嵌巖樁的極限端阻力發(fā)揮特性及其端阻力系數(shù)

魯先龍，乾增珍，楊文智，鄭衛(wèi)鋒

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100191；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

嵌巖樁作為承受大型建(構(gòu))筑物荷載的主要基礎(chǔ)型式，已在工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于嵌巖樁具有承載力大、試驗(yàn)費(fèi)用高、難以進(jìn)行破壞性試驗(yàn)等特點(diǎn)，系統(tǒng)且完整的靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不多，從而制約了人們對(duì)嵌巖樁承載性狀的全面認(rèn)識(shí)[1-2]。目前，各行業(yè)規(guī)范對(duì)嵌巖樁承載力計(jì)算主要是經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)較多[3]，設(shè)計(jì)方法及其參數(shù)取值也不盡相同，其原因主要源于對(duì)嵌巖樁荷載傳遞機(jī)理與承載性狀認(rèn)識(shí)存在偏差[4]。

中國(guó)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]認(rèn)為嵌巖樁是端承樁，按端承樁設(shè)計(jì)。但學(xué)術(shù)界和工程界都普遍認(rèn)為，嵌巖樁抗壓承載力主要由基巖上覆土層樁側(cè)阻力、嵌巖段樁側(cè)阻力和樁端阻力3部分組成，這已體現(xiàn)在中國(guó)相關(guān)規(guī)范[6-9]所給出的嵌巖樁承載力設(shè)計(jì)方法中。魯先龍等[10]通過(guò)收集整理嵌巖樁豎向下壓承載力試驗(yàn)成果，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強(qiáng)度對(duì)嵌巖樁嵌巖段樁側(cè)極限阻力和巖石極限側(cè)阻力系數(shù)的影響規(guī)律，建立了嵌巖段巖石極限側(cè)阻力系數(shù)與巖石單軸抗壓強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系式，給出了不同可靠度水平下巖石側(cè)極限阻力系數(shù)取值建議。但大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明[11-14]，嵌巖樁在豎向荷載作用下，樁體首先發(fā)生豎向位移，樁體和樁側(cè)巖土體之間發(fā)生相對(duì)位移，樁頂荷載通過(guò)樁側(cè)巖土體阻力逐漸傳遞至樁端，嵌巖段樁側(cè)阻力一般先于樁端阻力發(fā)揮。嵌巖樁巖石端阻力發(fā)揮過(guò)程更加復(fù)雜，研究嵌巖樁極限端阻力發(fā)揮特征將具有重要的理論和實(shí)踐意義。

本文收集整理了學(xué)者們?cè)诓煌瑫r(shí)期、不同地區(qū)、不同巖石強(qiáng)度和不同嵌巖條件下所完成的165個(gè)嵌巖樁豎向下壓承載力試驗(yàn)成果，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強(qiáng)度對(duì)嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數(shù)的影響規(guī)律，建立了嵌巖樁極限端阻力及端阻力系數(shù)與巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系式，可為嵌巖樁極限端阻力計(jì)算提供借鑒。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集與整理

1.1 數(shù)據(jù)收集

所收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于34篇文獻(xiàn)[15-48]，共165個(gè)嵌巖樁豎向下壓承載力試驗(yàn)結(jié)果，主要包括嵌巖段巖石類(lèi)型、嵌巖段樁徑d、嵌巖深度hr、巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度σc以及嵌巖樁極限端阻力qp等。相關(guān)文獻(xiàn)作者與發(fā)表時(shí)間列于表1。全部嵌巖樁嵌巖條件及其極限端阻力試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表1 文獻(xiàn)作者與年代[15-48]Table 1 Authors and years for the references in this study[15-48]

當(dāng)前，學(xué)者們都通常定義嵌巖樁極限端阻力qp和巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc之間的比值為嵌巖樁極限端阻力系數(shù)，記為ξp，即

ξp=qp/σc

(1)

根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果，按式(1)得到各試驗(yàn)基礎(chǔ)的極限端阻力系數(shù)ξp值，結(jié)果也列于表2。

這里需特別說(shuō)明，引用文獻(xiàn)的試驗(yàn)工作是不同時(shí)期、不同地區(qū)學(xué)者，分別在不同巖石類(lèi)型與強(qiáng)度、不同樁端嵌巖條件下完成的，作者對(duì)嵌巖樁極限端阻力的測(cè)試方法、極限承載力確定原則等方面也不盡相同。本文分析中均直接采用了原文獻(xiàn)結(jié)果，這種方法分析得到的研究結(jié)論將更具一般性。

注：1)基礎(chǔ)編號(hào)中“/”的前一個(gè)數(shù)字代表文獻(xiàn)序號(hào)、后一個(gè)數(shù)字代表該文獻(xiàn)中試驗(yàn)基礎(chǔ)個(gè)數(shù)的序號(hào)。2)表中“—”表示原文獻(xiàn)中無(wú)相應(yīng)數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)整理與分析

如表2所示，嵌巖樁抗壓承載性能差異主要由嵌巖段巖體性質(zhì)和樁端嵌巖特征不同引起。樁端嵌巖特征主要包括樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比。表2中，嵌巖段巖石主要包括黏土巖、頁(yè)巖、泥頁(yè)巖、砂礫巖、石膏巖、石灰石、凝灰?guī)r和角礫巖等多種類(lèi)型。

中國(guó)規(guī)范[49]指出，影響巖體性質(zhì)的因素主要是巖石物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造發(fā)育情況、荷載(工程荷載和初始應(yīng)力)、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、幾何邊界條件、水的賦存狀態(tài)等。在這些因素中，巖石堅(jiān)硬程度則是反映巖體基本特性的一個(gè)重要因素。這里還需要特別說(shuō)明的是，規(guī)范[49]中巖石堅(jiān)硬程度是按巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度大小進(jìn)行劃分，而本文所引用文獻(xiàn)中的巖石強(qiáng)度σc均為巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度，這是二者的不同。

2 巖石極限端阻力與端阻力系數(shù)影響因素

根據(jù)表2所收集與整理的嵌巖樁端阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強(qiáng)度對(duì)嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數(shù)的影響規(guī)律。

2.1 樁徑

圖1和圖2分別為嵌巖樁極限端阻力及端阻力系數(shù)隨樁徑變化的規(guī)律。圖1和圖2結(jié)果表明，樁徑對(duì)嵌巖極限樁端阻力影響并不顯著，嵌巖樁極限端阻力與樁徑之間無(wú)明顯相關(guān)性。樁端阻力系數(shù)總體隨樁徑增加而呈下降趨勢(shì)，當(dāng)樁徑小于0.5 m時(shí)尤為明顯，當(dāng)樁徑大于0.5 m后，這種下降趨勢(shì)表現(xiàn)得并不顯著。

圖1 嵌巖樁極限端阻力隨樁徑變化Fig.1 Variation of ultimate end-bearing capacity with diameter of the pile socketed into

圖2 嵌巖樁端阻力系數(shù)隨樁徑變化Fig.2 Variation of ultimate end-bearing resistance factor with diameter of the pile socketed into

2.2 嵌巖深度

嵌巖深度不僅影響嵌巖段側(cè)阻力發(fā)揮性狀，對(duì)樁端分擔(dān)的荷載大小也有較大影響。此外，嵌巖深度也直接關(guān)系到嵌巖樁應(yīng)用的安全性和經(jīng)濟(jì)性。嵌巖深度大，雖安全可靠，但施工難度大、費(fèi)用高。反之，嵌巖深度過(guò)小，若樁端巖性差，嵌巖樁承載力和沉降可能不滿足上部結(jié)構(gòu)要求。圖3給出了嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深度變化規(guī)律。

圖3 嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深度變化Fig.3 Variation of ultimate end-bearing capacity with depth of the pile socketed into

圖3表明，嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深度變化雖有一定離散性，但總體上隨嵌巖深度增加而略有減小，這與Rowe等[50]研究結(jié)論一致。即在一定嵌巖深度范圍內(nèi)，增加嵌巖深度可提高嵌巖樁承載力，但超過(guò)一定深度后，嵌巖深度的增加對(duì)單樁承載力幾乎沒(méi)有影響，即嵌巖樁存在最佳嵌巖深度，這也與我國(guó)學(xué)者對(duì)嵌巖深度普遍看法一致，嵌巖樁存在最佳嵌巖深度，可使嵌巖段樁側(cè)阻力和樁端阻力發(fā)揮最為協(xié)調(diào)和充分。但不同學(xué)者對(duì)最佳嵌巖深度取值研究結(jié)論也不一致。黃求順[12]認(rèn)為最佳嵌巖深度為3d，而劉興遠(yuǎn)等[51]認(rèn)為一律將嵌巖深度取為3d不合理，應(yīng)根據(jù)樁端所嵌入巖體狀態(tài)確定。明可前[52]通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為最佳嵌巖深度為4d。許錫賓等[53]認(rèn)為硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖最佳嵌巖深度分別取3d和5d較合理。

2.3 嵌巖深徑比

圖4為嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深徑比hr/d的變化規(guī)律。結(jié)果表明，嵌巖樁極限端阻力總體隨嵌巖深徑比的增大而減小，這與史佩棟等[13]統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果一致。史佩棟等[13]根據(jù)150根嵌巖樁下壓實(shí)測(cè)結(jié)果，繪制了嵌巖樁極限端阻分擔(dān)荷載比與樁身嵌巖深徑比hr/d之間的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，嵌巖樁極限端阻力總體隨嵌巖深徑比的增大而減小，當(dāng)1.0

圖4 嵌巖樁極限端阻力隨嵌巖深徑比變化Fig.4 Variation of ultimate end-bearing capacity with the ratio of rock socketed depth to

中國(guó)樁基規(guī)范[6]中嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)是隨嵌巖深度變化而變化的，在較小嵌巖深徑比下，嵌巖段總阻力的發(fā)揮程度隨嵌巖深度的增加而增大，而隨著嵌巖深度繼續(xù)增加，嵌巖段總阻力發(fā)揮程度有所變緩，嵌巖樁極限端阻力系數(shù)存在深度效應(yīng)。圖5給出了嵌巖樁極限端阻力系數(shù)隨嵌巖深徑比變化規(guī)律，也給出了規(guī)范[6]中二類(lèi)巖石強(qiáng)度條件下，嵌巖樁極限端阻力系數(shù)隨嵌巖深徑比變化曲線。

從圖5可看出，對(duì)極軟巖和軟巖(巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度≤15 MPa)、較硬巖和硬巖(巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度>30 MPa)，中國(guó)規(guī)范取值總體偏小。同時(shí)，圖5中端阻力系數(shù)與嵌巖深徑比之間并無(wú)明顯的相關(guān)性。而中國(guó)規(guī)范[6]中嵌巖樁端阻力系數(shù)取值與嵌巖深徑比相關(guān)，隨嵌巖深徑比增加而略有下將，這與收集整理的試驗(yàn)結(jié)果并不吻合。

圖5 嵌巖樁端阻力系數(shù)隨嵌巖深徑比變化Fig.5 Plots of ultimate end-bearing resistance factor with the ratio of rock rocketed depth to

2.4 巖石強(qiáng)度

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，可得到嵌巖樁極限端阻力隨巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，如圖6所示。為便于更加直觀地比較，將圖6結(jié)果采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸表示，如圖7所示。圖6和圖7表明，嵌巖樁極限端阻力隨巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度增加而呈非線性增加，可采用式(2)進(jìn)行擬合。

qp=4.99σc0.30

(2)

圖6 嵌巖樁極限端阻力隨巖石強(qiáng)度變化關(guān)系Fig.6 Ultimate end-bearing capacity versus unconfined compressive strength of

圖7 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸下嵌巖樁極限端阻力隨巖石強(qiáng)度變化Fig.7 Log-log plots of ultimate end-bearing capacity versus unconfined compressive strength of

圖8給出了嵌巖樁端阻力系數(shù)隨巖石單軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。嵌巖樁端阻力系數(shù)隨巖石單軸抗壓強(qiáng)度增加而下降，可采用式(3)擬合。

ξp=4.99σc-0.70

(3)

圖8 嵌巖樁端阻力系數(shù)隨巖石強(qiáng)度變化關(guān)系Fig.8 Ultimate end-bearing resistance factor versus unconfined compressive strength of

顯然，式(3)與按照式(1)、式(2)計(jì)算的結(jié)果一致。

與嵌巖段樁的極限側(cè)阻力研究[10]相似，國(guó)外學(xué)者也都是通過(guò)樁端阻力系數(shù)將嵌巖樁極限端阻力和巖石單軸抗壓強(qiáng)度聯(lián)系在一起，嵌巖樁極限側(cè)阻力和巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度之間的典型關(guān)系式如表3所示。圖9給出了嵌巖樁端阻力系數(shù)隨巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度變化的結(jié)果比較。

表3 嵌巖段樁的極限側(cè)阻力表達(dá)式Table 3 Summary of equations of ultimate end-bearing capacity for piles rocketed into the rocks

從圖9可看出，基于收集整理的165個(gè)嵌巖樁端阻力試驗(yàn)成果，所給出的嵌巖樁端阻力系數(shù)和巖石單軸抗壓強(qiáng)度之間的擬合結(jié)果總體偏于安全，可作為今后工程設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。

圖9 嵌巖樁端阻力系數(shù)隨巖石單軸抗壓強(qiáng)度變化結(jié)果比較Fig.9 Comparison of end-bearing resistance factor against the unconfined compressive strength of

3 結(jié)論

根據(jù)165個(gè)嵌巖樁端阻力試驗(yàn)成果，分析了樁徑、嵌巖深度、嵌巖深徑比和巖石強(qiáng)度對(duì)嵌巖樁極限端阻力和端阻力系數(shù)的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)嵌巖樁極限端阻力與樁徑間無(wú)顯著相關(guān)性，但其總體上隨嵌巖深度、嵌巖深徑比增加而略有減小。嵌巖樁極限端阻力qp隨巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc增加而呈非線性增加，可采用qp=4.99σc0.30進(jìn)行擬合。

2)巖石強(qiáng)度是影響嵌巖樁極限端阻力系數(shù)的最主要因素，可采用ξp=4.99σc-0.70擬合嵌巖樁端阻力系數(shù)與巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。

3)嵌巖樁端阻力系數(shù)隨樁徑、嵌巖深度增加而略呈下降趨勢(shì)，但二者之間相關(guān)性并不顯著。嵌巖樁極限端阻力系數(shù)與嵌巖深徑比之間無(wú)顯著相關(guān)性。中國(guó)現(xiàn)行樁基規(guī)范[6]中嵌巖樁端阻力系數(shù)取值總體偏小，且其取值與嵌巖深徑比相關(guān)，隨嵌巖深徑比增加而減小，這與本文試驗(yàn)分析結(jié)果并不吻合。