嵌巖樁的極限端阻力發(fā)揮特性及其端阻力系數(shù)

魯先龍 乾增珍 楊文智 鄭衛(wèi)鋒

摘 要：嵌巖樁極限端阻力發(fā)揮特征及端阻力系數(shù)取值仍是巖土工程中嵌巖樁應(yīng)用的重要研究課題之一。本文收集整理了國(guó)外不同地區(qū)學(xué)者在不同時(shí)期、不同巖石性質(zhì)和不同嵌巖條件下所開展的165個(gè)嵌巖樁端阻力試驗(yàn)成果，主要包括嵌巖段巖石類型及其天然單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的比值為嵌巖樁端阻力系數(shù)，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強(qiáng)度對(duì)嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數(shù)的影響規(guī)律，建立了嵌巖樁極限端阻力及端阻力系數(shù)與巖石單軸抗壓強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系式，可為嵌巖樁極限端阻力計(jì)算提供借鑒。

關(guān)鍵詞：嵌巖樁;端阻系數(shù);嵌巖深徑比;巖石單軸抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU411? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：

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(gòu)）筑物荷載的主要基礎(chǔ)型式，已在工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于嵌巖樁具有承載力大、試驗(yàn)費(fèi)用高且難以進(jìn)行破壞性試驗(yàn)等特點(diǎn)，系統(tǒng)且完整的靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不多，從而制約了人們對(duì)嵌巖樁承載性狀的全面認(rèn)識(shí)[1-2]。目前，各行業(yè)規(guī)范對(duì)嵌巖樁承載力計(jì)算主要是經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)較多[3]，設(shè)計(jì)方法及其參數(shù)取值也不盡相同，其原因主要源于對(duì)嵌巖樁荷載傳遞機(jī)理與承載性狀認(rèn)識(shí)存在偏差[4]。

我國(guó)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]認(rèn)為嵌巖樁是端承樁，按端承樁設(shè)計(jì)。但國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界都普遍認(rèn)為，嵌巖樁抗壓承載力主要由基巖上覆土層樁側(cè)阻力、嵌巖段樁側(cè)阻力和樁端阻力3部分組成，這已體現(xiàn)在我國(guó)相關(guān)規(guī)范[6-9]所給出的嵌巖樁承載力設(shè)計(jì)方法中。文獻(xiàn)[10]通過收集整理嵌巖樁豎向下壓承載力試驗(yàn)成果，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強(qiáng)度對(duì)嵌巖樁嵌巖段樁側(cè)極限阻力和巖石極限側(cè)阻力系數(shù)的影響規(guī)律，建立了嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)與巖石單軸抗壓強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系式，給出了不同可靠度水平下巖石側(cè)極限阻力系數(shù)取值建議。但大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明[11-14]，嵌巖樁在豎向荷載作用下，首先樁體發(fā)生豎向位移，樁體和樁側(cè)巖土體之間發(fā)生相對(duì)位移，樁頂荷載通過樁側(cè)巖土體阻力逐漸傳遞至樁端，嵌巖段樁側(cè)阻力一般先于樁端阻力發(fā)揮。嵌巖樁巖石端阻力發(fā)揮過程更加復(fù)雜，研究嵌巖樁極限端阻力發(fā)揮特征將具有重要的理論和實(shí)踐意義。

本文收集整理了國(guó)外學(xué)者在不同時(shí)期、不同地區(qū)、不同巖石強(qiáng)度和不同嵌巖條件下所完成的165個(gè)嵌巖樁豎向下壓承載力試驗(yàn)成果，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強(qiáng)度對(duì)嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數(shù)的影響規(guī)律，建立了嵌巖樁極限端阻力及端阻力系數(shù)與巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系式，可為嵌巖樁極限端阻力計(jì)算提供借鑒。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集與整理

1.1 數(shù)據(jù)收集

這里需特別說明，本文所引用文獻(xiàn)的試驗(yàn)工作是不同時(shí)期、不同地區(qū)學(xué)者，分別在不同巖石類型與強(qiáng)度、不同樁端嵌巖條件下完成的，作者對(duì)嵌巖樁極限端阻力的測(cè)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(xiàn)結(jié)果，這種方法分析得到的研究結(jié)論將更具一般性。

1.2 數(shù)據(jù)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(zhì)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?guī)r和角礫巖等多種類型。

我國(guó)規(guī)范[49]指出，影響巖體性質(zhì)的因素主要是巖石物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造發(fā)育情況、荷載（工程荷載和初始應(yīng)力）、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、幾何邊界條件、水的賦存狀態(tài)等。在這些因素中，巖石堅(jiān)硬程度則是反映了巖體基本特性的一個(gè)重要因素。這里還需要特別說明的是，規(guī)范[49]中巖石堅(jiān)硬程度是按巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度大小進(jìn)行劃分，而本文所引用文獻(xiàn)中的巖石強(qiáng)度σc均為巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度，這是二者的不同。

2 巖石極限端阻力與端阻力系數(shù)影響因素

根據(jù)表2所收集與整理的嵌巖樁端阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強(qiáng)度對(duì)嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數(shù)的影響規(guī)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(shù)隨樁徑變化的規(guī)律。圖1和圖2結(jié)果表明，樁徑對(duì)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(guān)性。樁端阻力系數(shù)總體隨樁徑增加而呈下降趨勢(shì)，當(dāng)樁徑小于0.5m時(shí)尤為明顯，當(dāng)樁徑大于0.5m后，這種下降趨勢(shì)表現(xiàn)得并不顯著。

2.2 嵌巖深度

嵌巖深度不僅影響嵌巖段側(cè)阻力發(fā)揮性狀，對(duì)樁端分擔(dān)的荷載大小也有較大影響。此外，嵌巖深度也直接關(guān)系到嵌巖樁應(yīng)用的安全性和經(jīng)濟(jì)性。嵌巖深度大，雖安全可靠，但施工難度大、費(fèi)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(jié)構(gòu)要求。圖3給出了嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深度變化規(guī)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(jié)論一致。即在一定嵌巖深度范圍內(nèi)，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(duì)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(guó)學(xué)者對(duì)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(cè)阻力和樁端阻力發(fā)揮最為協(xié)調(diào)和充分。但不同學(xué)者對(duì)最佳嵌巖深度取值研究結(jié)論也是不一致的。黃求順[12]認(rèn)為最佳嵌巖深度為3d，而劉興遠(yuǎn)等[54]認(rèn)為一律將嵌巖深度取為3d不合理，應(yīng)根據(jù)樁端所嵌入巖體狀態(tài)確定。明可前[55]通過試驗(yàn)認(rèn)為最佳嵌巖深度為4d。許錫賓等[56]認(rèn)為硬質(zhì)巖和軟質(zhì)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(guī)律。結(jié)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(tǒng)計(jì)分析結(jié)果一致。史佩棟等[13]根據(jù)國(guó)內(nèi)外150根嵌巖樁下壓實(shí)測(cè)結(jié)果，繪制了嵌巖樁極限端阻分擔(dān)荷載比與樁身嵌巖深徑比hr/d之間的關(guān)系曲線。結(jié)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(dāng)1.0

我國(guó)樁基規(guī)范[6]中嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)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(fā)揮程度隨嵌巖深度的增加而增大，而隨著嵌巖深度繼續(xù)增加，嵌巖段總阻力發(fā)揮程度有所變緩，嵌巖樁極限端阻力系數(shù)存在深度效應(yīng)。圖8給出了嵌巖樁極限端阻力系數(shù)隨嵌巖深徑比變化規(guī)律，也給出了規(guī)范[6]中2類巖石強(qiáng)度條件下，嵌巖樁極限端阻力系數(shù)隨嵌巖深徑比變化曲線。

從圖5可看出，對(duì)極軟巖和軟巖（巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度≤15MPa）、較硬巖和硬巖（巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度>30MPa），我國(guó)規(guī)范取值總體偏小。同時(shí)，圖5中端阻力系數(shù)與嵌巖深徑比之間并無明顯的相關(guān)性。而我國(guó)規(guī)范[6]中嵌巖樁端阻力系數(shù)取值與嵌巖深徑比相關(guān)，隨嵌巖深徑比增加而略有下將，這與收集整理的試驗(yàn)結(jié)果并不吻合。

2.4 巖石強(qiáng)度

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（編輯：胡玲）