嵌巖樁樁端以下基巖持力層最小厚度探討

劉福東

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

對于基巖地區(qū)，嵌巖樁是較為常見的樁基類型。對于嵌巖樁作用機(jī)理，國內(nèi)外都在不斷地廣泛深入地研究，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)范中嵌巖樁樁基承載力計算公式也在不斷完善。目前設(shè)計及勘察有關(guān)規(guī)范中雖然對嵌巖樁樁嵌入基巖的深度均有規(guī)定，但對樁底所在基巖持力層的最小厚度均沒有明確規(guī)定。

由于基巖風(fēng)化程度變化較大，基巖持力層下常夾有強(qiáng)風(fēng)化巖，有時為全風(fēng)化巖或殘積土，嵌巖樁樁端持力層厚度不大的情況較為普遍，這給設(shè)計與施工帶來較大問題。對于不同類型、不同強(qiáng)度的巖石，樁端以下中、微風(fēng)化基巖持力層的厚度最小多少時才可以保證嵌巖樁要求，目前缺少這方面的實踐與研究。如按照摩擦樁計算，中、微風(fēng)化的側(cè)摩阻力取值也缺少可靠的經(jīng)驗，不僅施工比較困難，而且增加投資，故此項研究對于嵌巖樁的設(shè)計有較好的實用價值。

1 嵌巖樁工作機(jī)理

1.1 嵌巖樁承載力組成及類型

根據(jù)現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，嵌巖樁的承載力一般由端阻、側(cè)阻及嵌巖段側(cè)阻（或總側(cè)阻）組成。嵌巖樁并不均為端承樁，嚴(yán)格講應(yīng)為摩擦端承樁。嵌巖樁即使是在無覆蓋層條件下或長徑比L/D<5的短樁，并非一律是端承樁，而較長的嵌巖樁大多屬于摩擦樁，很長的嵌巖樁完全屬于摩擦樁[1]。

1.2 嵌巖樁承載力影響因素及端阻承擔(dān)比

為確定嵌巖樁樁端以下持力層的最小厚度，可將按不同的端阻承擔(dān)比來等效模擬樁端荷載對持力層厚度的要求，以供設(shè)計人員參考。

2 理論計算

2.1 嵌巖樁樁端荷載

對于一般的硬質(zhì)巖，根據(jù)嵌巖樁端阻計算公式得出的端阻及嵌巖段側(cè)阻往往較大，當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度較大時僅端阻力即可滿足設(shè)計要求，但在實際工程中，樁基承載力一般要求為較安全的數(shù)值，如按公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[3]計算，全由端阻承擔(dān)時樁底的等效均布荷載q0≈4600 kPa。

考慮實際工程需要，將按不同的端阻承擔(dān)比k分別進(jìn)行驗算。

式中：q1為樁底的等效均布荷載，k Pa；Rd為樁基端阻所分擔(dān)的荷載，kN。

2.2 相對軟弱下臥層的影響

對于基巖持力層下強(qiáng)風(fēng)化巖的影響簡化為下臥層對持力層的等效均布頂托力q2（kPa）來模擬，其中:

式中：kv為下臥層豎直向基床系數(shù)，k N/m3；s為下臥層地基變形，m。

2.3 計算內(nèi)容及假定

為確定持力層的最小厚度，該項研究僅考慮單樁樁基持力層受壓破壞這種模式，理論計算主要按基巖持力層抗沖切、抗剪、抗彎驗算，并假定持力層基巖為完整巖。

無根萍雖然主要依靠出芽法繁殖，但它也會開花結(jié)果。開花之前，葉狀體上方會形成一個凹陷下去的坑，稱為“花腔”，里面長出一枚雌蕊和一枚雄蕊，但是沒有花瓣和花萼。雌蕊先成熟，并伸出花腔開口，等雌蕊受粉或枯萎后，雄蕊才發(fā)育成熟并伸出花腔口，釋放出橘紅色的花粉。每一朵花結(jié)一個果實。無根萍的花朵大小不足半毫米，果實就更小了，只有在顯微鏡下才能觀察到。

巖石持力層按完整的中風(fēng)化花崗巖（火成巖）、砂巖（沉積巖）兩種典型巖石為例，下臥層則為相應(yīng)的強(qiáng)風(fēng)化巖，其相應(yīng)參數(shù)見表1所列。

表1 持力層及下臥層巖石參數(shù)表

2.4 抗沖切驗算

根據(jù)靜力平衡條件（見圖1）則有：

式中：K為安全系數(shù)，取2；T為持力層基巖的抗拉力，kN；F為下臥層強(qiáng)風(fēng)化巖的頂托力，kN；Rt為持力層基巖的抗拉強(qiáng)度，kPa；α為沖切角，（°），參考混凝土，該項研究取45°。

若不考慮下臥層頂托力的影響即為0，可得：

圖1 持力層驗算示意圖

2.5 抗彎計算

按均布荷載下周邊固接的圓形板彈性理論解[4]得：

最大彎距：

最大剪力：

由最大拉應(yīng)力：

若不考慮下臥層的影響，則可得：

2.6 抗剪驗算

參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式6.5.1-1[5]，采用如下簡化公式：

若考慮下臥層的影響可得如下公式：

若不考慮下臥層的影響可得如下公式：

2.7 理論計算結(jié)果分析

（1）通過試算，當(dāng)取安全系數(shù)為K＝2時，對于Rt≥1 MPa的完整巖石，最小持力層厚度一般由抗沖切計算確定。對于Rt＜1 MPa的極軟巖、軟巖及不同的端阻承擔(dān)比k，主要由抗剪及抗沖切來控制,見圖2、圖3所示，故在此僅附抗剪及抗沖切計算結(jié)果。

圖2 硬質(zhì)巖對計算公式的影響曲線圖（Rt=1 MPa）

圖3 軟巖對計算公式的影響曲線圖（Rt=0.5 MPa）

（2）下臥強(qiáng)風(fēng)化巖不同于一般溶洞，對持力層有較好的支撐作用，對提高工程安全度，能有效地減小最小持力層安全厚度，相對空洞而言，能減小厚度20%以上，對于深長樁，能減小到50%左右，持力層強(qiáng)度越低影響越大，見圖4、圖5所示。

圖4 下臥層對硬質(zhì)巖持力層厚度的影響曲線圖

圖5 下臥層對軟巖持力層厚度的影響曲線圖

（3）通過試算，最小持力層安全厚度隨持力層巖石抗拉強(qiáng)度的增大而減小，對于完整的堅硬巖其厚度一般大于0.5 m，對于完整的軟巖其厚度約為1倍樁徑，可隨端阻承擔(dān)比k進(jìn)行相應(yīng)的折減。

3 數(shù)值模擬

3.1 巖石的本構(gòu)模型及建模

從工程實用出發(fā)，在分析問題時，一般在受壓區(qū)采用斜直線型的庫侖或莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則即可，如果采用非線性的莫爾準(zhǔn)則，計算特別復(fù)雜，但精度提高并不顯著，必要性也不大[6]，故該項目巖石采用莫爾－庫侖彈塑性模型，主要計算參數(shù)見表1所列。

該項研究按有限單元法按軸對稱問題建模，計算假定及計算標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）假定巖石持力層為一完整的平板狀的巖體；（2）樁體按C30混凝土板來模擬；（3）取安全系數(shù)為K＝2，即豎向荷載為2q0（按式 1計算）；（4）不考慮地下水的影響；（5）計算穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)以垂直位移（沉降）控制，同時允許下臥層出現(xiàn)塑性發(fā)展區(qū)，但不允許貫通，某計算示例如圖6、圖7所示。

圖6 持力層垂直位位移示意圖

圖7 持力層塑性開展區(qū)示意圖

3.2 計算結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬，得出的基巖最小厚度的計算結(jié)果及規(guī)律與理論公式計算相一致（見表2），同條件下計算厚度略低于理論計算。從實際工程出發(fā)，利用理論公式計算偏于安全。

4 結(jié)語

（1）在基巖地區(qū)樁基勘察時，如遇基巖持力層下有軟弱夾層時，建議進(jìn)行適量的巖石抗拉試驗，為設(shè)計提供巖石抗拉強(qiáng)度建議值。

（2）全、強(qiáng)風(fēng)化軟弱夾層在較小的變形下一般能對持力層提供較大的頂托反力，對于深長樁而言，能有效地降低對基巖持力層的厚度要求。

（3）對于巖石抗拉強(qiáng)度Rt≥1 MPa的硬質(zhì)巖，最小持力層厚度一般由抗沖切計算確定，Rt＜1 MPa的極軟巖、軟巖，主要由抗剪及抗沖切來控制。

（4）最小持力層安全厚度隨持力層巖石抗拉強(qiáng)度的增大而減小，對于完整的堅硬巖其厚度一般大于0.5 m即可，對于完整的軟巖其厚度約為1倍樁徑，可隨端阻承擔(dān)比k進(jìn)行相應(yīng)的折減。

表2 持力層最小安全厚度計算表

[1]劉鐵雄.巖溶頂板與樁基作用機(jī)理分析與模擬研究[D].中南大學(xué)，2003.

[2]鄭祖恩.軟巖地基中大直徑嵌巖灌注樁承載性能研究[D].中南大學(xué)，2007.

[3]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]上海市政工程設(shè)計院.給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1984.

[5]GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[6]張有良，最新工程手冊[M].北京：中國知識出版社，2006.