鉆孔灌注嵌巖樁與非嵌巖樁豎向承載特性研究及在應用中的探討

劉偉++崔治興

摘要：通過收集、整理大量鉆孔灌注樁靜載試驗數(shù)據(jù)并分析了鉆孔灌注嵌巖樁與鉆孔灌注非嵌巖樁在豎向荷載作用下的承載特性。針對目前許多關于嵌巖樁承載力設計關于在樁端嵌入完整或較完整硬質巖層中時，由于地質條件、鉆孔技術及設計要求等諸多因素的影響，不考慮其樁側阻力或樁側土層阻力而直接按照樁端巖層阻力來計算樁的承載力而提出建議。指明兩者在樁頂、樁底沉降變化，樁身壓縮比及單樁承載力計算等方面的相同與不同之處，簡明闡述在設計和計算單樁承載力時應考慮的因素并提出工程指導意義。

Abstract： Based on collecting and arranging the data of static load test of a large number of bored piles， the load bearing characteristics of bored pile and bored pile under vertical load are analyzed. At present， many designs about bearing capacity of rock-socketed piles， when the pile end is embedded into intact or more complete hard rockpile， because of the influence of geological conditions， drilling technology and design requirements and other factors， dont consider the lateral resistance of the pile or pile side soil resistance but directly calculates the pile bearing capacity according to the pile rock resistance. This paper proposes suggestions in view of this situation. The similarities and differences between the two in the pile top， pile settlement change， pile compression ratio and single pile bearing capacity calculation and other aspects are pointed out. The factors that should be taken into account when designing and calculating the bearing capacity of single pile are briefly described and the engineering guidance significance is put forward.

關鍵詞：嵌巖樁；非嵌巖樁；單樁承載力； 承載特性； 樁側阻力

Key words： socketed pile；non socketed pile；bearing capacity of pile；bearing behavior；lateral resistance of pile

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0098-03

0 引言

近幾十年來，社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展推動著道路交通建設屢創(chuàng)佳績，高速和重載逐漸發(fā)展成為鐵路及公路道路運行設計中最基本、最重要的要求。樁基因其獨特的優(yōu)勢而被廣泛應用于大型橋梁以及高層建筑中。作為鉆孔灌注樁的一種重要的類型，嵌巖樁越來越受到人們的重視。嵌巖樁是指樁端嵌入中風化、微風化巖層的樁基，對于嵌入強風化巖的樁按照非嵌巖樁考慮。嵌巖樁在設計計算方面，由于人們的傳統(tǒng)觀念和各種復雜的地質條件及不同的設計要求，導致人們一直曾把嵌巖樁理解為端承樁。在嵌巖樁承載力及沉降計算方面，各國規(guī)范、行業(yè)規(guī)范、地區(qū)規(guī)范都存在著較大的差異。甚至許多規(guī)范規(guī)定嵌巖樁在樁端嵌入完整或較完整硬質巖層中時，不考慮其樁側阻力或樁側土層阻力，而直接按照樁端巖層的承載力來計算樁的設計荷載，這樣不僅沒有使樁的實際承載力得到有效的利用，反而大大增加了施工工程量、造成了不必要的經(jīng)濟支出。有鑒于此，徹底理清嵌巖樁在豎向荷載作用下的承載機理，并根據(jù)分析結果確定樁身材料、樁長、樁徑尺寸和嵌巖深度，更好的定性分析嵌巖樁的承載機理和設計理念顯得尤為重要。

1 嵌巖樁的豎向承載機理簡析

與其他類型的樁基礎相對比可知，嵌巖樁具有獨特的優(yōu)勢：嵌巖樁樁底部的中風化、微風化持力層壓縮性很低、而持力層的強度卻相當高；承載力方面，單樁在豎向荷載作用下的承載力比同等條件下非嵌巖樁的承載力高且單樁沉降量小，群樁效應稍弱，受力性能更加穩(wěn)定、可靠。但由于嵌巖樁單樁承載力高、靜載試驗費用高、破壞性試驗難度大，且其承載特性主要取決于樁巖模量比、長徑比、嵌巖比以及清孔效果，所以在設計計算方面，規(guī)范常忽略了覆蓋土層和強風化巖層的側阻力，以半理論半經(jīng)驗的計算公式來確定嵌巖樁豎向承載力，將嵌巖樁近似看作是端承樁來計算其承載力。本文通過收集、整理大量鉆孔灌注樁靜載試驗數(shù)據(jù)并針對其中典型的17根試樁，深入分析豎向荷載作用下的鉆孔灌注嵌巖樁與鉆孔灌注非嵌巖樁承載特性的異同，并為施工提供指導意見。

2 試樁數(shù)據(jù)統(tǒng)計

嵌巖樁的承載特性研究以現(xiàn)場測試樁的實測數(shù)據(jù)最為可靠，本文通過統(tǒng)計多種地質狀況下嵌巖樁與非嵌巖樁的實測資料對比分析、匯總如表1，主要分析研究了鉆孔灌注樁豎向承載機理及影響其豎向承載力的主要因素。

3 試樁數(shù)據(jù)分析

3.1 樁側阻力 對以上的實測數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，以長徑比為橫坐標、樁側阻力分擔荷載百分比為縱坐標繪制離散點如圖1所示。

結合表1和圖1，可以初步得到結論：①無論是對于嵌巖樁還是非嵌巖樁，大直徑深長樁的樁側阻力分擔荷載比都能達到80%-95%，從這點來看，大直徑深長樁似乎具有摩擦型樁的特征。筆者搜集的17根試樁的樁側阻力分擔荷載比最大的為15#試樁（高達98.2%），可以認為端阻力基本沒有發(fā)揮作用；而樁側阻力分擔荷載比最小的為3#試樁（77.4%），也可以認為端阻力發(fā)揮作用較小。史佩棟[1]也指出不論是何種樁端條件的深長樁，其大部分可以視為摩擦型樁，這也正與本文的分析相貼近。②當樁長接近時，樁的極限承載力在很大程度上會受到嵌巖/非嵌巖的影響，譬如對比本文集中探討的試樁中的8#嵌巖試樁和9#非嵌巖試樁，對于8#嵌巖試樁的極限承載力在24000kN以上，而對于非嵌巖樁9#試樁的極限承載力僅為18000kN。由此可見，在樁長相接近的情況下，樁能不能嵌入巖石，對其極限承載力存在很大的影響。

3.2 樁端阻力

對表1中的實測數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，以長徑比為橫坐標、樁端阻力分擔荷載百分比為縱坐標繪制離散點如圖2所示。

結合表1和圖2，可以初步得到以下幾個結論：①從長、短樁測試結果的對比測試結果來看，短樁的端承比（端阻力與承載力之比）相對較大，比如本文中的14#試樁和15#試樁端承比分別為22.0%和24.0%，而1#試樁和2#試樁僅為16.6%和18.5%；一般來說，非嵌巖短樁的端承比大于嵌巖長樁的端承比，比如本文中的14#試樁端承比為22.0%，其大于端承比為16.6%的1#試樁。②由表1和圖1和圖2結合分析可以看出，對于大直徑深長樁而言，在樁頂荷載達到極限狀態(tài)時，樁身下部的側摩阻力和樁端阻力通常還沒有充分發(fā)揮，甚至樁端阻力基本未發(fā)揮作用，所以確定合理的樁長對于大直徑深長樁的承載力計算是很關鍵的一個因素。③從本文統(tǒng)計的樁端阻力分擔荷載百分比與樁的長徑比的關系可以看出，對于軟巖嵌巖樁，當長徑比大于20時，端阻力占樁頂荷載的比例均不超過30%，絕大部分小于20%?？梢?，當長徑比較大時，嵌巖樁已由端承樁轉變?yōu)槟Σ翗丁?/p>

3.3 樁頂位移、樁端位移及樁身壓縮量

對以上的實測數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，選取11根典型試樁作為研究對象，繪制表2。

結合表1和表2，可以初步得到以下幾個結論：①在極限荷載條件下，深長嵌巖樁的樁身壓縮比（樁身壓縮量與樁頂沉降量之比）通常都會超過60%，如本文試樁中的1#、2#、8#等試樁數(shù)據(jù)；在極限荷載下，非嵌巖深長樁的樁身壓縮比相對較小，一般在40%以下，如本文試樁中的9#、14#、15#等試樁數(shù)據(jù)。對于樁長很長的嵌巖樁，樁側摩阻力容易得到充分發(fā)揮，樁身壓縮量較大，而樁端沉降較小。②當樁長接近時，嵌巖和非嵌巖對樁在極限承載力作用下樁頂沉降也有著很大的影響，對于嵌巖樁8#試樁為 35.58mm，而對于非嵌巖樁9#試樁為45.69mm；對于嵌巖樁8#試樁樁端沉降只有5.36mm，而對于非嵌巖樁9#試樁樁端沉降有27.2mm；對于嵌巖樁8#試樁的樁身壓縮比達到84.9%，而非嵌巖樁9#試樁為40.5%。由此可見，在樁長相接近的情況下，樁能不能嵌入巖石，對其樁頂沉降、樁端沉降以及樁身壓縮比存在很大的影響。③由于樁身壓縮量的累積，樁頂位移大于樁端位移，因此樁側阻力從樁的上部開始向下部傳遞，隨著荷載的不斷增加，樁身下部的樁側阻力隨之發(fā)揮作用，直到荷載傳遞到樁端嵌巖段。因此，在設計計算時，考慮樁側阻力的發(fā)揮應該優(yōu)先于樁端阻力的發(fā)揮。

4 結論與建議

①無論對于嵌巖樁還是非嵌巖樁，從統(tǒng)計資料看，大直徑深長樁的樁側阻力分擔荷載比都很大，一般都在80%-95%之間，所以大直徑深長樁可以認為大多屬于摩擦型樁。在設計計算時，主要要考慮到樁側阻力的影響來選擇合適的樁徑和樁長。②對于深長樁在設計時，嵌巖和非嵌巖對樁長相接近的樁的極限承載力有著極其重要的影響。由上文分析可以得出，在樁長相接近的情況下，樁能嵌入巖石則盡量嵌入巖石中，這樣對樁的承載力會有很大的提高。③由統(tǒng)計分析可知，大多大直徑深長樁屬于摩擦型樁，在樁頂荷載達到極限狀態(tài)時，樁身下部的側阻力和樁端阻力通常還沒有充分發(fā)揮，甚至樁端阻力基本未發(fā)揮作用，所以確定合理的樁長、樁徑和嵌巖深度對于大直徑深長樁的承載力計算是很關鍵的一個因素。④對于深長嵌巖樁，在極限荷載作用下，樁側阻力容易得到充分發(fā)揮尤其是樁上部側阻力，樁端阻力未能充分發(fā)揮，且樁端沉降較小，而樁身壓縮量較大，故在設計時，應考慮到樁身的剛度和強度設計是否達到設計要求。

參考文獻：

[1]史佩棟，梁晉渝.嵌巖樁豎向承載力的研究[J].巖土工程學報，1994，16（4）：32-39.

[2]趙明華編著，橋梁樁基計算與檢測[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]傅旭東.嵌巖樁豎向承載力的統(tǒng)計分析[C].見：中國土木工程學會第八屆土力學及巖土工程學術會議論文集.南京：萬國學術出版社，1999：283-286.

[4]黃求順.嵌巖樁承載力的試驗研究[J].見：中國建筑學會地基基礎學術委員會1992年年會論文集：樁基礎專輯.太原：山西高校聯(lián)合出版社，1992：694-698.

[5]呂?？?，吳文，姬曉輝.嵌巖樁靜載試驗結果的研究與討論[J].巖土力學，1996，17（l）.

[6]公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范（JTJ024—85）[S].北京：人民交通出版社，1985.

[7]鐵路橋涵設計規(guī)范（TBJ2—96）[S].北京：中國鐵道出版社，1996.