嵌巖樁的極限端阻力發揮特性及其端阻力系數

魯先龍 乾增珍 楊文智 鄭衛鋒

摘 要：嵌巖樁極限端阻力發揮特征及端阻力系數取值仍是巖土工程中嵌巖樁應用的重要研究課題之一。本文收集整理了國外不同地區學者在不同時期、不同巖石性質和不同嵌巖條件下所開展的165個嵌巖樁端阻力試驗成果，主要包括嵌巖段巖石類型及其天然單軸抗壓強度、嵌巖直徑與嵌巖深度、嵌巖樁極限端阻力等。定義嵌巖樁極限端阻力與巖石天然單軸抗壓強度的比值為嵌巖樁端阻力系數，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強度對嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數的影響規律，建立了嵌巖樁極限端阻力及端阻力系數與巖石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。

關鍵詞：嵌巖樁;端阻系數;嵌巖深徑比;巖石單軸抗壓強度

中圖分類號：TU411? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：

Abstract： It is an important issue to investigate the characteristics of end-bearing capacity and to determine the end-bearing resistance factor for the application of rock-socketed piles. In this study， the results of 165 compression load tests were collected to examine several issues related to the end-bearing capacity behavior of rock-socket piles. All these load test results were conducted on different rocks with different rock-socket piled conditions by different authors worldwide. Using these load test data， the type and the uniaxial compressive strength of rock in nature， the diameter and the embedment depth of socketed piles， the ultimate end-bearing resistances were compiled. The ratio of ultimate end-bearing capacity to unconfined compressive strength of the rock was defined as the end-bearing resistance factor of rock-socketed piles. Effects of the pile diameter， the pile depth rocked into rock， the ratio of rocketed depth to diameter， and the unconfined compressive strength of the rock on the ultimate end-bearing capacity and the end-bearing resistance factor were comprehensively investigated. An empirical relation between the unconfined compressive strength and the end-bearing capacity as well as the end-bearing resistance factor were suggested， which could be used in the design for rock-socketed piles.

Key words： rock-socket pile; end-bearing resistance factor; ratio of pile rocketed depth to diameter; unconfined compressive strength of rock

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、試驗費用高且難以進行破壞性試驗等特點，系統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，各行業規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]。

我國建筑地基基礎設計規范[5]認為嵌巖樁是端承樁，按端承樁設計。但國內外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，這已體現在我國相關規范[6-9]所給出的嵌巖樁承載力設計方法中。文獻[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，首先樁體發生豎向位移，樁體和樁側巖土體之間發生相對位移，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揮。嵌巖樁巖石端阻力發揮過程更加復雜，研究嵌巖樁極限端阻力發揮特征將具有重要的理論和實踐意義。

本文收集整理了國外學者在不同時期、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

這里需特別說明，本文所引用文獻的試驗工作是不同時期、不同地區學者，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。

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、凝灰巖和角礫巖等多種類型。

我國規范[49]指出，影響巖體性質的因素主要是巖石物理力學性質、構造發育情況、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了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0.5m時尤為明顯，當樁徑大于0.5m后，這種下降趨勢表現得并不顯著。

2.2 嵌巖深度

嵌巖深度不僅影響嵌巖段側阻力發揮性狀，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律。

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和Armitage[53]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是不一致的。黃求順[12]認為最佳嵌巖深度為3d，而劉興遠等[54]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確定。明可前[55]通過試驗認為最佳嵌巖深度為4d。許錫賓等[56]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]統計分析結果一致。史佩棟等[13]根據國內外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

我國樁基規范[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，嵌巖段總阻力的發揮程度隨嵌巖深度的增加而增大，而隨著嵌巖深度繼續增加，嵌巖段總阻力發揮程度有所變緩，嵌巖樁極限端阻力系數存在深度效應。圖8給出了嵌巖樁極限端阻力系數隨嵌巖深徑比變化規律，也給出了規范[6]中2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≤15MPa）、較硬巖和硬巖（巖石飽和單軸抗壓強度>30MPa），我國規范取值總體偏小。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。而我國規范[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。

2.4 巖石強度

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（編輯：胡玲）