橋梁嵌巖樁受力機(jī)理及最佳嵌巖深度研究

劉　洋

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081)

橋梁嵌巖樁受力機(jī)理及最佳嵌巖深度研究

劉洋

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081)

摘要在嵌巖樁設(shè)計(jì)過程中，嵌巖深度觀點(diǎn)各異。文中以實(shí)際工程項(xiàng)目為依托，借助國(guó)外流行的理論計(jì)算公式，分析了嵌巖樁豎向承載力的影響因素，總結(jié)了嵌巖樁受力機(jī)理及最佳嵌巖深度。

關(guān)鍵詞嵌巖樁端承樁側(cè)摩阻力端阻力最佳嵌巖深度

近年來(lái)，由于嵌巖樁沉降量小、承載力高、施工方便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在貴州橋梁工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而，在嵌巖樁設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師們對(duì)嵌巖樁的受力特性認(rèn)識(shí)不足，計(jì)算和分析重視程度不夠，往往按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，使得現(xiàn)有橋梁樁基設(shè)計(jì)過于保守或出現(xiàn)承載力不足的情況。大量的工程實(shí)例和試驗(yàn)資料表明，樁基底部地質(zhì)情況的變化，嵌巖樁呈現(xiàn)不同的受力狀態(tài)，其承載能力也會(huì)受較大的影響，不能簡(jiǎn)單按2.5D等經(jīng)驗(yàn)值直接進(jìn)行入巖設(shè)計(jì)。

大部分規(guī)范將嵌巖樁視為端承樁，不考慮側(cè)阻力或?qū)?qiáng)風(fēng)化巖層段的力按土層與樁的摩擦力計(jì)算，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化層較厚的樁基，此種處理方式顯然欠妥，造成了較大的浪費(fèi)和加大了施工的周期和難度。嵌巖樁在巖層中受力復(fù)雜，同時(shí)受多種因素的影響，如嵌巖深度、樁的直徑、樁周巖體特性、孔壁粗糙度等，因此，要綜合考慮各種因素的影響，使嵌巖樁的設(shè)計(jì)更加合理，為工程的安全、合理、經(jīng)濟(jì)打下基礎(chǔ)。本文主要對(duì)橋梁嵌巖樁受力機(jī)理及最佳入巖深度進(jìn)行研究，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)例和試驗(yàn)，對(duì)其理論展開進(jìn)一步的探討，供設(shè)計(jì)和規(guī)范的修改、完善作參考。

[2]袁倫一.連續(xù)橋面簡(jiǎn)支梁橋墩臺(tái)計(jì)算實(shí)例[M].北京：人民交通出版社，1998．

[3]曾照亮.高墩計(jì)算長(zhǎng)度探討[J].中外公路，2008(5)：160-162.

1目前對(duì)嵌巖樁存在的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)

1.1嵌巖樁的定義

一直以來(lái)，嵌巖樁與端承樁被視為同類樁基處理，受力一樣。根據(jù)《公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，計(jì)算進(jìn)入巖層中的樁基的豎向承載力公式：

式中要求frk大于2 MPa，主要考慮的是樁端力，同時(shí)將強(qiáng)風(fēng)化層和全風(fēng)化層視為土層，當(dāng)作樁、土間的摩擦力。這與端承樁的定義是相符的，但作為嵌巖樁的設(shè)計(jì)，偏于保守，特別是對(duì)于入巖段?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中嵌巖樁定義為嵌入微風(fēng)化巖中的樁，也將嵌巖樁與端承樁視為同類樁基考慮。將嵌巖樁與端承樁混為一團(tuán)，造成嵌巖樁設(shè)計(jì)時(shí)不必要的浪費(fèi)，應(yīng)重視強(qiáng)風(fēng)化層段樁基的受力。劉興遠(yuǎn)等[3]把嵌入巖體中的樁視為嵌巖樁，巖體的風(fēng)化程度不在局限于中風(fēng)化或微風(fēng)化。筆者認(rèn)為，嵌巖樁與端承樁本質(zhì)區(qū)別的關(guān)鍵就在于嵌入巖層的特性，嵌巖樁不同于端承樁對(duì)巖層承載力等有較高要求，兩者應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

1.2嵌巖樁的工作機(jī)理

嵌巖樁處于基巖部分存在剪應(yīng)力，而剪應(yīng)力的分布模式一直未能認(rèn)識(shí)清晰。相關(guān)的樁基設(shè)計(jì)規(guī)范中認(rèn)為嵌巖段的剪應(yīng)力呈上大小下分布，據(jù)此計(jì)算嵌巖段的豎向極限承載力。然而，嵌巖段的巖層往往出現(xiàn)強(qiáng)度不均勻分布，上層相對(duì)較弱，下層巖石更硬；那么嵌巖段的剪應(yīng)力就呈上小下大的狀態(tài)。貴州山區(qū)地質(zhì)強(qiáng)風(fēng)化層較厚，強(qiáng)度不均勻分布，橋梁樁基更符合這一特點(diǎn)。近期，有學(xué)者通過模型試驗(yàn)提出第3種分布模式，即兩頭大中間小。后2種觀點(diǎn)更加證明了巖層的特性很大程度上決定了樁基的工作機(jī)理和受力，應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)情況，區(qū)別對(duì)待處理。

2嵌巖樁的受力特性

2.1嵌巖樁承受的豎向荷載

嵌巖樁承受的豎向荷載由3部分組成：樁、土間的摩阻力，嵌巖段的嵌固力和端阻力；三者中，嵌固力占主要因素。嵌固力雖與樁、土間的摩阻力性質(zhì)相同，但產(chǎn)生的時(shí)間點(diǎn)和原理不同。當(dāng)樁與土間發(fā)生較大位移或變形時(shí)，樁、土間的摩阻力才產(chǎn)生；而嵌固力是當(dāng)樁身承受豎向荷載時(shí)就存在，同步發(fā)生。

嵌巖樁豎向承載力常用計(jì)算方法：規(guī)范法、分項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)法、利用巖體Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則確定樁端阻力、按樁頂沉降控制嵌巖樁豎向承載力。研究表明，分項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)法更符合嵌巖樁的承載力傳遞特點(diǎn)。

2.2嵌巖樁受力影響因素分析

嵌巖樁在巖層中的受力極其復(fù)雜，受多種因素的影響，如嵌巖深度、樁的直徑、樁周巖體特性、孔壁粗糙度等。

單樁的豎向承載力Qu主要考慮樁、土間摩擦力、側(cè)阻力Qsu和端阻力Qpu，樁、土間的摩擦力根據(jù)橋涵規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，不計(jì)側(cè)阻力和端阻力兩者間的相互影響。樁側(cè)摩阻力計(jì)算的理論依據(jù)為直剪試驗(yàn)中的土庫(kù)倫準(zhǔn)則，端阻力計(jì)算的理論依據(jù)為地基承載力的極限平衡理論。

2.2.1樁側(cè)阻力的計(jì)算

Vijayvergiya和Focht[4]依據(jù)開口截面的鋼筋管樁，其端部阻力可忽略不計(jì)，提出了一種計(jì)算單樁外側(cè)阻力的方法，該方法在理論計(jì)算和相關(guān)規(guī)范中被大量引用。其表達(dá)式為

在后來(lái)的科研中，學(xué)者們不斷對(duì)其公式進(jìn)行了改進(jìn)，適用范圍更廣，變成了如下公式[5]

2.2.2樁端阻力的計(jì)算

把樁基視為剛塑體，依據(jù)地基承載力的極限平衡理論，假定不同的破壞滑動(dòng)面形態(tài)，推導(dǎo)出樁端阻力的計(jì)算公式。具有代表性的樁端阻力極限平衡理論有Terzaghi，Meyerhof &Vesic公式[6]，各樁基承載力公式可歸納如下：

式中:Nc，Nr，Nq為承載力因數(shù)；是土的內(nèi)摩擦角ψ的函數(shù)；c為地基土的內(nèi)聚力；σ0為樁端處的豎向應(yīng)力；B為樁端直徑；γ為土的容重。

現(xiàn)結(jié)合《貴陽(yáng)東北繞城高速公路尖坡至小碧段改建工程》項(xiàng)目，選取比較典型的大型橋梁，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)資料，依據(jù)上述樁端阻力和側(cè)摩阻力計(jì)算公式，分別對(duì)嵌巖深度、樁的直徑、巖石的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比對(duì)分析。計(jì)算時(shí)采用的基本數(shù)據(jù)如下：覆蓋層厚2 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚3 m，中風(fēng)化巖石抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=15 MPa。

(1) 嵌巖深度對(duì)嵌巖樁承載力的影響分析。取直徑1 m的樁基，分別計(jì)算出不同入巖深度下土層的摩擦力、側(cè)阻力、端阻力數(shù)值。見圖1。

圖1　直徑1 m樁基豎向力組成隨入巖深度分布圖

從圖1可見，入巖深度對(duì)樁基豎向承載力的影響較明顯，特別是嵌巖段側(cè)阻力。隨樁基深度的增加，端阻力和側(cè)阻力都有增加的趨勢(shì)，但側(cè)阻力增加得更快。嵌巖深度增加，側(cè)阻力占的比重增大，端阻力會(huì)減小，因此存在著最佳嵌巖深度，側(cè)阻力與端阻力兩者均能充分發(fā)揮。

(2) 樁徑對(duì)嵌巖樁承載力的影響分析。取直徑D=1，1.5，2，2.5，3 m的樁基，分別計(jì)算出各自在不同入巖深度下的豎向承載力和側(cè)阻力與端阻力的比例。見圖2，圖3。

圖2　不同直徑和入巖深度下樁基豎向承載力分布圖

圖3　不同樁徑下側(cè)阻與端阻嵌巖深度比例分布圖

由圖2，圖3可見，樁徑也是影響嵌巖樁豎向承載力的主要因素之一。樁徑越大，豎向承載力也越大。樁徑對(duì)端阻力的影響大于側(cè)阻力。側(cè)阻力與端阻力兩者可結(jié)合起來(lái)，找出最佳的嵌巖深度。

(3) 底部巖石特性對(duì)嵌巖樁承載力的影響分析。嵌巖段巖石的特性不同，會(huì)影響其豎向承載力的大小。取不同的巖石抗壓強(qiáng)度值，同一樁徑，入巖深度變化時(shí)，計(jì)算出各自的豎向承載力。見圖4。

圖4　不同巖石特性對(duì)樁基豎向力的影響

由圖4可見，嵌巖段的巖石特性在較大程度上影響樁基的豎向承載力，重點(diǎn)表現(xiàn)在對(duì)樁側(cè)阻力的影響。嵌巖段巖層的特性不同時(shí)，入巖深度要根據(jù)巖石的強(qiáng)度和裂隙發(fā)育情況具體分析。

3嵌巖樁合理入巖深度

3.1國(guó)內(nèi)外關(guān)于嵌巖樁入巖深度的研究成果

黃求順等[7]通過試驗(yàn)和重慶地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，提出3D為合理嵌巖深度，5D為最大嵌巖深度，當(dāng)樁基入巖超過5D時(shí)，端阻力可忽略。李大營(yíng)[8]認(rèn)為嵌巖樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮側(cè)阻力的作用，側(cè)阻力對(duì)樁基豎向承載力的貢獻(xiàn)最大。并提出嵌巖樁的有效深度為5D，入巖越深，端阻力的作用就越小。劉松玉[9]認(rèn)為嵌巖樁的最大嵌巖深度為7D。明可前[10]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出4D為最佳嵌巖深度。林天健等[11]認(rèn)為，嵌巖樁設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足受力的條件下，盡可能淺入巖。巖性不同，入巖深度也應(yīng)有差別。強(qiáng)度較硬的巖石宜控制在(50±20)cm，強(qiáng)度較低的巖石宜控制在(80±20)cm。Pells、Turner[12]假設(shè)樁基豎向承載力完全由端承力和側(cè)阻力承擔(dān)，兩者都能充分發(fā)揮其作用。先根據(jù)樁徑和巖石強(qiáng)度，計(jì)算出端承力Qb，然后用總的豎向設(shè)計(jì)荷載Q減去端承力Qb，即可得到側(cè)阻力數(shù)值，再利用公式L=Qs/(πDτ)求出嵌巖深度。

3.2合理入巖深度的研究

從受力影響因素各圖數(shù)值綜合分析得出：最佳嵌巖深度不僅與樁徑、嵌巖深度有關(guān)，還與嵌巖段的巖石強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)巖石的單軸極限抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk>10 MPa時(shí)，最佳嵌巖深度為2D～3D之間，側(cè)阻力和端阻力均能得到充分的發(fā)揮；當(dāng)嵌巖深度達(dá)到5D時(shí)，側(cè)阻力是端阻力2.5倍以上，端阻力只能發(fā)揮較小部分。對(duì)于強(qiáng)度較低的巖石，不能簡(jiǎn)單按最佳嵌巖深度數(shù)值直接確定下基深度。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況，在滿足受力的條件下，選擇合理的樁徑、嵌巖深度。

4結(jié)論

(1) 計(jì)算嵌巖樁的豎向承載力時(shí)，采用分項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)法，更符合嵌巖樁的承載力傳遞特點(diǎn)。

(2) 嵌巖深度對(duì)樁基受力影響較大，深度越深，豎向承載力越大。嵌巖深度對(duì)樁側(cè)阻力更加敏感，樁側(cè)阻力隨深度增加更加迅速。

(3) 樁徑在一定的程度上也影響樁基豎向承載力，但主要的貢獻(xiàn)在于端承力。

(4) 巖石的特性會(huì)影響側(cè)阻力的發(fā)揮，最佳嵌巖深度不僅與樁徑、嵌巖深度有關(guān)，還與嵌巖段的巖石強(qiáng)度有關(guān)。

(5) 當(dāng)巖石的單軸極限抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk>10 MPa時(shí)，最佳嵌巖深度為2D～3D之間，側(cè)阻力和端阻力均能得到充分的發(fā)揮；當(dāng)嵌巖深度達(dá)到5D時(shí)，側(cè)阻力是端阻力2.5倍以上，端阻力只能發(fā)揮較小部分。

(6) 對(duì)于強(qiáng)度較低的巖石，不能簡(jiǎn)單按最佳嵌巖深度數(shù)值直接確定下基深度。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況，在滿足受力的條件下，選擇合理的樁徑、嵌巖深度。

參考文獻(xiàn)

[1]JTGD63-2007公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2007.

[2]GB5007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[3]劉興遠(yuǎn),鄭穎人,林文修.關(guān)于嵌巖樁理論研究的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].巖土工程學(xué)報(bào),1997,20(5):118-119.

[4]VIJAYVERGIYA V N, FOCHT J A J. A new way to predict the capacity of piles in clay[J].Proc. 4th Ann. Offshore Tech Conf. 2,1972:865-874.

[5]RADHAKRISHNAN R, LEUNG C F.Load transfer Behavior of rock-socketed piles[J].Journal of Geotechnical Engieering,1989，115(6):345-348.

[6]TERZAGHI K,MEYERHOF G G,VESIC A S.Bearing capacity of anisotropic cohesionless soils[J].Canadian Geotechnicel Journal,1978,15(4):592-595.

[7]黃求順.嵌巖樁承載力的試驗(yàn)研究[C].中國(guó)建筑學(xué)會(huì)地基基礎(chǔ)學(xué)術(shù)委員會(huì)論文集,西安:陜西高校聯(lián)合出版社,1992:47-52.

[8]李大營(yíng),關(guān)于嵌巖樁承載力的討論[J].電力勘測(cè),1994(2):102-106.

[9]劉松玉,季鵬,韋杰.大直徑泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注樁的荷載傳遞性狀[J].巖土力學(xué),1996,17(3):84-96.

[10]明可前.嵌巖樁受力機(jī)理分析[J].巖土力學(xué),1998,19(1):65-69.

[11]林天健,熊厚金,王利群.樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)指南[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995.

[12]PELLSe P J N,TURNER R M.Elastic solutions for the design and analysis of rock-socketed piles[J].Can Geotech,1979,16:481-487.

Study on Stress-mechanism and Best Rock

Socketed Depth of Bridge Rock-socketed Pile

LiuYang

(Guizhou Communications Planning Survey & Design Institute Co.,Ltd., GuiYang 550081, China)

Abstract： In the design process of the rock-socketed pile, previous error recognition and incomplete specification will cause the mechanical characteristics of unclear and different viewpoints of the embedding depth. Based on a practical engineering project, the calculation formula of using foreign popular theory and the influence factors of bearing capacity of rock socketed pile are analyzed, and the rock socketed pile stress mechanism and the best rock socketed depth are summarized, which provide the reference for the design and specification.

Key words: rock-socketed pile; end-bearing pile; lateral friction; tip resistance; the best rock-socketed depth

收稿日期：2014-09-30

Calculation Analysis of Effective Length of Bridge Pier in Mountain Highway

WangJianjin，ZhaoYang

(Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co.,Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：The calculation of effective length of the pier is a difficult problem for the design of mountainous highway bridges. Taking a highway bridge under construction for example, the calculation method of effective length of the pier is studied. The current analytical calculation method based on the Euler formula is described. Then a finite element model to take structural buckling analysis is created, and the effective length of the pier is got. According to the comparison of the two methods, finite element analysis method is more accurate because of its comprehensive consideration of the boundary conditions and transverse linkages of the pier.

Key words:high pier； effective length factor； Euler formula； finite element analysis

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.004