湖北省基巖層樁基設計參數應用優化探討

0 引言

樁基礎以其承載能力好、傳力機制明確、變形小等優點，在水利水電工程中得到了廣泛應用。單樁極限承載力是樁基礎設計中的重要參數，因試樁成果具有一定的局限性，勘察報告中按規范確定的樁基設計參數較大程度影響后續的設計方案。

參照規范中的經驗參數確定土層參數一般誤差不大，且土層中樁基施工簡單、處理方法多，經驗參數偶有誤差，對工程的投資及工期影響較小。巖體受層理、裂隙等影響具有各向異性，性狀差異大，且目前各規范標準對端承樁、嵌巖樁單樁豎向承載力的計算方法存在一定差異，各地方標準中提供的經驗參數的取值也存在差異，導致勘察設計人員從安全角度考慮，常按規范下限或在下限值的基礎上進一步折減選取經驗參數。湖北省內一般按DB42/T169-2022《巖土工程勘察規程》（后文簡稱“地方標準”）為依據提出相關經驗參數，本文擬統計對比該規程與其他現有規范理論計算值和經驗值，探討參數取值優化空間和設計優化方案。

抗壓靜載荷試驗。高應變檢測通過使用重錘沖擊樁頂，實測樁頂部速度和力的時程曲線，用Case法來計算單樁承載力，該計算值的大小與錘擊力相關。以湖北省蘄春縣蘄水灌區油鋪河渡槽樁基檢測成果為例，檢測值對比見表1，其單樁承載力設計特征值為4000kN。

表1單樁豎向承載力檢測值

Tab.1Detection values of vertical bearing capacity of single pile

由表1可看出，高應變檢測值均略高于設計所提供的單樁承載力特征值（ 4000kN） ，但與樁型、樁長等均無明顯對應關系。這是因為高應變檢測試驗是按照設計所提供的單樁承載力特征值來選定最大錘擊力，當樁身質量和單樁豎向承載力滿足設計要求時，高應變法所測參數與設計值不會有太大差別。該方法所得檢測特征值只能用作驗收依據，不能反映真實的單樁豎向承載力。

1 現存問題

1.1 承載力檢測的局限性

樁基檢測通常按規范采用高應變檢測和單樁豎向

靜載試驗由于規模較大、費用高，非甲級建筑一般不進行靜載試驗，且對于嵌巖樁，靜載試驗很難加載至巖土阻力極限狀態，施工時一般加載至設計荷載值的2倍，因此靜載試驗所測參數與高應變檢測法存在同樣的局限性，只能檢測出樁基承載力是否滿足要求，但無法判斷前期設計參數與實際值的偏離程度，因此，需在前期勘察設計階段對相關參數和設計方案進行優化，避免在施工期發現問題而導致工期延長和投資增大。

1.2 經驗參數的不確定性

在工程實踐中，針對設計等級非甲級的建筑樁基，多采用經驗參數法，單樁豎向極限承載力標準值按JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》中下式估算：

式中： q_sik 為樁側第 i 層土的極限側阻力標準值; q_pk 為極限端阻力標準值； u 為樁身周長； A_p 為樁端面積; l_i 為第 i 層土范圍內樁身長度。

單樁豎向極限承載力標準值主要受 q_pk 和 q_sik 影響，兩值的選取決定了后續的設計方案。地方標準中的樁基經驗參數參考了相關行業規范，以該標準為例，列舉勘察報告中所提供參數存在的一些不確定性：① 規范中提出了在某些情況下經驗參數需按標準下限值進行折減，但未給出具體折減工況和折減系數；② 當采用嵌巖樁時，參數為固定值，未考慮嵌巖深徑比； ③ 花崗巖區巖石風化帶確定具有較大的主觀性，經驗參數的選取根據風化狀態判別的不同，存在較大差異。因存在以上不確定性，導致勘察報告中所提供的相關樁基設計參數常按規范中經驗參數下限或在下限值折減的基礎上提出，大大增加了樁基工程的投資，對工程進度也有較大影響。

2勘察設計優化探討

2.1 經驗參數的折減

地方標準中規定了兩種樁端阻力參數折減情況：① 破碎的中、微風化巖石在下限值的基礎上進行折減； ② 遇軟巖或嵌巖深度較淺時，經驗參數可適當降低。因兩種情況的折減標準均未確定，本文結合地方標準編制過程中參考的相關規范來探討鉆孔樁基巖經驗參數折減的具體使用情況。

圖1將地方標準經驗參數上下限與JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》、JTG3363－2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》基巖端阻力理論值進行對比。其中JGJ94-2008《建筑樁基技術規范》只考慮完整基巖理論端阻，JTG3363-2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》只考慮極破碎基巖理論端阻，所有理論值計算只考慮深徑比為0的情況，該計算所得理論值均為相同工況下的最小值。

從圖1可看出，在考慮以基巖為樁端持力層的情況下，地方標準中經驗參數的上限取值要低于JGJ94-2008 《建筑樁基技術規范》理論計算值，經驗參數的下限取值除極軟巖外，均低于JTG3363-2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》極破碎基巖端阻理論計算值，即只在同時滿足微風化、極破碎、極軟巖、深徑比為0等4個條件的情況下，才需對樁端阻力的經驗參數在下限值的基礎上進行折減，其余情況均應按規程規范給出的區間進行取值。

2.2嵌巖樁經驗參數的適用性探討

嵌巖樁的單樁承載力高，現場通過靜載試驗確定其極限承載力的難度大、費用高。實際工程中嵌巖樁的極限承載力主要通過經驗參數或經驗公式（2）確定：

式中： N_rk 為嵌巖段極限承載力，由式（3）得來。

式中： ζ_s 為嵌巖段巖石極限側阻力系數； ζ_b 為嵌巖段 巖石極限端阻力系數； h_r 為人巖深度； d 為樁徑 f_rk 為 巖石飽和單軸抗壓強度標準值。

目前不同行業標準對式（3）的參數取值存在一定差異，國內對 ζ_s 和 ζ_b 的取值進行了大量的統計研究，結果表明：當采用 和 ②ζ_b= 4.138f_rk-0.79 進行擬合計算時可滿足國內不同行業標準嵌巖樁設計承載力的要求[1。嵌巖樁并非完全的端承樁，一般呈端承摩擦特性[2]，嵌巖段承載力極限值與深徑比、巖石強度關系密切，國內外對此有較多研究，一般認為硬巖中的嵌巖段超過一定深度時承載力極限值呈下降趨勢，當深徑比為3時為最佳嵌巖深度，而軟巖、極軟巖嵌巖段承載力極限值則與深徑比成

非線性正比關系[3-7]

現將 ① ， ② 式代入式（3）計算不同深徑比下的嵌巖段極限承載力 N_rk 。因地方標準的經驗參數并未直接給出 N_rk 的值，本文按樁徑 1m 、樁端阻力特征值q_pa 和樁側阻力特征值 q_sia 區間經驗參數取插值計算。幾個典型深徑比的理論計算值和經驗參數區間對比情況見圖2。

圖2不同深徑比下理論計算值與經驗參數值對比 Fig.2Comparisonof theoreticaland empirical parameter calculationsunderdifferent rock-socketed ratio

由圖2分析可得以下規律： ① 在深徑比不大于4.0的情況下，隨著 f_rk 的提高，經驗參數上限將逐漸大于理論計算值，下限則總小于理論計算值； ② 軟巖、較軟巖的經驗參數上限總低于理論計算值。從勘察設計優化角度考慮，當采取嵌巖樁時，建議不要直接將勘察報告中的 q_pa 和 q_sia 經驗參數代入計算，應根據勘察報告提供的 f_rk 并結合設計樁基入巖深度，計算嵌巖樁極限承載力。

2.3花崗巖地區樁基設計優化探討

湖北省內基巖以沉積巖為主，占省內面積的 93% ，巖性以黏土巖、砂巖、礫巖、碳酸鹽巖為主。巖槳巖、變質巖約占省內面積的 7% ，主要分布于桐柏-大別地區和上揚子黃陵地區。沉積巖類的風化特征明顯，在勘察過程中可較為準確地判斷基巖風化程度，在進行樁基設計時可直接按風化程度選用相關經驗參數。

湖北省內桐柏-大別地區，花崗巖廣泛出露。花崗巖由于巖性特征，其風化呈漸變特征，其風化剖面上并無臺階式的突變和風化跳躍，相鄰風化帶逐漸過渡，界限不明顯，且花崗巖風化不均，常存在風化夾層或孤石[8]，同時對于構造發育區域內，特別是張扭性斷裂帶兩側，風化程度較強的花崗巖，即使采取鉆孔取芯方式，也難以準確判斷巖體究竟為何種風化帶[9-10]。因地質人員對花崗巖地區某一深度范圍內的巖性風化程度、破碎程度和物理力學性質均難以準確判斷，在勘察中往往對花崗巖的劃分更偏向工程安全角度，如將破碎的中風化劃分為強風化，將完整的微風化劃分為中風化，導致勘察報告中風化花崗巖物理力學參數離散性偏大[]，且存在將微風化劃分為中風化、設計參數仍按照中風化經驗參數下限值取值的情況。地方標準中基巖在不同風化程度下樁端承載力特征值經驗參數分布見圖3。

圖3不同風化程度下端阻經驗參數分布Fig.3Distribution of empirical parameters for end resistanceunderdifferent weathering degrees

由圖3可見，經驗參數分布區間存在以下情況： ① 在中風化、微風化情況下，隨基巖強度的增大，保守取值的誤差也越大，若風化判斷存在失誤的情況下，保守取值的誤差將二次放大。 ② 中風化經驗參數的上限和微風化經驗參數的下限存在重疊區間。

在花崗巖地區，因對中風化帶上限的判斷存在主觀誤差，為提高精確性，對于荷載較大的建筑物，在設計藍圖或報告中不宜按中風化巖深度標注樁基施工終孔條件，可根據勘察報告所提供的中風化帶下限，將樁基持力層設置于非破碎狀的中風化或微風化地層中，并在重疊區間選取經驗參數進行樁基承載力計算。

3結語

本文采用對比統計、理論計算方法，以湖北省地方標準DB42/T169-2022《巖土工程勘察規程》為依據，結合相關行業規范，研究了湖北地區基巖層樁基設計參數的優化問題，重點探討了經驗參數折減條件、嵌巖樁承載力計算方法及花崗巖地層樁基設計參數取值策略。針對優化樁基設計參數得出以下結論： ① 規范經驗參數下限僅在同時滿足基巖微風化、極破碎、極軟巖、樁基深徑比為0等4個條件下才需折減，其余工況均應按規范區間取值，無需額外折減； ② 嵌巖樁承載力與嵌巖深度和巖石強度強相關，軟巖中承載力隨深徑比非線性增長，進行嵌巖樁設計時應根據基巖飽和單軸抗壓強度并結合嵌巖深度計算承載力； ③ 花崗巖地區可將樁基設置于非破碎狀的中風化或微風化地層中，并在規范經驗參數的重疊區間取值，可降低主觀判斷誤差。通過上述方法，可降低樁基設計過程中經驗參數選取帶來的誤差，為湖北省基巖層樁基設計參數選取提供依據。

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（編輯：張爽）

Discussion on application optimization of design parameters for bedrock layerpile foundations in Hubei Province

CHEN Fan，ZHANG Qian，NIE Zhigang，GAO Peipei （Hubei Institute of Water Resources Survey and Design Co.，Ltd.，Wuhan 43oo7O，China）

Abstract：Theselectionof empirical parameters forbedrock endresistanceandsideresistancesignificantly impacts pile foundationdesign.Optimizing these parameter values canefectivelyreduce both the investment costand construction timelineof pile foundation projects.Basedonanalysesgroundedin HubeiProvinciallocal standardsandrelevantindustrystandards，therelationshipbetween the theoreticalcalculated values of single pilebearing capacityand empirical parameter selections wasstatisticallyexaminedunder several workingconditions.Theresults indicated thatthelower limit valueof empirical parameters specified inthe HubeiProvincialreductionstandardsonlywhen allthefollowing conditions are simultaneously met，such as a slenderness ratio equal 0 ，slightlyweatheredbedrock，highly fracturedbedrock，and bedrock classified as extremelysoft rock．When utilizingrock-socketed piles，thedisparitybetweenempirical parameters and theoreticalcalculated values increases progressvely with rising rock-socketed ratio，and pile foundationdesign mustcomprehensivelyconsider boththe rock -socketed depth and therock strength.In granite regions，the pile bearing stratumshould besetwithinnon-fractured moderatelyor slightly weathered strata，utilizing empirical parameter values within theoverlapping interval of standard empirical parameters.Theresearch resultscan provide areferencefor selecting design parameters for bedrock layer pile foundations within Hubei Province.

Key Words： rock - socketed piles；weathering grade;bedrock layer; pile foundation design；Hubei Province