，嵌巖段樁的極限側阻力總體隨嵌巖深徑比的增大而減小。中國學者對嵌巖樁最佳嵌巖深徑比取值的研究結論也不一致。黃求順[45] 認為嵌巖樁最佳嵌巖深徑比為3，而劉興遠等[46] 認為一律將嵌巖深徑比等于3作為最佳嵌巖深度不合理，應根據樁端所嵌入巖體狀態確定。明可前[47] 通過試驗認為最佳嵌巖深徑比為4。許錫賓等[48] 認為硬質巖和軟質巖最佳嵌巖深徑比分別取3和5較合理。

圖6為采用雙對數坐標軸繪制的嵌巖段巖石極限側阻力系數隨嵌巖深徑比變化規律。中國樁基規范[1] 中巖石極限側阻力系數與巖石強度、嵌巖深徑比有關。圖6中也給出了中國樁基規范中嵌巖段巖石極限側阻力系數隨嵌巖深徑比的變化曲線。

從圖6可看出，對極軟巖和軟巖（ σ ?c≤15 MPa），規范取值總體偏小，而對較硬巖和硬巖（ σ ?c>30 MPa），規范取值又總體偏大。同時，圖6中相同和不同巖石強度下，嵌巖段巖石極限側阻力系數與嵌巖深徑比之間無明顯的相關性。然而，中國樁基規范[1] 中，不論是極軟巖和軟巖，還是較硬巖和硬巖，嵌巖段巖石極限側阻力系數取值與嵌巖深徑比相關，且隨嵌巖深徑比增加均略有下將，這顯然不盡合理。

2.4 巖石強度

學者們都是將嵌巖段樁的極限側阻力和巖石單軸抗壓強度聯系在一起。這既表明嵌巖段樁的極限側阻力和巖石單軸抗壓強度之間有較好的相關性。學者們多采用 q ?s= b （ σ ?c）0.50 擬合嵌巖段樁的極限側阻力 q ?s和巖石單軸抗壓強度 σ ?c之間關系，不同學者之間系數 b 的取值不同，如表3所示。

根據表2數據，可得到嵌巖段樁的極限側阻力隨巖石單軸抗壓強度變化如圖7所示。圖7給出了表3中不同系數 b 所對應的嵌巖段樁側極限阻力和巖石單軸抗壓強度的變化曲線。為便于進一步比較，將圖7采用雙對數坐標軸表示，結果如如圖8所示。

圖7和圖8均表明，嵌巖段樁的極限側阻力隨巖石單軸抗壓強度增加而增加，可采用式（2）擬合。

q ?s=0.436（ σ ?c）0.32 ?（2）

圖9給出了按表2數據得到的嵌巖樁巖石極限側阻力系數隨巖石單軸抗壓強度的變化規律。

圖9中巖石極限側阻力系數 ξ ?s隨巖石單軸抗壓強度 σ ?c增加而下將， ξ ?s和 σ ?c間可采用式（3）擬合。

ξ ?s =0.436（σ ?c ）-0.68 ?（3）

顯然，式（3）與按照式（1）、式（2）計算結果一致。

3 巖石極限側阻力系數的取值建議

中國現行樁基規范[1] 中嵌巖段巖石極限阻力系數的取值與巖石強度、嵌巖深徑比和成樁工藝有關。但如前所述，樁徑、嵌巖深度及嵌巖深徑比對嵌巖段巖石極限側阻力系數影響并不顯著。巖石強度是影響嵌巖段巖石極限側阻力系數的主要因素。

根據表2結果，對 σ ?c≤5 MPa、5 MPa< σ ?c≤15 MPa、15 MPa< σ ?c≤30 MPa和30 MPa< σ ?c≤60 MPa各分組的巖石極限側阻力系數進行統計分析，結果如表4。總的規律是巖石強度愈高， ξ ?s愈低。

圖10為不同巖石強度分組條件下，嵌巖段巖石極限側阻力系數的累積分布曲線，其橫軸為巖石極限側阻力系數 ξ ?s值，縱軸為小于某 ξ ?s值數據個數所占的百分比。

根據圖10所示的極限側阻力系數累積分布曲線，得到不同巖石強度條件下，具有給定保證概率的嵌巖段巖石極限側阻力系數 ξ ?s取值。若以 ξ ?s小于某一數值的數據個數百分比為90%，則由此確定的 ξ ?s值將具有90%的保證概率，結果如表4所示。

4 結論

根據不同時期完成的145個嵌巖樁承載力試驗成果，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強度對嵌巖樁嵌巖段樁的極限側阻力和巖石側極限阻力系數的影響規律，主要結論如下：

1）巖石強度是影響巖石極限側阻力系數的最主要因素，可采用 ξ ?s=0.436（ σ ?c）-0.68 擬合嵌巖段巖石極限側阻力系數與巖石天然單軸抗壓強度之間的關系。嵌巖樁嵌巖段巖石極限側阻力系數與樁徑間無顯著相關性。相同巖石條件下，巖石極限側阻力系數總體上隨嵌巖深度增加呈下將趨勢，但二者之間相關性不顯著。

2）嵌巖段樁的極限側阻力總體上隨嵌巖深徑比增大而減小。嵌巖段巖石極限側阻力系數與嵌巖深徑比間無顯著相關性。中國現行樁基規范中，巖石極限側阻力系數取值與嵌巖深徑比相關，且隨嵌巖深徑比增加而減小，顯然并不合理。此外，中國樁基規范對極軟巖和軟巖的巖石極限側阻力系數取值總體偏小，而較硬巖和硬巖的取值又總體偏大。

3）針對巖石天然單軸抗壓強度 σ ?c分組（ σ ?c≤5 MPa，5 MPa< σ ?c≤15 MPa，15 MPa< σ ?c≤30 MPa，30 MPa< σ ?c≤60 MPa）所推薦的巖石極限側阻力系數的均值及具有90%保證概率的巖石極限側阻力系數取值，可作為不同可靠度水平下的工程設計依據。

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