嵌巖樁嵌巖段的巖石極限側(cè)阻力系數(shù)

魯先龍，乾增珍，楊文智，鄭衛(wèi)鋒

(1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.中國地質(zhì)大學(北京) 工程技術學院，北京 100083)

嵌巖樁是大型建(構(gòu))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(jié)構(gòu)的下壓或上拔荷載。對抗壓和抗拔嵌巖樁，嵌巖段樁的側(cè)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(cè)阻力、嵌巖段樁側(cè)阻力和樁端阻力3部分組成。這在中國相關規(guī)范[1-4]給出的嵌巖樁承載力設計計算方法中均得到體現(xiàn)。嵌巖樁抗拔承載力主要由基巖上覆土層樁側(cè)阻力和嵌巖段樁側(cè)阻力2部分組成。通常采用折減系數(shù)，對土層和巖層抗壓極限側(cè)阻力進行折減。如文獻[5]建議該折減系數(shù)為0.7。因此，研究嵌巖樁嵌巖段樁測極限側(cè)阻力及巖石極限側(cè)阻力系數(shù)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(jīng)驗和半經(jīng)驗公式，經(jīng)驗參數(shù)較多。以中國現(xiàn)行行業(yè)標準《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)[1]為例，其采用嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)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(cè)阻和端阻綜合系數(shù)取值存在一定局限性。首先,側(cè)阻力系數(shù)與端阻力系數(shù)來源不同，側(cè)阻力系數(shù)來源于假定側(cè)阻力分布模式的計算結(jié)果，而端阻力系數(shù)則來源于試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果。其次，綜合系數(shù)中側(cè)阻力系數(shù)僅按照軟質(zhì)巖和硬質(zhì)巖2大檔次取值，缺少進一步細劃分，難以充分體現(xiàn)巖性差異。因此，迫切需要收集更多嵌巖樁試驗數(shù)據(jù)，對嵌巖樁嵌巖段巖石極限側(cè)阻力和巖石極限側(cè)阻力系數(shù)進行分析，也為相關設計規(guī)范的完善提供參考。

收集了在不同時期、不同地區(qū)、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(cè)極限側(cè)阻力及巖石極限側(cè)阻力系數(shù)的影響規(guī)律，建立了嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)與巖石單軸抗壓強度之間的擬合關系式。基于統(tǒng)計分析結(jié)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(shù)的取值，可為嵌巖樁極限側(cè)阻力計算提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)收集與整理

1.1 數(shù)據(jù)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hr、巖石天然單軸抗壓強度σc及嵌巖段樁的極限側(cè)阻力qs等。相關文獻作者及發(fā)表時間如表1所示。全部嵌巖樁嵌巖段下壓承載力試驗結(jié)果列于表2。

當前，學者們通常定義嵌巖段樁的極限側(cè)阻力qs和巖石單軸抗壓強度σc之間的比值為嵌巖樁嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)，記為ξs，即

ξs=qs/σc

(1)

根據(jù)表2試驗結(jié)果，按式(1)得到各試驗基礎嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)ξs值，結(jié)果也列于表2。

文獻中的試驗工作是不同時期、不同地區(qū)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(cè)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(jié)果，這種分析方法得到的研究結(jié)論應更具有一般性。

1.2 數(shù)據(jù)整理與分析

表2結(jié)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(zhì)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?guī)r、安山巖、泥巖、砂巖、花崗巖、石灰?guī)r、粉砂巖、凝灰?guī)r、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(zhì)的因素主要是巖石物理力學性質(zhì)、構(gòu)造發(fā)育情況、承受的荷載(工程荷載和初始應力)、應力應變狀態(tài)、幾何邊界條件、水的賦存狀態(tài)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(cè)阻力系數(shù)乘以巖石單軸抗壓強度計算得到嵌巖樁嵌巖段樁側(cè)巖石極限側(cè)力。因此，為便于分析，根據(jù)表2試驗成果，并參考《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(2009版)[42]中巖石堅硬程度分類規(guī)定，根據(jù)σc的大小不同，將試驗數(shù)據(jù)分為5組：σc≤5 MPa，5 MPa<σc≤15 MPa，15 MPa<σc≤30 MPa，30 MPa<σc≤60 MPa和σc>60 MPa。據(jù)此分析嵌巖段巖體性質(zhì)對嵌巖段樁極限側(cè)阻力及巖石極限側(cè)阻力系數(shù)的影響規(guī)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frk大小進行劃分，而本文引用文獻中的巖石強度σc均為巖石天然單軸抗壓強度，這是二者的不同。采用根據(jù)σc大小進行試驗數(shù)據(jù)分組的方法，主要是便于問題分析與成果對比。

表1 文獻作者與年代[7-40]Table 1 Authors and years for the references in this study[7-40]

表2 嵌巖樁嵌巖段承載力試驗結(jié)果Table 2 Database for the load test results of piles socketed into rock

續(xù)表2基礎編號巖石類型d/mmhr/mmσc/MPaqs/MPaξs7/1白堊1 0508 0001.10.1900.1738/1頁巖20390020.72.1400.1038/2安山巖45056010.551.1200.1068/3頁巖20091021.11.7200.0829/1輝綠巖61512 2000.40.1220.30510/1泥巖9001 0001.090.1200.11010/2泥巖9001 0001.090.1800.16511/1頁巖6102 9007.00.9320.13312/1泥巖1 0901 5002.30.8000.34813/1頁巖63590015.20.8300.05513/2頁巖63590015.20.8300.05514/1泥巖1 2001 0003.061.0500.34314/2泥巖1 2001 0001.930.9400.48715/1頁巖7101 40010.41.0900.10516/1砂巖759606.00.8200.13716/2砂巖2109206.01.1200.18716/3砂巖3154006.01.4100.23516/4砂巖2101 3706.00.8900.14816/5砂巖2105186.00.8100.13516/6砂巖1604606.00.9400.15716/7砂巖1604506.01.1600.19316/8砂巖3155206.00.8900.14816/9砂巖2553306.01.6500.27516/10砂巖1606206.01.1300.18816/11砂巖3104506.00.4800.08016/12砂巖2106006.01.2000.20016/13砂巖2107006.01.1700.19516/14砂巖2901 3006.00.3200.05316/15砂巖7109006.00.6500.10816/16砂巖2901 2706.00.6800.11316/17砂巖21034030.04.7500.15816/18砂巖16018414.02.3000.16416/19砂巖6416014.02.6000.18616/20砂巖8413014.03.4600.24716/21砂巖8433014.02.4300.17416/22砂巖8438514.02.5900.18516/23砂巖16011214.05.2200.37316/24砂巖16016014.02.6900.19216/25砂巖9125514.00.1500.01117/1頁巖9001 30021.01.2600.06017/2頁巖45070034.02.5000.07418/1砂巖4711 0802.50.5300.212

注：1)基礎編號中“/”的前一個數(shù)字代表文獻序號、后一個數(shù)字代表該文獻中試驗基礎個數(shù)的序號。2)表中“—”表示原文獻中無相應數(shù)據(jù)。

2 嵌巖段樁的極限側(cè)阻力及巖石極限側(cè)阻力系數(shù)影響因素

2.1 樁徑

圖1和圖2分別為嵌巖段樁的極限側(cè)阻力和嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)隨樁徑的變化規(guī)律。

圖1 嵌巖段樁的極限側(cè)阻力隨樁徑變化關系Fig.1 Variation of ultimate side shear resistance with diameter of the pile socketed into

圖2 嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)隨樁徑變化關系Fig.2 Variation of ultimate side shear resistance factor with diameter of the pile socketed into

從圖1和圖2可看出，嵌巖段樁的極限側(cè)阻力及嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)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(cè)阻力影響可忽略不計。可能原因為：嵌巖樁嵌巖段樁側(cè)阻力主要靠樁-巖間相對位移發(fā)揮，但巖體發(fā)揮極限側(cè)阻所需的相對位移較小，對破碎砂質(zhì)粘土巖和細砂巖約4 mm，完整細砂巖約3 mm，完整石灰?guī)r和花崗巖≤2 mm[43]。由于樁-巖間極限側(cè)阻發(fā)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(cè)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(shù)之一，直接關系嵌巖樁設計的安全性和經(jīng)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(zhì)差，嵌巖樁承載力和沉降可能不滿足上部結(jié)構(gòu)要求。

圖3和圖4分別給出了嵌巖段樁的極限側(cè)阻力和巖石極限側(cè)阻力系數(shù)隨嵌巖深度變化規(guī)律。

圖3 嵌巖段樁的極限側(cè)阻力隨嵌巖深度變化關系Fig.3 Variation of ultimate side shear resistance with depth of the pile socketed into

圖4 嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)隨嵌巖深度變化關系Fig.4 Variation of ultimate side shear resistance factor with depth of the pile socketed into

圖3和圖4表明，嵌巖段樁的極限側(cè)阻力和嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)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(jié)論一致。即在一定嵌巖深度范圍內(nèi)，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(cè)阻力和樁端阻力發(fā)揮最為協(xié)調(diào)和充分。

2.3 嵌巖深徑比

圖5為嵌巖段樁的極限側(cè)阻力隨嵌巖深徑比hr/d的變化規(guī)律。結(jié)果表明，嵌巖段樁的極限側(cè)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(jié)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(jù)樁端所嵌入巖體狀態(tài)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(zhì)巖和軟質(zhì)巖最佳嵌巖深徑比分別取3和5較合理。

圖5 嵌巖段樁的極限側(cè)阻力隨嵌巖深徑比變化關系Fig.5 Variation of ultimate side shear resistance with the ratio of rock rocketed depth to

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

從圖6可看出，對極軟巖和軟巖(σc≤15 MPa)，規(guī)范取值總體偏小，而對較硬巖和硬巖(σc>30 MPa)，規(guī)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(cè)阻力系數(shù)與嵌巖深徑比之間無明顯的相關性。然而，中國樁基規(guī)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(cè)阻力系數(shù)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。

圖6 嵌巖樁巖石極限極限側(cè)阻力系數(shù)隨嵌 巖深徑比變化關系Fig.6 Log-log plots of ultimate side shear resistance factor with the ratio of rock rocketed depth to

2.4 巖石強度

學者們都是將嵌巖段樁的極限側(cè)阻力和巖石單軸抗壓強度聯(lián)系在一起。這既表明嵌巖段樁的極限側(cè)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qs=b(σc)0.50擬合嵌巖段樁的極限側(cè)阻力qs和巖石單軸抗壓強度σc之間關系，不同學者之間系數(shù)b的取值不同，如表3所示。

表3 嵌巖段樁的極限側(cè)阻力表達式Table 3 Summary of equations of ultimate side shear resistance for piles rocketed into the rocks

續(xù)表3

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，可得到嵌巖段樁的極限側(cè)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(shù)b所對應的嵌巖段樁側(cè)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(shù)坐標軸表示，結(jié)果如如圖8所示。

圖7 嵌巖段樁的極限側(cè)阻力隨巖石強度變化關系Fig.7 Ultimate side shear resistance versus unconfined compressive strength of

圖8 雙對數(shù)坐標軸下嵌巖段巖石極限阻力隨巖石強度變化Fig.8 Log-log plots of ultimate side shear resistance versus unconfined compressive strength of

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

qs=0.436(σc)0.32

(2)

圖9給出了按表2數(shù)據(jù)得到的嵌巖樁巖石極限側(cè)阻力系數(shù)隨巖石單軸抗壓強度的變化規(guī)律。

圖9 嵌巖樁巖石極限極限側(cè)阻力系數(shù)隨巖石強度變化關系Fig.9 Ultimate side shear resistance factor versus unconfined compressive strength of

圖9中巖石極限側(cè)阻力系數(shù)ξs隨巖石單軸抗壓強度σc增加而下將，ξs和σc間可采用式(3)擬合。

ξs=0.436(σc)-0.68

(3)

顯然，式(3)與按照式(1)、式(2)計算結(jié)果一致。

3 巖石極限側(cè)阻力系數(shù)的取值建議

中國現(xiàn)行樁基規(guī)范[1]中嵌巖段巖石極限阻力系數(shù)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(cè)阻力系數(shù)影響并不顯著。巖石強度是影響嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)的主要因素。

根據(jù)表2結(jié)果，對σc≤5 MPa、5 MPa<σc≤15 MPa、15 MPa<σc≤30 MPa和30 MPa<σc≤60 MPa各分組的巖石極限側(cè)阻力系數(shù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表4。總的規(guī)律是巖石強度愈高，ξs愈低。

表4 不同巖石強度下嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Summary of the statistics of ultimate side shear resistance factors for different unconfined compressive strength of rock

圖10為不同巖石強度分組條件下，嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)的累積分布曲線，其橫軸為巖石極限側(cè)阻力系數(shù)ξs值，縱軸為小于某ξs值數(shù)據(jù)個數(shù)所占的百分比。

圖10 嵌巖段巖石不同強度下極限側(cè)阻力系數(shù)累積分布曲線Fig.10 Cumulative distribution of ultimate side shear resistance factors for different unconfined compressive strength of

根據(jù)圖10所示的極限側(cè)阻力系數(shù)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(cè)阻力系數(shù)ξs取值。若以ξs小于某一數(shù)值的數(shù)據(jù)個數(shù)百分比為90%，則由此確定的ξs值將具有90%的保證概率，結(jié)果如表4所示。

4 結(jié)論

根據(jù)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(cè)阻力和巖石側(cè)極限阻力系數(shù)的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下：

1)巖石強度是影響巖石極限側(cè)阻力系數(shù)的最主要因素，可采用ξs=0.436(σc)-0.68擬合嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)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(cè)阻力系數(shù)與樁徑間無顯著相關性。相同巖石條件下，巖石極限側(cè)阻力系數(shù)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(cè)阻力總體上隨嵌巖深徑比增大而減小。嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)與嵌巖深徑比間無顯著相關性。中國現(xiàn)行樁基規(guī)范中，巖石極限側(cè)阻力系數(shù)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(guī)范對極軟巖和軟巖的巖石極限側(cè)阻力系數(shù)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σc分組(σc≤5 MPa，5 MPa<σc≤15 MPa，15 MPa<σc≤30 MPa，30 MPa<σc≤60 MPa)所推薦的巖石極限側(cè)阻力系數(shù)的均值及具有90%保證概率的巖石極限側(cè)阻力系數(shù)取值，可作為不同可靠度水平下的工程設計依據(jù)。