基于自平衡法的较破碎岩石地基嵌岩桩承载性状研究＊

王田龙，黄质宏 ，张 飞，刘 豪，杨 成

(贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳550025)

自平衡试桩法，由于其比传统的堆载法和锚桩法有着节约时间、节约资金、操作自动化和不受场地限制等突出优点被广泛使用，且可以应用于多种类型的桩基础。很多专家学者针对此问题进行了大量的工程实践与理论研究，取得了丰硕的成果。侯希承，李洪涛，赵永军［14］采用自平衡试桩法成功地进行了120000 kN 大直径钻孔灌注桩静载荷试验。该试验表明了自平衡试桩法试桩能突破常规法试桩吨位的限制。他们还对简化法和精确转换法进行了比较研究，得到在同一荷载水平下，简化法对应的沉降量稍大于精确转换法对应的值。他们建议在工程实践中宜采用简化转换法。朱瑶宏，程晔，龚维明［15］在杭州湾大桥试桩工程中，采用自平衡试桩法对钻孔灌注桩承载力进行测试。结果表明，在海洋的条件下，自平衡试桩法具有无法比拟的优越性。而且他们还指出，该方法不仅可以节约大量地时间，而且可以大大节省工程的资金投入，与普通工程相比，至少可节约费用约30%左右。龚维明，戴国亮［19］收集了大量的自平衡试验数据，并分析研究了该方法在人工挖孔桩、钻孔灌注桩、桥梁工程以及特殊类土中的应用。

对于嵌岩桩的研究，国内的学者进行了长时间的工程实践与理论研究，得到了丰富的研究成果。董平，秦然［11］基于剪胀理论建立了适用于弱质岩石地基嵌岩桩嵌岩段的荷载传递函数，并得到了相应的解析解。他们通过研究分析还指出桩端阻力分担比随嵌岩比的增加而减小。王勇刚，李镜培［12］引入Hoek-Brown 强度准则，求解出了嵌岩段桩侧阻力的表达式。宋强辉，刘东升，赵燕明［16］通过ANSYS 建立嵌岩桩单桩模型，采用随机有限元法对软岩中的嵌岩桩变形和等效应力进行了可靠度分析。该方法是有限元理论与可靠度理论的有机结合，可以为特别复杂结构的可靠度分析与设计提供了新的发展及研究方向。刘利民，张洪文，张建新［17］通过对不同场地五根嵌岩桩载荷试验结果的灰色关联分析，为嵌岩桩的设计和承载力的计算提供了新的思路。通过以上论述可知，自平衡法在超大吨位荷载试验、特殊类岩土以及特殊工程环境中有着独特的优势，在工程中得到广泛应用，而且可以节约时间与资金。对于嵌岩桩的研究，专家学者们对嵌岩桩的承载性状、传力机理、影响因素进行了理论分析及数值模拟，得到了丰硕的研究成果。但是对于较破碎岩石地基上嵌岩桩的研究尚不够完善，该领域的研究成果不足。本文在已有的理论研究基础上，通过对相关国家规范的理解学习，并结合现场自平衡桩基载荷试验，对较破碎岩石地基上的嵌岩桩的承载性状性进行分析研究，并探讨影响嵌岩桩承载性状的相关因素。

1 自平衡法原理

自平衡试桩法是利用埋设在桩身适当部位(该部位通常称为平衡点)的荷载箱向桩身上下同时加载，使得上段桩的侧摩阻力与桩体自重之和等于下段桩端阻加上侧摩阻力之和，从而得到桩的极限承载力。试验时，通过油泵给荷载箱加压实现竖向加载(向上向下同时加载)，此时荷载箱顶板与底板会分别发生相应的位移，桩端阻力和桩侧摩阻力也相应的发挥。通过预先在荷载箱顶、底盖上安装的位移计、桩顶的位移计以及桩身内埋设的钢筋应力计，从而可以得到上、下段桩达到极限荷载时各自的位移、桩顶位移及桩身轴力。根据试验可以得到的上、下段桩的Q-s 曲线、s ～lgt 曲线、s ～lgQ曲线以及桩身轴力图。通过对上、下段桩极限承载力的叠加处理，就可得到竖向单桩极限承载力。图1、图2 分别为自平衡试验原理及示意图。

图1 自平衡试桩法原理图

2 自平衡桩基载荷试验

以贵阳市一组自平衡桩基载荷试验为例，该试验的桩端岩体为较破碎岩石，具体的试桩参数所下所示:

中风化白云岩:浅灰、灰白色，薄至中厚层状，岩体较破碎，节理裂隙较发育，分布于整个拟建场地。岩块饱和单轴抗压强度标准值frk=36.399 MPa，为较硬岩，岩体纵波速值Vp =3660 ～4443 m/s，平均Vp=3910 m/s，完整性指数kv =0.42，为较破碎岩体。岩石基本质量指标BQ =305.97，岩体基本质量级别为Ⅳ级。岩石地基承载力建议值为4500 kPa。

图2 自平衡试验示意图

试验的三根桩桩长分别为16.3，16.1，15.9，平均长度取16 m 计算。试桩直径为1.0 m，桩端嵌入中风化较破碎白云岩约4 m。

桩基试验的结果如表1 所示。

表1 试桩实验结果表

由所得到的极限桩端承载力及极限桩侧承载力，对嵌岩桩的承载力进行计算。通常在进行设计时，桩侧土体的侧阻力不计，作为安全储备。

a、由《建筑桩基技术规范》(JGJ94 -2008)计算:

式中:frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值;

Qsk、Qrk—分别为土总极限侧阻力标准值、嵌岩段总极限侧阻力标准值;

qsik—为桩周第i 层土的极限侧阻力;

ξr—为嵌岩段侧阻与端阻综合系数;

u—为桩身周长;

Ap、li—分别为桩身截面面积、第i 层土的厚度。

将所得已知数据带入，计算得到:Ra= 14858 kN。

b、由《建筑地基基础设计规范》(GB50007 -2011)计算得到:

式中:qpa、qsia分别为桩端岩石承载力特征值与桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果分析得到;li为第i 层岩(土)体的厚度。

将所得已知数据带入，计算得到:Ra= 13031 kN。

通过两个结果的对比分析可知，由桩基规范与地基规范得到承载力均偏大，桩基规范公式中主要考虑桩端为完整、较完整的情况进行使用，忽略了桩端为较破碎岩石的情况。因此，对于桩端为较破碎的岩体的嵌岩桩的设计计算需进行进一步的研究。

表2 计算结果对比

因此在桩基础设计计算中，建议采用桩基载荷试验所得的结果对中风化较破碎岩石地基的嵌岩桩进行设计计算。

3 嵌岩桩承载性状的影响因素

刘树亚，刘祖德［18］明确嵌岩桩的定义和分类，对嵌岩桩的承载机理、临界嵌入深度、设计理论和数值模拟方法等问题进行讨论，并对未来的工作进行论述及展望。另外，他们还讨论了最大嵌岩深度与最佳嵌岩深度之间的联系，介绍了嵌岩桩设计的国内外的一些方法，并提出了一些建议和看法。刘兴远，郑颖人［9］以BP 网络模型为基础，对影响嵌岩桩嵌岩段极限承载力的参数进行分析，得到风化程度是影响嵌岩段极限承载力的主要因素，桩径对极限承载力的影响呈非线性关系，岩石强度、嵌岩深度对极限承载力的影响基本上呈线性关系，且他们认为存在影响极限承载力的最优桩长。王启云，熊智彪，张家生等［10］对红砂岩的摩擦阻力特性进行了模型试验研究。他们指出桩长及桩端刚度均会影响桩侧摩阻力的发挥。桩的长度越长，侧阻力的发挥效率越低，极限侧摩阻力也越小，而且桩侧阻力明显集中于桩身上部。桩端刚度越大，侧阻力分担比越小，侧阻力发挥速度也越快，且桩侧阻力也明显集中于桩身上部。王勇强［13］对软岩嵌岩段的侧阻力进行了研究，他认为侧阻力的发挥受剪切机理和膨胀滑移机理的影响，且其大小受桩表面的法向刚度所控制。他还指出，岩石强度、模量、界面粗糙程度、岩石初始应力等也会对桩侧阻力产生一定的影响。

张颖辉［4］对桩径、长径比、嵌岩深度、岩石强度、上覆土层厚度、成桩工艺、桩底沉渣、桩端岩石蠕变等因素进行了分析。他指出，随着桩径的增大，嵌岩段的侧阻力逐渐增大。当桩径为0.8 ～1.2 m 时侧阻力有减小的趋势;当达到1.8 ～2.5 m以后，侧阻力明显减小了。随着长径比的增加，端阻力逐渐减小，而侧阻力则逐渐增大;随着深径比的增加，桩端阻力分担桩顶荷载的的比例逐渐减小。他认为存在嵌岩效应，即当嵌岩深度大于某一个值时，再增加嵌岩深度对桩承载能力的提高效果并不明显;对于施工工艺，他指出人工挖孔桩的成桩效果要优于钻孔桩的成桩效果。因为在钻孔施工过程中会形成泥皮，这会影响桩侧阻力的发挥;桩底沉渣会对桩端阻力的发挥产生影响。

宋仁乾［5］基于BP 神经网络系统，对桩径、岩石强度、风化程度、桩长及嵌岩深度对嵌岩桩承载性状进行了分析。他得出岩石的风化程度对嵌岩桩的极限承载力影响最大;桩径对嵌岩桩的影响呈非线性关系;桩长对嵌岩桩的影响不是很明显;岩石强度与嵌岩深度对嵌岩桩的影响基本呈线性关系，且存在一个最佳嵌岩深度。

黄亚琴［6］分别对人工挖孔桩的桩侧阻力及桩端阻力的影响因素进行了分析。对于桩侧阻力她分析了桩岩界面粗糙度、岩桩的模量比、岩石破碎程度、桩底基岩、嵌岩深度对其的影响。随着粗糙度的增加，侧阻力的比例将增大;其它条件一定的情况下，嵌岩段侧阻力随着岩石刚度的增大而增加;基岩刚度越高，侧阻力的发挥越大。她研究了长径比、嵌岩比、桩岩模量比、岩石蠕变、桩端扩径比对桩端阻力的影响。随着长径比的增加，桩端阻力占桩顶荷载的比例呈减小趋势;随着嵌岩深径比的增加，桩端阻力占总承载力的比例逐渐减小;在相同的嵌岩深度的前提下，桩岩模量比越小，端阻力的贡献就越小;端阻力分担的荷载随着桩端扩径比的增大而增加。

近年来国内学者经过大量的工程实践与理论研究得出，桩径、桩长、桩端岩性、嵌入岩石的深度、桩身材料强度、孔壁粗糙度、桩底沉渣及施工工艺对嵌岩桩的承载性状都会产生一定的影响。

4 结语

通过以上的论述可以得出:

(1)自平衡法桩基载荷试验有很多优点，其比传统的堆载法和锚桩法有着节约时间、节约资金、操作自动化和不受场地限制等突出优点，并且在较大吨位、特殊类岩土以及特殊工程环境中有着独特的优势。

(2)对于较破碎岩石地基上的嵌岩桩极限承载力的计算，建议采用现场载荷试验的方法确定嵌岩桩单桩承载力。

(3)影响嵌岩桩单桩承载力的因素有桩径、桩长、桩端岩性、嵌入岩石的深度、桩身材料强度、孔壁粗糙度、桩底沉渣及施工工艺等。

(4)在嵌岩桩桩基施工方面应注意以下两点:

1)由于本试验场区内为中风化白云岩，其岩基承载性能受外界因素影响较大，当采用机械成孔方式挖掘至离设计标高10 cm ～20 cm 时，须停止钻进(或掘进)，待地勘人员验槽确认后再挖至设计标高。一旦验槽合格，应立即采用高标号砼封闭，以防基岩暴露后风化。

2)在进行桩基成孔施工时，应避免爆破，否则引起岩基受震后松动，导致基桩的岩石极限端阻力和极限侧阻力降低。

［1］彭虎彪.自平衡试桩极限承载力的确定及其影响因素试验研究［D］.武汉:武汉理工大学，2010.

［2］王博林.自平衡法桩土荷载传递机理及承载特性研［D］. 兰州:兰州交通大学，2012.

［3］魏巍.嵌岩灌注桩自平衡试验与分析［D］. 长沙:中南大学，2008.

［4］张颖辉.嵌岩桩承载性状试验统计分析与承载力计算［D］. 南京:东南大学，2007.

［5］宋仁乾.嵌岩桩受力性状及嵌岩深度的研究［D］.杭州:浙江大学，2003.

［6］黄亚琴.人工挖孔嵌岩桩承载特性研究［D］.南京:东南大学，2006.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94 -94 建筑桩基技术规范. ［S］.北京:中国建筑工业出版社，1995.

［8］中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50007 -2011 建筑地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［9］刘兴远，郑颖人.影响嵌岩桩嵌岩段特性的特征参数分析［J］岩石力学与工程学报，2000，19(3):383 -386.

［10］王启云，熊智彪，张家生，等.红砂岩嵌岩桩桩-岩界面摩阻特性试验研究［J］岩土工程学报，2011，33(4)，661 -666.

［11］董平，秦然.基于剪胀理论的嵌岩桩嵌岩段荷载传递法分析［J］岩土力学，2003，24(2)，215 -219.

［12］王勇刚，李镜培.嵌岩桩嵌岩段侧摩阻力浅析［J］探矿工程:岩土钻掘工程，2005，10，6 -9.

［13］王勇强.软岩嵌岩桩嵌岩段的侧阻力研究［J］东华理工学 院学报，2004，27(3)，260 -266.

［14］侯希承，李洪涛，赵永军. 润扬大桥大吨位桩承载力自平衡法试桩研究［J］. 铁道建筑技术，2005(2):18 -20.

［15］朱瑶宏，程晔，龚维明. 杭州湾跨海大桥桩基承载力的自平衡试验［J］. 公路交通科技，2004，21(2):58 -66.

［16］宋强辉，刘东升，赵燕明.基于ANSYS 概率设计系统的嵌岩桩嵌岩桩承载力可靠性分析［C］. 第二届全国岩土与工程学术论文集:科学出版社，1993:792 -799.

［17］刘利民，张洪文，张建新. 嵌岩桩承载性状的灰色关联分析［J］.西部探矿工程，1996，8(3):6 -10.

［18］刘树亚，刘祖德. 嵌岩桩理论研究和设计中的几个问题［J］.岩土力学，1999，20(4):86 -92.

［19］龚维明，戴国亮.桩承载力自平衡测试技术及工程应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.