嵌岩桩及较破碎岩石地基灌注桩承载性状探讨

王田龙，黄质宏，帅海乐，杨 成，李罡烨

(1. 中国建筑第四工程局有限公司，广东 广州 510000；2. 贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

对于嵌岩桩的理论研究已经比较成熟。但通过实际工程对桩的承载特性进行的研究较少。另外由于岩石的完整性程度对承载性状影响较为显著，贵阳地区桩基础的桩端大多数置于较破碎的岩层中。对于该类型桩的承载力计算，桩基规范中未给出具体计算方法，给桩基的设计带来诸多不便。

SERRANO A等[1]、 雷孝章等[2]对嵌岩桩的侧阻力进行了研究，史佩栋[3]对嵌岩深度、长细比等进行研究，并提出了计算嵌岩桩竖向承载力的公式。东南大学的张帆[4]、张颖辉[5]、黄亚琴[6]通过桩基载荷试验对嵌岩桩的承载特性进行研究。

赖庆文等[7]针对贵州山区地基特点，按岩石的完整性对嵌入较破碎岩石中桩的承载力计算提出建议公式，并提出侧阻、端阻综合影响系数。陈筠等[8]对贵州地区较破碎岩体上的桩基进行研究，发现嵌入较破碎岩体中桩的侧阻力非常可观。童菁等[9]根据地基承载力特征值fa，结合桩基规范提出较破碎岩石地基桩承载力的建议计算公式。湛铠瑜[10-11]对较破碎中等风化岩石桩的端阻力进行研究。《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)[12]中(以下简称桩基规范)，当桩端置于完整、较完整基岩时的嵌岩桩，对桩基础进行设计计算时提出了明确的计算公式，对于较破碎岩石则没有明确规定。

本文根据101根桩基静载荷试验数据探讨影响侧阻力、端阻力的因素，提出一种分析嵌岩桩的模型；并依据9组(26根)较破碎岩中灌注桩静载荷试验，探讨较破碎岩石地基上桩的承载性状，提出一种改进的计算方法，可为相似工程提供参考。

1 嵌岩桩承载性状

本文收集了国内101根桩[4-6]的静载试验实测数据，包括桩端嵌入极软岩、软岩、较软岩、较硬岩的岩体。本文将嵌岩桩静载试验资料汇总整理，研究桩端阻力、桩身侧阻力与深径比、长径比、岩石的坚硬程度、上覆土厚度的关系，均未考虑部分离散数据。另外，根据影响嵌岩桩桩端阻力、侧阻力的因素，并充分考虑嵌岩桩的传力机理，从位移协调角度提出一种分析嵌岩桩的模型。

1.1 深径比对嵌岩桩的影响

根据图1所示，嵌岩深径比大于10后，嵌入岩石中的桩体端阻力基本不发挥。但软岩、极软岩在较大的深径比下，端阻力尚有一定程度的发挥。

图1 端阻力发挥与深径比关系图Fig.1 Relationship between tip resistance and embedded depth-diameter ratio

图2 侧阻力发挥与深径比关系图Fig.2 Relationship between shaft resistance and embedded depth-diameter ratio

图2所示，随着嵌岩深径比的增大，各岩层中的侧阻力发挥程度逐渐增大。相同嵌岩深径比情况下，强度高的岩石侧阻发挥程度高。

1.2 长径比对嵌岩桩的影响

图3 端阻力发挥与长径比关系图Fig.3 Relationship between tip resistance and length-diameter ratio

图3所示，随着长径比的增加，端阻力的发挥程度降低。当长径比大于35后，端阻力基本不发挥。长径比相同的情况下，桩端岩石越硬，端阻力发挥程度越高。

图4 侧阻力发挥与长径比关系图Fig.4 Relationship between shaft resistance and length-diameter ratio

图4所示，嵌岩段侧阻力与长径比近似呈抛物线关系 。长径比为30左右达到极值。

1.3 上覆土对嵌岩桩的影响

图5 侧阻力与上覆土厚度关系图Fig.5 Relationship between shaft resistance and thickness of soil

图5所示，嵌岩段侧阻力随上覆土厚度增大，先变大后变小，在上覆土厚度为30 m左右达到极值。

通过以上的分析研究可知，嵌岩桩端阻力、侧阻力均与深径比、长径比及岩石的强度有关，而侧阻力的大小还与上覆土厚度有关。

1.4 嵌岩桩分析模型

对于嵌岩桩来说，在桩顶竖向荷载作用下，由于桩土相对滑移及桩身的自身压缩变形，桩土侧阻力、嵌岩段侧阻力依次发挥，随着桩顶荷载的增大，压缩桩端岩体，端阻力开始发挥。嵌岩桩可用如下分析模型来表达，如图6所示。

图6 嵌岩桩位移分析模型Fig.6 The analysis model of the rock-socketed pile

桩端发生的位移主要取决于岩石的抗压强度、完整程度等岩石本身的性质，可简化为弹簧模型。岩石的强度及完整性对应于弹簧的弹性常数；对于桩侧位移，取决于桩身混凝土与岩石之间的摩擦因数(与岩石的强度、成桩工艺等有关)以及垂直于桩身的法向应力大小，简化为滑动模型。

从位移协调角度分析，桩身可视为刚体(桩身变形较小)，桩顶位移s主要由桩土、桩岩的滑移(s1、s2)及桩端岩石的压缩变形s3组成，即s=s1+s2+s3。在桩顶荷载N的作用下，由于桩土、桩岩侧向位移s1和s2的渐次发挥，产生桩土侧阻力Qsk和桩岩侧阻力Qrs，桩与桩端岩石的压缩变形产生端阻力Qrp，即N=Qsk+Qrs+Qrp。

2 嵌岩桩承载力计算

桩基规范5.3.9中给出，对于桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力，由桩土极限侧阻力和嵌岩段极限侧阻力和极限桩端阻力组成。

《建筑地基基础设计规范》[13]中(以下简称地基规范)，给出估算单桩承载力特征值的公式：

(1)

式中：qpa、qsia分别为桩端岩石承载力特征 、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验得到；Ap、up分别为桩的截面面积、周长；li为第i层岩土的厚度。

完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值可按下式计算[13]：

fa=ψrfrk。

(2)

式中：fa为岩石地基承载力特征值，ψr为 折减系数；frk为饱和单轴抗压强度。

对于较破碎岩石上的桩基如何进行设计计算，规范中未做详细说明。这给工程设计带来了一定的问题。因此需要对较破碎岩石桩基础承载性状和承载力计算进行探讨，以满足工程需要。

3 较破碎岩石地基桩承载性状

根据嵌岩桩承载性状和较破碎岩石的特点，对较破碎岩石桩基承载性状进行分析。因机械成孔施工使侧壁凹凸不平，加上较破碎岩体节理裂隙的存在，混凝土浇筑时会使混凝土浆液进入桩侧壁和桩底处的岩石，如图7、8所示。

图7 较破碎岩石地基桩侧传力机理示意图Fig.7 The mechanical mechanism at the side of pile in less-fragmentized rock

图8 较破碎岩石地基桩端传力机理示意图Fig.8 The mechanical mechanism at the end of pile in less-fragmentized rock

由于较破碎岩石的节理裂隙中被混凝土浆液进入，在桩侧使桩与岩石界面的摩擦阻力增强，而在桩端则使较破碎岩石的性能得到一定的改善。

在桩顶荷载不断增大的过程中，被裂隙进入的混凝土浆液将会对桩体的承载性状产生一定影响。在桩侧达到极限侧阻力即桩侧与岩石将小柱体破坏和桩土、岩石发生相对滑移时。同时在桩底由于混凝土浆液进入桩底较破碎岩石，使岩石的压缩性有所改善，从而改变了桩极限端阻力。

4 较破碎岩石地基桩承载力探讨

对于童菁提出的较破碎岩石地基桩承载力理论计算公式，本文提出一种改进算法：

(3)

针对较破碎岩石，将地基规范5.2.6中的折减系数和《岩土工程勘察规范》[15]中表3.2.2-2的完整性程度系数kv相结合(表1)，利用线性内插法得到：ψr=0.5kv-0.075。

例如，取完整性系数kv=0.45，计算得到折减系数为0.15。

表1 折减系数、完整性指数Tab.1 Reduction coefficient and integrity index

5 工程实例

本文选取9组(26根)较破碎岩石地基上灌注桩的静载试验数据，桩长、深径比、承载力取平均值，见表2。不考虑桩周土体的侧阻力，只计算嵌岩段承载力。

将表2数据代入式(3)，计算所得结果与静载试验数据进行对比，如表3所示。其中侧阻、端阻影响系数由桩基试验计算得到。

表2 试验桩参数Tab.2 Parameters of pile tests

注：4～7组为模型桩试验，其中6、7组试验未破坏；8、9组桩完整性指数未知，取0.40，来自文献[6]，各参数指标取平均值。

表3 Ra计算结果对比Tab. 3 The caculation comparison of Ra kN

注：嵌岩桩侧阻力、端阻力影响系数按极限侧阻力、极限端阻力与单轴饱和抗压强度的比值计算。

根据以上分析可以得出：

(1)对于较软岩、较硬岩，公式计算与试验实测较为接近，可为相似工程提供一定的参考；对于软岩、极软岩，因试验数据较少，岩石性质较复杂且影响因素较多，所得计算值偏小，建议使用现场载荷试验确定桩基承载力。

(2)改进公式中使用的侧阻、端阻影响系数是根据定义计算得到的试验实测值。对于较破碎岩石桩的侧阻、端阻影响系数，因静载试验数量较少，不能给定不同强度和深径比下相应的取值范围，为本公式存在的不足。今后可根据不断地工程实践，进行相关试验数据收集整理，对较破碎岩石上的桩侧阻、端阻影响系数进行研究。

6 结论

本文通过101根嵌岩桩和26根较破碎岩石桩基的静载试验数据，得到如下结论。

(1)嵌岩桩的深径比、长径比、岩石强度以及上覆土层厚度对承载性状影响较大。

(2)嵌岩桩分析模型对嵌岩桩的研究有一定的参考。

(3)改进的较破碎岩石嵌岩桩的建议计算公式，考虑较破碎岩石桩的侧阻力、端阻力影响系数，所得结果与现场静载试验吻合得较好，相似工程可参考，其它情况建议通过现场载荷试验确定桩基承载力。