基于安全系數(shù)法嵌巖灌注樁嵌巖區(qū)域承載能力的確定方法

劉友萬(wàn)

（陜西省何家塔煤礦，陜西榆林719300）

斯里蘭卡地區(qū)由于受沖積地質(zhì)作用小，基巖埋藏深度淺，同時(shí)基巖的完整性好，抗壓強(qiáng)度較高，使得嵌巖灌注樁基礎(chǔ)在當(dāng)?shù)氐臉蛄汗こ?、房建工程等領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。但由于現(xiàn)行的歐洲規(guī)范（EC7）、英國(guó)規(guī)范（BS8004），以及其他國(guó)際通用的規(guī)范，對(duì)嵌巖灌注樁嵌巖區(qū)域承載能力的計(jì)算參數(shù)選取沒(méi)有給出統(tǒng)一和明確的規(guī)定，導(dǎo)致在嵌巖灌注樁的承載能力設(shè)計(jì)上存在很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性。

本文結(jié)合科倫坡港南集裝箱碼頭和龍喜國(guó)際佛教大學(xué)兩個(gè)項(xiàng)目灌注樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，對(duì)嵌巖灌注樁嵌巖區(qū)域承載能力計(jì)算和確定進(jìn)行討論，并對(duì)嵌巖區(qū)域的承載能力設(shè)計(jì)參數(shù)選取進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)項(xiàng)目樁基的設(shè)計(jì)工作提供參考。

一、嵌巖灌注樁承載能力設(shè)計(jì)方法及安全系數(shù)

樁基礎(chǔ)作為承擔(dān)建筑物或構(gòu)筑物上部結(jié)構(gòu)所傳遞荷載的作用主體，其設(shè)計(jì)應(yīng)保證在設(shè)計(jì)年限內(nèi)：⑴樁基礎(chǔ)自身有足夠的安全度，避免出現(xiàn)強(qiáng)度破壞而引起上部結(jié)構(gòu)乃至整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞；⑵地基有足夠的安全度，不至于出現(xiàn)地基失穩(wěn)，坍塌等失?。虎菢痘A(chǔ)不出現(xiàn)過(guò)大的變形，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

1、承載能力設(shè)計(jì)方法

樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法主要可以分為以下兩種設(shè)計(jì)方法：

⑴單一安全系數(shù)法。該方法最主要的特點(diǎn)是采用單一的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，通過(guò)該系數(shù)綜合考慮了荷載、材料強(qiáng)度、地質(zhì)條件等一切可變因素，以確保樁基礎(chǔ)的安全性。采用單一安全系數(shù)法在設(shè)計(jì)參數(shù)選取方面存在較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，很難客觀地表達(dá)各項(xiàng)不利因素對(duì)設(shè)計(jì)的影響，但是，由于該方法在表達(dá)式上比較簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，各個(gè)地區(qū)也總結(jié)出了可靠參數(shù)選取方法，因而，目前在樁基設(shè)計(jì)方面得到了廣泛而成功的運(yùn)用。

⑵極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是將設(shè)計(jì)分為幾個(gè)極限狀態(tài)，常見(jiàn)的為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，并在不同的極限狀態(tài)對(duì)荷載、材料強(qiáng)度（材料抗力）、施工工藝等因素采用不同設(shè)計(jì)安全分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行考慮，在表達(dá)上較單一安全系數(shù)法更科學(xué)。但由于在設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)上缺乏經(jīng)驗(yàn)，目前僅在少數(shù)國(guó)家和地區(qū)得到了應(yīng)用，主要包括:以美國(guó)AASHTO規(guī)范為代表的荷載及抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法和以歐洲EC7規(guī)范為代表的荷載和材料分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法。

2、安全系數(shù)

在樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用對(duì)樁側(cè)極限摩阻力（Qsu）和樁端極限端阻力（Qbu）分別除以分項(xiàng)安全系數(shù)（Fs）和（Fb）確定樁的允許承載能力；同時(shí)對(duì)樁總的極限承載能力（Qsu+Q bu）除以綜合的安全系數(shù)（Fg）確定樁的允許承載能力；并選取兩種中的較小值作為樁的允許承載能力值。其具體表達(dá)式如下：

其中：

Pag——樁允許承載能力

Qsu——樁側(cè)極限摩阻力Qsu=×∑(fsu×AS)

i——覆蓋土層的層數(shù)

Qbu——樁端極限端阻力Qbu=fbu×Ab

fsu——每層覆蓋土層的單位樁側(cè)極限摩阻力

fbu——單位樁端極限端阻力

As——樁的樁身側(cè)面積

Ab——樁的樁端地面積

Fs——樁側(cè)摩阻力安全分項(xiàng)系數(shù)

Fb——樁端端阻力安全分項(xiàng)系數(shù)

Fg——樁的綜合安全系數(shù)

二、嵌巖區(qū)域荷載傳遞機(jī)理

相對(duì)于樁身土體部分的側(cè)阻承載力而言，樁嵌巖區(qū)域的承載能力的確定比較困難，具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，其主要原因在于嵌巖區(qū)域的荷載傳遞機(jī)理比較復(fù)雜，同時(shí)影響該區(qū)域承載能力發(fā)揮的因素眾多。嵌巖樁嵌巖區(qū)域的承載能力主要可以分為嵌巖區(qū)域的樁側(cè)摩阻力和樁端端阻力。

在豎向荷載作用下，樁側(cè)摩阻力和樁端端阻力對(duì)荷載的分擔(dān)情況跟樁的嵌巖深度和樁徑比、樁身混凝土和基巖彈性模量的比值等因素有關(guān)。Osterberg和Gill等人對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并總結(jié)繪制了相應(yīng)的荷載分布圖（圖1）。由圖可知，嵌巖部分的樁側(cè)摩阻力分布沿嵌巖位置的加深而減小，同時(shí)，當(dāng)嵌巖深度和樁徑比大于4時(shí)，全部的荷載將由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，樁的端阻力不再發(fā)揮作用。

圖1 樁嵌巖部分樁側(cè)摩阻力分布圖

（引至 Osterberg,J.O.andGill,S.A.,Loadtransfer mechanismsforpiers socketed in hard soils or rock,Proceedings of the Ninth Canadian Symposium on Rock Mechanics,Montreal,Quebec,Canada,pp.235-262,1973.)

同時(shí)對(duì)于在豎向荷載作用下，對(duì)嵌巖樁嵌巖區(qū)域樁側(cè)摩阻力和樁端端阻力隨樁身位移的發(fā)展，前人也做了大量的研究，研究表明：嵌巖區(qū)域樁側(cè)摩阻力對(duì)樁身位移較樁端端阻力敏感，通常在樁身位移達(dá)到5mm時(shí)，樁側(cè)摩阻力就得到了充分的發(fā)展，而樁端端阻力的發(fā)展尚不足40%。由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中，幾乎所有的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)樁在荷載下的位移都有嚴(yán)格的控制，不允許樁基礎(chǔ)出現(xiàn)過(guò)大的豎向位移。因而,如果是采用濕作業(yè)方式施工，同時(shí)樁底的清孔得不到有效保證，即便是在嵌巖區(qū)域樁的樁端端阻力比樁的樁側(cè)摩阻力高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍的情況下，在樁的設(shè)計(jì)時(shí)偏于保守的忽略樁端端阻力對(duì)荷載抵抗作用（Tomlinson,el1986)。但同時(shí)也有相關(guān)的規(guī)范（如英國(guó)規(guī)范BS 8004、香港規(guī)范DB 2004a），根據(jù)該地區(qū)長(zhǎng)期的樁基荷載試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出了在保證足夠嵌巖深度前提下不同基巖的樁基嵌巖區(qū)域綜合承載能力的設(shè)計(jì)允許值，由于規(guī)范規(guī)定的嵌巖深度往往比較深，達(dá)到3倍的樁徑，使得設(shè)計(jì)偏于保守，不經(jīng)濟(jì)。

三、嵌巖區(qū)域樁側(cè)摩阻力的確定

如上所述，嵌巖樁嵌巖區(qū)域樁側(cè)摩阻力在豎向荷載的作用下優(yōu)先得到發(fā)展，因而采用樁側(cè)摩阻力來(lái)設(shè)計(jì)嵌巖樁更趨于合理，使設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)，因?yàn)闃兜那稁r深度可以根據(jù)豎向荷載的大小由計(jì)算決定。

對(duì)于嵌巖區(qū)域樁側(cè)摩阻力的允許設(shè)計(jì)值的選取，不同的規(guī)范根據(jù)不同地區(qū)的樁基試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)亦總結(jié)出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)：如香港地區(qū)的規(guī)范根據(jù)巖石的分類(lèi)情況規(guī)定樁側(cè)的摩阻力的允許設(shè)計(jì)值介于0.5～1.0MPa之間；馬來(lái)西亞地區(qū)根據(jù)Neoh,Thorne等人的研究成果對(duì)樁側(cè)摩阻力的允許設(shè)計(jì)值進(jìn)行的規(guī)定：石灰?guī)r為0.3～1.0MPa，砂巖為0.1uc q，頁(yè)巖為0.05uc q，對(duì)于uc q大于30MPa的花崗巖為1.0～1.5MPa，其中uc q為巖樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。除了規(guī)范規(guī)定相應(yīng)的嵌巖區(qū)域的樁側(cè)摩阻力的允許設(shè)計(jì)值以外，由Rosenbeng&Journeaux （1976）、Horvath（1978）、Williams&Pells（1981）等人提出的由半經(jīng)驗(yàn)公式確定的樁基嵌巖區(qū)域樁側(cè)摩阻力的方法，也在世界上多數(shù)地區(qū)（如歐洲、馬來(lái)西亞、斯里蘭卡-ICTAD規(guī)范）得到了廣泛的運(yùn)用。該公式主要考慮了巖樣的抗壓強(qiáng)度和基巖的節(jié)理對(duì)摩阻力的影響，可簡(jiǎn)單的表示為：uc sfq=××αβ式3

其中：

sf——嵌巖區(qū)域樁側(cè)極限摩阻力；

α——和巖樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度uc q有關(guān)的折減系數(shù)（圖2）；

β——和基巖節(jié)理間距有關(guān)的修正系數(shù)（圖3）；

ucq——巖樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2 極限摩阻力和巖樣抗壓強(qiáng)度相關(guān)的修正系數(shù)α（引至Tom l i nson 2005）

圖3 極限摩阻力和基巖完整性相關(guān)的修正系數(shù) β（引至Tom l i nson 2005）

對(duì)已由以上公式求得樁側(cè)摩阻力，在設(shè)計(jì)的工程中，應(yīng)根據(jù)本文“安全系數(shù)”部分的要求，除以相應(yīng)的安全系數(shù)。

對(duì)于科倫坡港南集裝箱碼頭項(xiàng)目辦公樓和龍喜國(guó)際佛教大學(xué)項(xiàng)目行政樓等建筑物的嵌巖灌注樁，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，均采用僅考慮嵌巖區(qū)域樁端阻力的設(shè)計(jì)方法（經(jīng)驗(yàn)法），而未考慮樁側(cè)摩阻力對(duì)承載能力的影響。在這種情況下，樁的嵌巖深度，巖石端阻力均由個(gè)人經(jīng)驗(yàn)確定，使得樁的承載能力設(shè)計(jì)取值存在很大的差異，使得樁的安全性和經(jīng)濟(jì)性很難得到準(zhǔn)確的評(píng)估。

四、結(jié)論

由于目前斯里蘭卡地區(qū)的嵌巖樁基的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)，不同設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)成果差異性很大，可能造成樁基的安全性和經(jīng)濟(jì)性得不到很好的保證；同時(shí)作為中國(guó)承包商，由于對(duì)斯里蘭卡的地質(zhì)條件不熟悉，甚至知之甚少，在行使EPC和DB合同的設(shè)計(jì)時(shí)，樁基的設(shè)計(jì)將會(huì)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)本文對(duì)樁基嵌巖區(qū)域承載能力計(jì)算的研究，可以得到如下結(jié)論：

1、對(duì)于濕作業(yè)的嵌巖灌注樁，樁端承載能力的發(fā)展需要樁體發(fā)生很大的位移，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎考慮這部分承載力對(duì)荷載抵抗的作用。

2、采用經(jīng)驗(yàn)法確定樁基承載能力，使得樁基嵌巖深度的確定存在很大的隨意性，使得樁的安全性和經(jīng)濟(jì)性很難得到保證。

3、為克服上述不確定性，推薦嵌巖灌注樁設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算嵌巖區(qū)域的摩阻力，同時(shí)通過(guò)打試驗(yàn)樁驗(yàn)證樁基的承載能力，保證設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性。