嵌岩桩承载力分析计算

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　　摘  要：各行业对嵌岩桩的计算规定各异，为详细区分其计算差异和适用特点。通过对比研究建筑、公路、铁路的嵌岩桩承载力规范计算方法。系统总结差异原因，分析嵌岩桩轴力曲线图，阐述归纳嵌岩桩基受力基本原理，提出采用增大嵌岩段阻力的方法计算承载力。可用于嵌岩桩基设计计算参考和工程分析。
　　关键词：嵌岩桩;承载力;轴力曲线;承载力计算
　　Abstract： The calculation rules of rock-socketed piles vary from industry to industry.Through the comparative study of the method of the bearing capacitycalculation for building， highways and railway rock-socketed piles， the reasons for the differences are summarized systematically， the axial force curves of rock-socketed pile are analyzed， the basic principle of rock-socketed pile foundation is summarized， and the method of increasing rock-socketed resistance is put forward to calculate the bearing capacity， which can be used as reference for design calculation and engineering analysis of rock-socketed pile foundation.
　　1 概述
　　桩基础作为深基础的一种类型，将上部荷载传递到一定深度的持力层。通常均能获得较大的承载力和较小的沉降变形。广泛应用在高层建筑基础、公路、铁路桥梁基础以及边坡治理、地基处理等领域。当基岩埋深较浅通常采用嵌岩桩能获得非常好的经济效益，桩长较短时基本都是端承桩。嵌岩桩设计中桩基承载力计算分析是首要任务，特别是基岩较深的长桩，是否充分考虑苫布土层的侧摩阻力尚有争议，对比建筑、公路、铁路规范对嵌岩桩的计算存在较大差异。因此其设计工作需要对其原理有深入理解，解析其差异本质和内涵，才把握桩基设计计算要点。
　　2 规范计算方法的异同
　　建筑桩基规范[1]是将嵌岩桩承载力分为两个部分，第一部分为岩层以上桩侧摩擦阻力，第二部分为嵌岩部分的全部桩阻力包含入岩段桩侧阻力和端阻力，计算公式如下。
　　该计算式中，嵌岩部分采用岩石饱和单轴抗压强度与面积来表征，文献[1]中的中和调整系数为0.6～1.7。土层则全厚度范围考虑了桩侧摩阻力，同时规范条文和相应条文说明并未明确是否考虑大直径效应的折减，对于该桩采用后注浆灌注桩也未考虑土层桩侧承载力提高效应。从原理上分析嵌岩桩的土层侧阻力发挥受桩土相互作用的影响，嵌岩桩较短时土层侧阻力发挥较小，长桩则可以充分利用土层侧阻力。另外单桩直径大于800mm时由于挖钻孔必然导致桩孔周围土体应力的释放和松弛，从原理上或安全角度必须考虑大直径对桩侧摩阻力的折减效应才符合实际。同样桩端后注浆可能存在浆液上升至土层导致桩侧阻力提高。从受力特点分析嵌岩桩并非完全端承桩，主要取决于桩长和相应基岩和土层的强度参数。短桩主要由桩端承担荷载，这是由于混凝土弹性模量很大，竖向压缩量很小，这就导致桩与土体没有相对移动的趋势或很小，这必然导致桩侧摩阻力无法发挥。对于长桩则由于桩身压缩不可忽略导致距桩端较远处桩侧阻力可以充分发挥，从这个角度分析土层桩侧阻力是否计算、如何计算应该具体问题具体分析。
　　准确计算分析嵌岩桩承载力应考虑桩长、桩端与桩顶荷载比，计算桩身压缩量，来确定侧摩阻力的计算深度。即嵌岩桩应确定一个桩测阻力计算的临界深度H，该点为桩侧压缩位移能够引起土层侧摩擦力发挥的临界点，桩侧土层摩阻力的计算深度为H且应小于土层厚度。嵌岩短桩由于主要荷载由桩端承担，桩侧分担比例很小，无论是桩侧阻力的折减或是注浆后提高对于整个桩的承载力影响是较小的。從简化计算的角度主要考虑桩端承载力。因此规范方法对于研究短桩承载力，主要研究嵌岩部分阻力而不过多深究占比小的桩侧阻力不会引起较大的误差。对于嵌岩长桩并非完全端承桩，大概率为嵌岩摩擦桩或摩擦嵌岩桩[1]。桩侧土层分担了相当一部分荷载。这时完全按照式（1）计算承载力而不考虑成桩工艺或桩长的影响将引起较大误差。
　　式（2）与式（1）相同之处在于都是考虑土层桩侧阻力和嵌岩部分的阻力，式（2）仅是将嵌岩阻力分为桩侧阻力和桩端阻力，其内涵是一致的，表达形式有所区别。两计算式的最大区别在于桩侧阻力的发挥受桩端影响，即土层桩侧阻力受桩端岩石饱和单轴抗压强度的影响，岩层桩侧、桩侧阻力受岩石完整程度的影响，分别用相应的调整系数来体现，如表1、表2。
　　桩端岩石饱和单轴抗压强度越高土层桩侧摩阻力越小。这是因为桩端岩石强度越高越不容易压缩，相应的桩侧对土层的相对位移越小。桩侧承载力得不到发挥，这时桩侧承载力绝大部分只是一种安全储备。反之桩端岩石强度越低则容易压缩桩侧承载力能够充分发挥，规范取值0.8。但对于不同的岩石类型也可能存在相同的饱和单轴抗压强度，而变形模型E差异较大。该情况下土层桩侧阻力调整系数采用frk和E双参数指标确定β1，则更具有一般性和普适性。实际桩基可认为是以桩端为固定点的受压柱，离底面越远桩侧与土层相对位移越大。即桩侧土层承载力发挥也非均匀分布，从临界点沿竖向逐渐增大到一定程度后保持不变。同时还与土层性质有一定关系。公路规范土层折减系数所有土层均为唯一值是一种简化的算法。该方法同样对于短桩而言桩端承当了较大的荷载，桩侧分担荷载较小，即便桩侧计算误差较大也不至于引起整桩承载力的过大偏差，同时让计算更为简洁，对于长桩考虑了桩端岩石强度的影响，计算结果理论上比建筑规范更为准确。土层桩侧阻力系数的调整同样未考虑桩长的影响，短桩则可忽略该影响，长桩的影响与上述建筑规范的分析一致。 　　公路规范对岩层桩侧、桩端承载力调整主要是考虑岩石完整程度的影响，桩底基岩完整程度越差，基岩的桩侧摩阻力和桩端阻力均减小。其原理是嵌岩桩多为灌注桩，嵌岩部分的完整程度直接决定了清孔程度和混凝土与岩石的結合程度，另一方面裂隙越多越破碎则容易产生沉降，则越不利于嵌岩段承载力发挥。在决定嵌岩段承载力调整系数时岩石强度并非决定性作用。
　　铁路规范[3]，对于嵌岩桩的承载力计算与上述分析区别在于直接忽略了土层承载力的作用，而仅考虑桩端岩石承载力。桩端嵌入岩石面一定深度时计算岩石对桩侧和桩端的阻力，桩端支撑与岩石表面则仅计算桩端承载力。这种计算最为简便，对于短桩并不会有过大的计算误差，对于长桩特别是基岩为非坚硬岩，必然是大幅度的低估了嵌岩桩的承载力，造成一定的浪费。
　　对于公路、铁路一般设计使用年限为100年，一般建筑物的设计使用年限为50年。从耐久性或可靠度分析，设计使用年限越长相应的安全储备或安全系数越大，即铁路、公路应趋于保守，而一般建筑物则可充分考虑嵌岩桩的承载力。
　　3 嵌岩桩的受力分析
　　规范方法差异在于侧阻力的计算，精确分析桩基承载力必须研究桩土共同作用，桩侧阻力的发挥不仅与土的性质有关，还与桩土相对移动趋势密切关联。桩土荷载传递计算有理想弹塑性模型[4]，即认为在桩土从静止到相对滑移阶段，摩擦力从零开始线性增长，达到土的极限摩擦力后则维持不变。较为准确的桩土作用力大多学者认为这一关系成双曲线增长[5]。赵明华[6]通过算例对比了双曲线结果较为接近实测值，但计算较为复杂，没有得到普及应用。鉴于此，我们通过分析弹塑性和双曲线模型，结合两者优势，将桩侧土层阻力增长分三个阶段考虑。如图1在岩层上AB之间由于桩的压缩量不足以引起桩侧阻力发挥，柱轴力保持不变;BC之间由于桩的压缩量逐渐积累，桩侧土阻力成双曲线函数加速增长，表现为桩侧阻力的非线性快速增长段F2→F3;在C点以后则由于桩侧阻力已经达到极限值，则桩轴力成线性增长F3→F4。
　　其中k为承载力提高系数，若能从某一场地的试桩资料直接测定k，则可直接用于设计。若不能直接取得，桩侧增大系数k必然是土层厚度L、岩层变形模量E、土层强度（c，？渍）等的函数，即k=f（L，E，c，？渍…），通过积累足够的资料即可确定这一关系，或通过原位试验来直接测定，嵌岩桩的承载力确定即可简化为岩石段桩阻力乘以增大系数。对于工程应用也可以通过多因数，采用查表的方式确定，这就需要有相对多的工程资料和测试资料的积累，目前我们通过研究提出这一方法，但我们的实测资料尚少，还不足以直接给出查表确定参数的条件，或者没有普遍适用性。
　　定性分析系数k有以下几点，桩端变形模型越小、土层越厚、土层抗剪强度越高则土层内桩侧摩阻力发挥越充分，及系数k越大，反之则k越小。当土层为湿陷性土、欠固结土，或因地面堆载，地下水位下降引起土层沉降导致桩侧承受负摩阻力时k可以小于1。土层为一般正常固结土则桩相对于土层下沉，系数k大于1。甚至也可以将可靠度、耐久性等因素综合考虑在该系数中。
　　4 结束语
　　通过建筑、公路和铁路嵌岩桩的规范计算方法对比分析，得出铁路规范最保守，公路规范则在原理上最为接近实际。三个行业规范均侧重桩端承载力而对计算做了简化处理，对于短桩具有很强的适用性，对于长桩铁路规范可能存在一定的工程浪费。分析嵌岩桩受力特点结合桩土共同作用，结合两种桩土共同作用模型绘制桩轴力图。提出确定嵌岩桩承载力为增大k倍的嵌岩段的总阻力。从勘察、试桩资料、工程积累或直接测定得出土层侧阻力增大系数k。也可以从多因数角度研究不同条件下的k值，以供查表使用，目的在于尽可能全面考虑各种因素对嵌岩桩承载力的影响，但不至于计算过于复杂。
　　参考文献：
　　[1]JGJ94-2008.中国建筑科学研究院.建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
　　[2]JTG3363-2019.中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社，2019.
　　[3]TB10093-2017.中国铁路设计集团有限公司.铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁路出版社，2017.
　　[4]朱百里.计算土力学[M].上海：上海科学技术出版社，1990.
　　[5]胡黎明，濮家骝.土与结构物接触面物理力学特性试验研究[J].岩土工程学报，2001（23）：431-435.
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