嵌巖樁的極限端阻力發(fā)揮特性及其端阻力系數

魯先龍，乾增珍，楊文智，鄭衛(wèi)鋒

(1.中國電力科學研究院有限公司，北京 100191；2.中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083)

嵌巖樁作為承受大型建(構)筑物荷載的主要基礎型式，已在工程中得到了廣泛應用。然而，由于嵌巖樁具有承載力大、試驗費用高、難以進行破壞性試驗等特點，系統(tǒng)且完整的靜載試驗實測數據不多，從而制約了人們對嵌巖樁承載性狀的全面認識[1-2]。目前，各行業(yè)規(guī)范對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[3]，設計方法及其參數取值也不盡相同，其原因主要源于對嵌巖樁荷載傳遞機理與承載性狀認識存在偏差[4]。

中國建筑地基基礎設計規(guī)范[5]認為嵌巖樁是端承樁，按端承樁設計。但學術界和工程界都普遍認為，嵌巖樁抗壓承載力主要由基巖上覆土層樁側阻力、嵌巖段樁側阻力和樁端阻力3部分組成，這已體現在中國相關規(guī)范[6-9]所給出的嵌巖樁承載力設計方法中。魯先龍等[10]通過收集整理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對嵌巖樁嵌巖段樁側極限阻力和巖石極限側阻力系數的影響規(guī)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建議。但大量現場試驗表明[11-14]，嵌巖樁在豎向荷載作用下，樁體首先發(fā)生豎向位移，樁體和樁側巖土體之間發(fā)生相對位移，樁頂荷載通過樁側巖土體阻力逐漸傳遞至樁端，嵌巖段樁側阻力一般先于樁端阻力發(fā)揮。嵌巖樁巖石端阻力發(fā)揮過程更加復雜，研究嵌巖樁極限端阻力發(fā)揮特征將具有重要的理論和實踐意義。

本文收集整理了學者們在不同時期、不同地區(qū)、不同巖石強度和不同嵌巖條件下所完成的165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對嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數的影響規(guī)律，建立了嵌巖樁極限端阻力及端阻力系數與巖石天然單軸抗壓強度之間的擬合關系式，可為嵌巖樁極限端阻力計算提供借鑒。

1 試驗數據收集與整理

1.1 數據收集

所收集的試驗數據來源于34篇文獻[15-48]，共165個嵌巖樁豎向下壓承載力試驗結果，主要包括嵌巖段巖石類型、嵌巖段樁徑d、嵌巖深度hr、巖石天然單軸抗壓強度σc以及嵌巖樁極限端阻力qp等。相關文獻作者與發(fā)表時間列于表1。全部嵌巖樁嵌巖條件及其極限端阻力試驗結果列于表2。

表1 文獻作者與年代[15-48]Table 1 Authors and years for the references in this study[15-48]

當前，學者們都通常定義嵌巖樁極限端阻力qp和巖石單軸抗壓強度σc之間的比值為嵌巖樁極限端阻力系數，記為ξp，即

ξp=qp/σc

(1)

根據表2試驗結果，按式(1)得到各試驗基礎的極限端阻力系數ξp值，結果也列于表2。

這里需特別說明，引用文獻的試驗工作是不同時期、不同地區(qū)學者，分別在不同巖石類型與強度、不同樁端嵌巖條件下完成的，作者對嵌巖樁極限端阻力的測試方法、極限承載力確定原則等方面也不盡相同。本文分析中均直接采用了原文獻結果，這種方法分析得到的研究結論將更具一般性。

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

1.2 數據整理與分析

如表2所示，嵌巖樁抗壓承載性能差異主要由嵌巖段巖體性質和樁端嵌巖特征不同引起。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黏土巖、頁巖、泥頁巖、砂礫巖、石膏巖、石灰石、凝灰?guī)r和角礫巖等多種類型。

中國規(guī)范[49]指出，影響巖體性質的因素主要是巖石物理力學性質、構造發(fā)育情況、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。這里還需要特別說明的是，規(guī)范[49]中巖石堅硬程度是按巖石飽和單軸抗壓強度大小進行劃分，而本文所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。

2 巖石極限端阻力與端阻力系數影響因素

根據表2所收集與整理的嵌巖樁端阻力試驗數據，分析樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強度對嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數的影響規(guī)律。

2.1 樁徑

圖1和圖2分別為嵌巖樁極限端阻力及端阻力系數隨樁徑變化的規(guī)律。圖1和圖2結果表明，樁徑對嵌巖極限樁端阻力影響并不顯著，嵌巖樁極限端阻力與樁徑之間無明顯相關性。樁端阻力系數總體隨樁徑增加而呈下降趨勢，當樁徑小于0.5 m時尤為明顯，當樁徑大于0.5 m后，這種下降趨勢表現得并不顯著。

圖1 嵌巖樁極限端阻力隨樁徑變化Fig.1 Variation of ultimate end-bearing capacity with diameter of the pile socketed into

圖2 嵌巖樁端阻力系數隨樁徑變化Fig.2 Variation of ultimate end-bearing resistance factor with diameter of the pile socketed into

2.2 嵌巖深度

嵌巖深度不僅影響嵌巖段側阻力發(fā)揮性狀，對樁端分擔的荷載大小也有較大影響。此外，嵌巖深度也直接關系到嵌巖樁應用的安全性和經濟性。嵌巖深度大，雖安全可靠，但施工難度大、費用高。反之，嵌巖深度過小，若樁端巖性差，嵌巖樁承載力和沉降可能不滿足上部結構要求。圖3給出了嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深度變化規(guī)律。

圖3 嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深度變化Fig.3 Variation of ultimate end-bearing capacity with depth of the pile socketed into

圖3表明，嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深度變化雖有一定離散性，但總體上隨嵌巖深度增加而略有減小，這與Rowe等[50]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，但超過一定深度后，嵌巖深度的增加對單樁承載力幾乎沒有影響，即嵌巖樁存在最佳嵌巖深度，這也與我國學者對嵌巖深度普遍看法一致，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(fā)揮最為協調和充分。但不同學者對最佳嵌巖深度取值研究結論也不一致。黃求順[12]認為最佳嵌巖深度為3d，而劉興遠等[51]認為一律將嵌巖深度取為3d不合理，應根據樁端所嵌入巖體狀態(tài)確定。明可前[52]通過試驗認為最佳嵌巖深度為4d。許錫賓等[53]認為硬質巖和軟質巖最佳嵌巖深度分別取3d和5d較合理。

2.3 嵌巖深徑比

圖4為嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深徑比hr/d的變化規(guī)律。結果表明，嵌巖樁極限端阻力總體隨嵌巖深徑比的增大而減小，這與史佩棟等[13]統(tǒng)計分析結果一致。史佩棟等[13]根據150根嵌巖樁下壓實測結果，繪制了嵌巖樁極限端阻分擔荷載比與樁身嵌巖深徑比hr/d之間的關系曲線。結果表明，嵌巖樁極限端阻力總體隨嵌巖深徑比的增大而減小，當1.0

圖4 嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深徑比變化Fig.4 Variation of ultimate end-bearing capacity with the ratio of rock socketed depth to

中國樁基規(guī)范[6]中嵌巖段側阻和端阻綜合系數是隨嵌巖深度變化而變化的，在較小嵌巖深徑比下，嵌巖段總阻力的發(fā)揮程度隨嵌巖深度的增加而增大，而隨著嵌巖深度繼續(xù)增加，嵌巖段總阻力發(fā)揮程度有所變緩，嵌巖樁極限端阻力系數存在深度效應。圖5給出了嵌巖樁極限端阻力系數隨嵌巖深徑比變化規(guī)律，也給出了規(guī)范[6]中二類巖石強度條件下，嵌巖樁極限端阻力系數隨嵌巖深徑比變化曲線。

從圖5可看出，對極軟巖和軟巖(巖石飽和單軸抗壓強度≤15 MPa)、較硬巖和硬巖(巖石飽和單軸抗壓強度>30 MPa)，中國規(guī)范取值總體偏小。同時，圖5中端阻力系數與嵌巖深徑比之間并無明顯的相關性。而中國規(guī)范[6]中嵌巖樁端阻力系數取值與嵌巖深徑比相關，隨嵌巖深徑比增加而略有下將，這與收集整理的試驗結果并不吻合。

圖5 嵌巖樁端阻力系數隨嵌巖深徑比變化Fig.5 Plots of ultimate end-bearing resistance factor with the ratio of rock rocketed depth to

2.4 巖石強度

根據表2數據，可得到嵌巖樁極限端阻力隨巖石天然單軸抗壓強度變化規(guī)律，如圖6所示。為便于更加直觀地比較，將圖6結果采用雙對數坐標軸表示，如圖7所示。圖6和圖7表明，嵌巖樁極限端阻力隨巖石天然單軸抗壓強度增加而呈非線性增加，可采用式(2)進行擬合。

qp=4.99σc0.30

(2)

圖6 嵌巖樁極限端阻力隨巖石強度變化關系Fig.6 Ultimate end-bearing capacity versus unconfined compressive strength of

圖7 雙對數坐標軸下嵌巖樁極限端阻力隨巖石強度變化Fig.7 Log-log plots of ultimate end-bearing capacity versus unconfined compressive strength of

圖8給出了嵌巖樁端阻力系數隨巖石單軸抗壓強度的變化規(guī)律。嵌巖樁端阻力系數隨巖石單軸抗壓強度增加而下降，可采用式(3)擬合。

ξp=4.99σc-0.70

(3)

圖8 嵌巖樁端阻力系數隨巖石強度變化關系Fig.8 Ultimate end-bearing resistance factor versus unconfined compressive strength of

顯然，式(3)與按照式(1)、式(2)計算的結果一致。

與嵌巖段樁的極限側阻力研究[10]相似，國外學者也都是通過樁端阻力系數將嵌巖樁極限端阻力和巖石單軸抗壓強度聯系在一起，嵌巖樁極限側阻力和巖石天然單軸抗壓強度之間的典型關系式如表3所示。圖9給出了嵌巖樁端阻力系數隨巖石天然單軸抗壓強度變化的結果比較。

表3 嵌巖段樁的極限側阻力表達式Table 3 Summary of equations of ultimate end-bearing capacity for piles rocketed into the rocks

從圖9可看出，基于收集整理的165個嵌巖樁端阻力試驗成果，所給出的嵌巖樁端阻力系數和巖石單軸抗壓強度之間的擬合結果總體偏于安全，可作為今后工程設計計算依據。

圖9 嵌巖樁端阻力系數隨巖石單軸抗壓強度變化結果比較Fig.9 Comparison of end-bearing resistance factor against the unconfined compressive strength of

3 結論

根據165個嵌巖樁端阻力試驗成果，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強度對嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數的影響規(guī)律。主要結論如下：

1)嵌巖樁極限端阻力與樁徑間無顯著相關性，但其總體上隨嵌巖深度、嵌巖深徑比增加而略有減小。嵌巖樁極限端阻力qp隨巖石單軸抗壓強度σc增加而呈非線性增加，可采用qp=4.99σc0.30進行擬合。

2)巖石強度是影響嵌巖樁極限端阻力系數的最主要因素，可采用ξp=4.99σc-0.70擬合嵌巖樁端阻力系數與巖石天然單軸抗壓強度之間的關系。

3)嵌巖樁端阻力系數隨樁徑、嵌巖深度增加而略呈下降趨勢，但二者之間相關性并不顯著。嵌巖樁極限端阻力系數與嵌巖深徑比之間無顯著相關性。中國現行樁基規(guī)范[6]中嵌巖樁端阻力系數取值總體偏小，且其取值與嵌巖深徑比相關，隨嵌巖深徑比增加而減小，這與本文試驗分析結果并不吻合。