蚌埠市區(qū)嵌巖樁應用問題探討

程青云

(蚌埠市勘測設計研究院，山東 蚌埠 233000)

蚌埠市區(qū)嵌巖樁應用問題探討

程青云*

(蚌埠市勘測設計研究院，山東 蚌埠 233000)

基于相關規(guī)范，分析了嵌巖樁單樁承載力的各種計算方法，對計算結果進行了比較。基于蚌埠市區(qū)地層巖性和代表性嵌巖樁工程數(shù)據(jù)，分析了嵌巖樁端阻力和基樁變形。對蚌埠市嵌巖樁應用中的風化巖界限確定、石英巖脈等常見問題進行了探討。結論可供同類工程參考。

嵌巖樁；風化巖；極限端阻力

1 引 言

隨著蚌埠市工程建設的推進，該區(qū)也出現(xiàn)了若干嵌巖樁工程。囿于蚌埠市城市規(guī)模、區(qū)域地質、施工技術和工程造價等，相較于管樁，嵌巖樁工程仍為數(shù)較少，資料積累有限，在其應用過程中，存在對蚌埠市地層巖性認識不夠、理論模糊的情況。通過對蚌埠市區(qū)域構造、地層巖性的闡明，對相關規(guī)范條文的梳理、比較以及對蚌埠市代表性工程檢測資料的分析，以期對今后本區(qū)嵌巖樁的應用起到參考作用。

2 規(guī)范比較

2.1 嵌巖樁的定義

《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》[1](以下稱高層規(guī)程)第8.3.12條和《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[2](以下稱橋涵規(guī)范)第5.3.4條均明確規(guī)定了嵌巖樁為樁端嵌入中風化、微風化或未風化巖石中的部分。《建筑樁基技術規(guī)范》[3](以下稱樁基規(guī)范)僅規(guī)定嵌巖段為完整、較完整巖體，對其為何種風化程度未作說明，但根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范應用手冊》[4]，嵌巖樁應是樁端嵌入中等風化或微風化基巖中的樁，樁端巖體能取樣進行單軸抗壓試驗。強風化巖不能取樣成型，對嵌入強風化巖中樁的極限側阻力和端阻力標準值，根據(jù)風化程度按砂土、碎石類土取值?！秾嵱猛亮W》[5]也指出：能夠取巖樣做抗壓強度試驗的，說明完整性比較好，就能按嵌巖樁設計，如果取不到巖樣，可按一般的端承樁設計。可見，三種規(guī)范對嵌巖樁定義的表述是一致的。

2.2 計算公式比較

(1)《建筑樁基技術規(guī)范》JGJ94-2008

《樁基規(guī)范》公式計算的是單樁豎向極限承載力標準值Quk，該標準值由兩部分組成：一是嵌巖段提供的總極限阻力，包括端阻力和嵌巖段的側阻力，另一部分是嵌巖段以上的土層提供的側阻力。

(1)

(2)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》JGJ72-2004

《高層規(guī)程》規(guī)定，對嵌巖灌注樁，按照巖石風化程度、單軸極限抗壓強度和巖體完整程度估算單樁豎向極限承載力：

(2)

(3)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》JTJ D63-2007

《橋涵規(guī)范》對嵌入基巖內的鉆孔樁，按下式計算單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]：

(3)

《橋涵規(guī)范》同廣東省標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》DBJ15-31的計算公式形式較接近，后者計算公式如下：

(4)

與《橋涵規(guī)范》稍不同的是，該式少了覆蓋層土的側阻力發(fā)揮系數(shù)ζs。

根據(jù)以上計算公式可知，三種規(guī)范對嵌巖段阻力的計算方法各有不同，如表1所示。

嵌巖樁計算方法比較 表1

2.3 計算結果比較

根據(jù)《樁基規(guī)范》，嵌巖樁側阻力系數(shù)ζs(qrs/ frk)隨巖石強度增大而減小，端阻力系數(shù)ζrp(qrp/frk)隨巖石飽和單軸抗壓強度frk增大而降低，隨嵌巖深度增加而減小。綜合系數(shù)ζr取值則隨嵌巖深徑比hr/d增大而增大，隨巖體強度增大而減小。

由《樁基規(guī)范》第5.3.9條及條文說明可知，當嵌巖深徑比hr/d在0.5～4.0時，對于極軟巖、軟巖，有qrp=(0.66～0.73) frk，qs=(0.051～0.056) frk，對于較硬巖、堅硬巖，有qrp=(0.40～0.60)frk，qs=(0.045～0.052) frk。

由《高層規(guī)程》表8.3.12可知，巖石極限端阻力qpr=0.6frk；對于極限側阻力，中風化軟質巖qs=(0.04～0.06)frk，微、未風化硬質巖qs=(0.03～0.04)frk。

對比《樁基規(guī)范》與《高層規(guī)程》可知：嵌巖深徑比hr/d在0.5～4.0范圍時，對于軟巖和極軟巖，《高層規(guī)程》計算得出的單樁承載力略偏于安全；對于較硬和堅硬巖，《高層規(guī)程》計算結果可能略大。

對比《高層規(guī)程》與《橋涵規(guī)范》可知：《橋涵規(guī)范》計算的是承載力容許值Ra，計算時，采用c1、c2分別對端阻力，嵌巖段側阻力折減。以蚌埠市普遍采用中風化混合花崗巖(較破碎)作樁端，且嵌巖深度不小于 0.5 m的嵌巖灌注樁為例，c1=0.3，c2=0.024。此時與《高層規(guī)程》對比，可知qpr=2c1frk，qs≈2c2frk，表明兩規(guī)范對較破碎狀態(tài)下的巖體計算結果差別不大。當巖體為完整、較完整時，用《高層規(guī)程》計算結果相對偏安全，巖體為破碎、極破碎時，則采用《橋涵規(guī)范》計算結果略小。

以上表明，對于中風化較軟巖、較破碎巖，三規(guī)范對于嵌巖段側、端阻力的計算結果差異很小，在10%以內，其他情況差異可能稍大。參數(shù)取值尚應考慮具體施工工藝問題，如鉆進方法、沉渣厚度、后注漿等。

3 蚌埠市嵌巖樁應用

3.1 工程應用實例

單樁承載力通常采用堆載法或自平衡法深層平板載荷試驗確定。后者通過放置于樁底的荷載箱加載，利用樁端阻力和樁側摩阻力互為反力，可同時推定出基樁樁端阻力、樁周土的極限摩阻力和單樁豎向抗壓極限承載力。選取蚌埠市各區(qū)代表性嵌巖樁工程的靜載荷試驗資料，樁端基巖均為蚌埠市代表性混合花崗巖，如表2所示。

蚌埠市代表性位置嵌巖樁應用 表2

3.2 試驗成果分析

(1)根據(jù)表2中端阻力最大試驗荷載，當前勘察階段qp取值是偏于安全的。當前蚌埠市區(qū)混合花崗巖地段的人工挖孔樁，強風化巖端阻力qp取值通常在5 000 kPa～6 000 kPa，中風化巖qp取值 7 000 kPa～10 000 kPa；泥漿護壁成孔條件下，出于孔底沉渣厚度的考慮，強風化和中風化巖qp取值則分別在 2 000 kPa和 5 000 kPa左右。其值相應巖石單軸抗壓強度一般不超過 10 MPa，屬于軟巖范圍，這與混合花崗巖硬質巖的屬性偏差較大。同時，由《巖土工程勘察規(guī)范》表A.0.1也可知，若將該巖石視為中等風化～強風化的堅硬巖或較硬巖，則對應巖石堅硬程度等級為較軟巖，單軸抗壓強度應不小于 15 MPa，極限端阻力qp當在 9 000 kPa～18 000 kPa，承載能力尚有較大潛力可用。

圖1 載荷試驗p-s曲線(橫軸：p/MPa，縱軸：s/mm)

(2)由圖1可知，樁基豎向變形值大部分均很小，不超過 5 mm，遠小于大直徑樁沉降變形限值0.05D，僅蚌醫(yī)病房樓基樁沉降稍大，但若考慮該工程樁樁身壓縮量，可知由基巖自身變形導致的樁基沉降變形同樣很小，如表3所示。

(5) 蚌醫(yī)病房樓樁身壓縮量估算 表3

以上載荷試驗壓力僅做至設計試驗值，未得到樁土破壞下的試驗曲線和實際的單樁豎向極限承載力。所得沉降曲線又均為緩變型且未發(fā)生陡降，單樁承載力富余量尚很大，當前巖土工程勘察和施工過程中巖體風化界限確定方面可能過于偏安全。

4 相關問題探討

蚌埠市區(qū)嵌巖樁工程主要在淮河南側階地、剝蝕準平原地貌有應用，該區(qū)巖性主要為蚌埠期混合花崗巖、混合鉀長花崗巖、混合二長花崗巖，顏色呈灰白、灰黑色、肉紅等色，屬硬質巖。市區(qū)東南部分區(qū)段見下元古界西堌堆組黑云角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖等，顏色為灰黑色、灰色等，其中片麻巖強度較低，屬軟質巖。

4.1 嵌巖樁樁端巖石風化界限的判定

蚌埠市嵌巖樁通常以中風化巖作樁端。在基巖風化程度判別時，尤其對強風化和中風化巖界限，各勘察人員的判定對標準往往存在較大差異。這需要勘察人員在準確把握規(guī)范的基礎上，積累鉆探編錄經(jīng)驗。要熟悉鉆探中的鉆速、鉆壓、鉆機反應等各種工藝參數(shù)，并與施工檢驗資料對比總結。

最可靠的方式仍是通過取芯判定?！稁r土工程勘察規(guī)范》[6]表A.0.3給出了按野外特征確定巖石風化程度的若干標準，包括原巖結構的破壞程度、礦物成分變化程度、節(jié)理發(fā)育程度、鉆進或開挖難度等，可供勘察人員直觀上參考。

波速比kv和風化系數(shù)kf則可以從定量方面確定巖體風化程度。此外，根據(jù)《勘察規(guī)范》表3.2.2-2和表A.0.2，巖體完整程度和完整性指數(shù)(kv之平方)、結構面發(fā)育狀況存在大致對應關系，由巖體結構面發(fā)育狀況和巖體完整程度也可以確定其風化程度，如圖2所示。

圖2 巖體完整性指數(shù)與完整程度、風化程度的對應關系

對于蚌埠市嵌巖樁工程，由于中風化巖通常已滿足樁端工程需要，勘察報告往往將該層以下籠統(tǒng)劃歸一層，但事實上某些地段中風化巖很薄，例如和順名都城住宅小區(qū)位于剝蝕準平原地貌上，部分位置 5 m～6 m即到風化層，穿過 1 m～2 m強風化巖之后即進入微～未風化混合花崗巖，巖體完整，巖質堅硬，此時以一層中風化巖端阻力參數(shù)涵蓋所有下部巖體顯得過于粗糙，宜將其細化，分別提供參數(shù)。

4.2 參數(shù)qpk的取值

當前勘察過程中，存在著巖芯采取率過低，取樣偏少，代表性差，試件制作質量及試驗操作不嚴格等問題，導致勘察報告frk建議值不具備指導意義。在嵌巖樁設計時，往往采用了經(jīng)驗參數(shù)法，直接取用勘察報告中的qpk估算單樁承載力。但勘察階段qpk參數(shù)取值應當建立在足夠數(shù)量的單樁豎向靜載試驗或深層平板載荷試驗之上，或者與frk建立地區(qū)經(jīng)驗關系得出，既要保證設計安全，也不宜過于保守。

對比《高層規(guī)范》qpr=0.6frk與《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011式fa=ψrfrk及《橋涵規(guī)范》表3.3.3-1可知，極限端阻力qpr與3fa存在較大差距，《橋涵規(guī)范》中[fa0]也明顯偏低，通過淺基礎fa簡單估計qpk是不妥當?shù)摹?/p>

這是由于，雖然大多數(shù)規(guī)范規(guī)定巖石地基不進行深寬修正，但qpk的數(shù)值本身已包含了深度和尺寸效應的因素，且fa確定時尚考慮了p-s曲線上的比例界限因素?！稑蚝?guī)范》[fa0]取值所以偏低，應是考慮了巖石地基承載力較大，通常滿足工程要求。

根據(jù)格里菲斯準則和霍克布朗準則[7]，邊載和側向應力可以抑制裂縫的產(chǎn)生和擴展，也有利于巖石地基承載力的提高?！稑蚝?guī)范》條文說明3.3.4-4，對節(jié)理不發(fā)育的和較發(fā)育的巖石，不作深寬修正；對節(jié)理發(fā)育和很破碎的巖石，參照碎石土修正；已風化為砂、土粒者，參照黏性土和砂性土修正。

基于此，對蚌埠市區(qū)以強風化巖或片麻巖等軟巖作樁端的工程，在上部荷載比較大，不易滿足強度或軟弱下臥層驗算時，可進行深度修正，以充分利用其強度。

4.3 巖脈的工程處理

蚌埠市區(qū)不少地段在風化巖中常見石英巖脈，呈灰白、乳白等色，有時較厚且在深度上不連續(xù)，如龍子河大橋工程，某橋臺位置石英巖脈厚達 6 m～8 m。該巖脈通常硬度很高，鉆進難度大。在嵌巖樁工程中，將其籠統(tǒng)劃歸全～強風化是不妥當?shù)摹?/p>

理論及實測資料表明，嵌巖部分的嵌固力是嵌巖樁的承載力高于端承樁的主要原因，嵌巖樁嵌固深度超過5倍樁徑后，端阻力趨近于0。如泥質軟巖地區(qū)當嵌巖比為7時端阻力幾乎為0，紅色粉砂巖和砂礫巖地區(qū)嵌巖比為10時，端阻比為3%左右。根據(jù)《樁基規(guī)范》第5.3.9條及條文說明，計算極軟巖、軟巖在不同嵌巖深徑比下的端阻比，如表4所示。

軟巖、極軟巖中嵌巖樁在不同嵌巖深徑比下的端阻比 表4

由表4可知，嵌巖深徑比超過3之后，嵌巖樁逐漸表現(xiàn)出不同于端承樁的工作特點，逐漸以嵌固力為主，且也不同于普通摩擦型樁。

對于蚌埠市區(qū)嵌巖樁工程，若樁端為代表性中風化基巖且不存在厚層巖脈時，此時嵌巖深徑比在 0.4 d～1.0 d通常不存在異議。若厚層石英巖脈處于強風化混合花崗巖等硬質巖或片麻巖等軟質巖之中時，在滿足單樁承載力的基礎上，則可以巖脈作樁端，按嵌巖樁設計，以充分發(fā)揮圍巖嵌固力的作用，避免工程過于浪費。但應當保證：嵌巖樁樁端以下3倍樁徑范圍內不存在軟弱夾層、斷層破碎帶和洞穴等，且樁底應力擴散范圍內無巖體臨空面。

5 結 論

(1)對于中風化、較軟和較破碎巖，各規(guī)范所計算的單樁承載力差別不大，一般不超過10%，對于硬質巖，微風化巖等，則差異可能較大。使用時應注意各規(guī)范行業(yè)及成樁工藝等差別。

(2)當前蚌埠市區(qū)嵌巖樁工程承載力尚存在較大富余，實際單樁極限承載力宜根據(jù)樁土破壞試驗確定。樁基參數(shù)取值上，對可能作為樁端的微～未風化巖，宜進行細化，與中風化有所區(qū)分，避免過于籠統(tǒng)。

(3)除可按《巖土工程勘察規(guī)范》表A.0.3定性和定量確定巖石風化程度外，尚可根據(jù)波速測試數(shù)據(jù)，結合巖體節(jié)理發(fā)育情況，綜合確定巖體風化程度。

(4)當采用經(jīng)驗參數(shù)法估算單樁承載力時，經(jīng)驗值qs和qpk應當建立在足夠數(shù)量的載荷試驗基礎上。對蚌埠市區(qū)以強風化巖或片麻巖等軟巖作樁端的工程，在上部荷載比較大，不易滿足強度或軟弱下臥層驗算時，可進行深度修正。對厚層石英巖脈處于強風化混合花崗巖等硬質巖或片麻巖等軟質巖之中的情況，可以巖脈作樁端，以充分發(fā)揮圍巖嵌固力的作用，避免工程過于保守。

[1] JGJ72-2004. 高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].

[2] JTJ D63-2007. 公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].

[3] JGJ94-2008. 建筑樁基技術規(guī)范[S].

[4] 劉金礪，高文生，邱明兵. 建筑樁基技術規(guī)范應用手冊[M]. 北京.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5] 高大釗. 實用土力學[M]. 北京.人民交通出版社股份有限公司，2011.

[6] GB50021-2001. 巖土工程勘察規(guī)范[S].

[7] 顧寶和. 巖土工程典型案例述評[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

Discussion on Application of Rock-Socketed Pile in Bengbu City

Cheng Qingyun

(Bengbu Survey and Design Research Institute，Bengbu 233000，China)

Based on relevant specification，different calculation methods of single bearing capacity to rock-socketed pile was analyzed，the related comparison of the calculated results was got. By the formation lithology and the representative engineering data of rock-socketed pile in Bengbu City，ultimate tip resistance and settlement was analyzes. Finally，The boundary of weathered rock、the quartz vein and some other common issues of Rock - Socketed Pile application in Bengbu City was discussed. The conclusion can be regarded as references to similar projects.

rock-socketed pile；weathered rock；ultimate tip resistance

1672-8262(2017)01-172-05

TU473.1

B

2016—10—27 作者簡介：程青云(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事巖土工程技術設計等工作。