淺析嵌巖樁設計

嵌巖樁設計一、概述嵌巖樁以其樁端嵌入巖層而得名。其在我國已廣泛應用與建筑、市政、橋梁工程，港口碼頭工程等工程領域。由于嵌巖樁的承載現(xiàn)狀及設計施工方法的特殊性，近年來備受我國工程界和學術(shù)界的高度關注，紛紛立題進行研究。人們傳統(tǒng)的觀念和國內(nèi)外許多教科書及標準〔如《建筑地基根底設計標準》GB50007-2002〕都曾把嵌巖樁作為端承樁的典型。許多國家標準規(guī)定當樁端嵌入完整的硬質(zhì)巖層時，按樁端巖石的承載力計算單樁承載力，而不考慮其樁側(cè)阻力。然而大量的試驗研究工作說明，很多情況下增加嵌巖深度及擴大端承面積無助于調(diào)動基巖的端承作用，卻更加使得施工難度增加，工程造價增大，且工期延長。因此對嵌巖樁受力機理的探討及研究顯得非常的必要。二、嵌巖樁的主要類型根據(jù)近十多年來施工工藝及設備的不斷開展，目前在建筑、市政、公路橋梁、港口碼頭等工程領域，所應用的嵌巖樁大致可分為：而作為建筑工程中廣泛采用的為等直徑的人工挖孔或鉆孔灌注樁以及帶擴大頭的人工挖孔樁。三、嵌巖樁受力根本特性國外嵌巖樁的應用與研究開展的比擬早。Reese等于1668年發(fā)表了世界上比擬早的一根埋設量測元件的嵌巖樁樁頂荷載隨深度變化的試驗報告，該報告中樁長5.5米，樁徑0.76米，長徑比L/d=11.7，嵌巖深度hr=4.2d(d為樁徑)，持力層為巖土頁巖，實測結(jié)果說明：樁端反力約占總荷載的15~25%。美國自由廣場一號樓下的一根L=8.8m，L/d=3.4，嵌巖深度hr=1.65d的嵌巖樁，從成樁至上部結(jié)構(gòu)竣工后持續(xù)兩年多的觀測說明：在不同的荷載水平下，樁頂始終有60%~70%的荷由樁側(cè)承當，國內(nèi)對嵌巖樁承載性能的研究開始于上個世紀七十年代，在四川某橋梁工地實測的一根樁徑0.6m，樁嵌入砂質(zhì)粉土頁巖3米，無覆蓋層的荷載傳遞曲線說明，該樁側(cè)阻在總荷載中所占比例為88%，而樁端阻力僅為12%。80年代廣東洛溪大橋嵌巖樁進入泥質(zhì)砂巖3.0米，樁長28.5米，樁徑1米，實際測得樁端荷載在總荷載中所占比例為11%。嵌巖樁的承載和變形性狀受到許多因素的影響，十分復雜，通過國內(nèi)外大量試樁資料的分析，可以將嵌巖樁的承載性能的根本特征歸納為如下幾個方面：在通常情況下，當L/d<20時，Q端/Q總自100%減少到30%；當20<L/d<64時，Q端/Q總一般不超過20%，不少樁在L/d=10~15之間開始起作用。對L/d在15~20之間的泥漿護壁的沖〔鉆〕孔嵌巖樁，不管嵌入的巖層為完整的還是風化的巖石，其荷載傳遞特征都具有摩擦樁的性質(zhì)：即樁側(cè)阻力先于樁端阻力發(fā)揮出來。對短粗的人工挖孔嵌巖樁，其端阻力先于側(cè)阻力發(fā)揮出來，且其端阻力可分擔80%以上的荷載，明顯具有端承樁的特點。嵌巖樁成為端承樁的條件大致為：a〕樁短而粗，L/d很小且嵌巖不深〔例如hr/d<0.5〕樁底沉渣已被去除，這類樁受荷后樁身彈性壓縮小，樁土相對位移和樁身整體位移都較小。b)樁雖長，但覆蓋土層性質(zhì)差或受水位沖刷等影響，潛在的摩阻力小，殘積土或風化巖層厚度小，樁端嵌巖不深，而施工沉渣去除較好，這類樁受荷后樁端產(chǎn)生少量位移即能調(diào)動樁端阻力，故承當大局部樁端荷載。c)樁雖較長，但覆蓋層為嵌固結(jié)土，濕陷性黃土或松散填土并且將產(chǎn)生負摩阻力的情況。圖-6表示嵌巖樁的荷載傳遞曲線，從圖中可以看出無論是嵌入強風化還是嵌入新鮮巖中的樁，樁身荷載〔軸力〕約隨深度遞減，這說明基巖以上覆蓋土層的側(cè)阻力在樁身變形中同樣可以被調(diào)動起來。圖-6嵌巖樁的荷載傳遞曲線a)嵌入強風巖；b)嵌入新鮮基巖4〕對于嵌巖樁光滑的嵌巖樁，嵌巖段側(cè)阻力在較小的位移就可以充分發(fā)揮，在hr=0.5時到達最大，嵌巖段側(cè)阻的傳遞深度不大于5d，固而標準中也明確表示嵌巖深度大于5d無助于承載力的提高。當嵌巖段粗糙時，嵌巖段側(cè)阻力發(fā)揮較為平穩(wěn)，側(cè)阻力傳遞深度較大，不出現(xiàn)明顯的脆性破壞，承載力顯著提高，沉降明顯減少。5〕盡管一般情況下嵌巖樁明顯地表現(xiàn)為摩擦樁的工作現(xiàn)狀，但由于其樁端持力層強度較高，因而群樁效應不明顯。四、影響嵌巖樁承載性能的因素影響嵌巖樁承載性能的因素是多種多樣的，并且各種因素的作用往往并不獨立，而是結(jié)合在一起發(fā)揮作用，這就使得嵌巖樁的承載性能變化更為復雜。影響嵌巖樁承載性能的因素總體上可歸納為：①樁的嵌巖深度②樁的直徑③樁端巖石和樁側(cè)巖石的模量④樁側(cè)巖石的粗糙度⑤樁底沉渣的厚度⑥巖石的節(jié)理發(fā)育情況⑦巖體中的應力水平樁的嵌巖深度對于承載力的影響。首先，嵌巖深度影響嵌巖樁側(cè)阻力的分布模式和嵌巖樁的破壞形式。假設嵌巖深度較淺，那么樁端將形成楔形破壞面，同時，樁端發(fā)生位移及旋轉(zhuǎn)，假設嵌巖樁深度較深，那么樁端發(fā)生錐形破壞面，相對而言，樁的承載力的后續(xù)潛力較大。其次，嵌巖深度直接影響承載力的大小。根據(jù)試驗的資料，嵌巖樁側(cè)阻系數(shù)的發(fā)揮與嵌巖深度比hr/d有直接關系，現(xiàn)行樁基標準中hr/d=2.0，側(cè)阻力發(fā)揮最大，而隨著嵌巖深度的增加，側(cè)阻力又趨減少，但這僅是一般情況，實際上對不同的樁型及巖層，嵌巖深度對側(cè)阻力的影響規(guī)律不盡相同，對深長樁而言，嵌巖深度對承載力影響減小，而對上部土層較差，樁長較短時，其影響程度更大一些。樁直徑的影響從樁的承載力公式中可以看出，增大樁徑對提高樁的承載力是有益的，對嵌巖樁也是如此，但由于樁徑的增大，承載力的增加僅在一定的范圍，當樁徑加大到一定程度，承載力增加不明顯或增加比例減少，其原因在于隨著樁徑增加，樁側(cè)巖土的應力釋放加大，導致樁側(cè)阻力下降，從而導致樁側(cè)阻力沒有按比例同步增加，因此在設計大直徑樁時應予注意。3)巖石模量對嵌巖樁承載力的影響巖石與樁的模量比愈大，其承載力愈高，承載力與其比值的對數(shù)大致呈直線關系。模量的比值也影響樁側(cè)與樁端承載力的比值分配，對巖石模量較小時，樁端承當?shù)暮奢d較大，其破壞不僅發(fā)生在樁側(cè)，也發(fā)生在樁端，樁端呈現(xiàn)抗裂和屈服，其荷載位移關系呈明顯的曲線，位移的大小可能成為承載力的控制因素，正如天然地基類似，變形是確定承載力的控制因素一樣，盡管嵌巖樁總體沉降結(jié)果一般均小于20mm，但對于較軟的巖層，也應注意控制樁頂?shù)呢Q向位移。4〕巖石的成層性巖石的成層性導致巖石總體強度的降低，特別較弱的夾層的有無，對樁的承載力有較大的影響，尤其是樁端以下的軟弱層?，F(xiàn)行標準要求樁端以下3倍樁徑不得存在軟弱層，樁端以下5～6倍樁徑不得存在溶洞、洞穴等，除非計算樁端巖石能夠滿足抗壓、抗剪及沖切和變形的要求，對于存在軟弱夾層的情況，可采用現(xiàn)場載荷試驗確定最終的端阻力。5〕樁底沉渣對承載力的影響從實際工程的試驗情況看，樁底沉渣除了降低樁端阻力之外，還要降低樁側(cè)的阻力，這是因為樁側(cè)阻力是由于樁與樁側(cè)土之間的相對位移產(chǎn)生的，并且在樁頂不同荷載水平下自下而上逐漸發(fā)揮，當樁端無沉降時，靠近樁端處樁與樁間土之間的位移不會很大，隨著作用在樁頂荷載的增加，樁側(cè)阻力緩慢增加，而當樁端有較厚的沉渣時，隨著樁頂荷載的增加靠近樁端處樁與樁端土迅速滑移，發(fā)生破壞，從而降低樁側(cè)阻力。相對而言，樁底沉渣對短樁的影響較大，現(xiàn)行的《港口工程嵌巖樁設計與施工標準》及南京的地基根底標準均要求根據(jù)沉渣厚度對樁端阻力進行折減，而現(xiàn)行國家標準，GB50007-2002第8.5.5條也有相關的規(guī)定，而現(xiàn)行樁基標準JGJ94-94中那么通過對端阻系數(shù)折減來考慮沉渣厚度的影響，由此可見，沉渣厚度對承載力的影響較大。6〕影響嵌巖樁承載性狀的其他因素1、軟弱下臥層對嵌巖樁的影響一般認為其影響范圍為3倍的樁端直徑，持力層以下巖層厚度小于3倍樁端直徑時，應進行下臥層驗算。2、孔壁粗糙度的影響一般來說，孔壁粗糙時，樁－巖之間剪切峰值大，而孔壁光滑時，剪切峰值小；孔壁粗糙時，峰值位移大，孔壁光滑時，峰值位移?。豢妆诖植跁r，剩余后續(xù)強度大，而孔壁光滑時，剩余后續(xù)強度低，一旦超過，其剪切強度迅速降低。3、巖體應力水平與嵌巖樁承載力的影響巖體的初始應力水平對嵌巖樁承載力的影響是可以忽略的，但在某種情況下，初始應力增大，相應樁側(cè)阻力的峰值也會有所提高，初始應力的影響程度取決于開挖時間，混凝土澆筑時間和荷載試驗進行的時間。一般說來，開挖時間和澆筑時間間隔越短，初始應力的影響就越大。五、嵌巖樁承載力的計算比擬現(xiàn)在我們用南京鼓樓地塊工程的樁來分析一下用不同標準計算得出的結(jié)果。取￠1000樁徑考慮Ap=0.785m2G1孔土層編號土層名稱土層厚度〔m〕樁側(cè)極限摩阻力標準值(kpa)樁端極限端阻力標準值(kpa)frk(kpa)3-2粉質(zhì)粘土7.5524殘積土2.4705-1強風化安山巖2.61305-2a中風化安山巖2.542077008430∑=15mG9孔土層編號土層名稱土層厚度〔m〕樁側(cè)極限摩阻力標準值(kpa)樁端極限端阻力標準值(kpa)frk(kpa)3-2粉質(zhì)粘土2.5523-3粉質(zhì)粘土0.9664殘積土3.7705-1強風化安山巖5.41305-1a中風化安山巖2.542077008430∑=15mRa=qpaAp+up∑qsiali式中Ra—單樁豎向承載力特征值；qpa，qsia—樁端端阻力、樁側(cè)阻力特征值，由當?shù)仂o載荷試驗結(jié)果統(tǒng)計分析算得；Ap—樁底端橫截面面積；up—樁身周邊長度；li—第i層巖土的厚度。高層建筑巖土Qu=usqsisli+urqsirhri+qprAp式中Qu—嵌入中風化、微風化或未風化巖石中的灌注樁單樁豎向極限承載力〔KN〕；us、ur—分別為樁身在土層、巖層中的周長〔m〕；qsis、qsir—分別為第i層土、巖的極限側(cè)阻力〔KPa〕；qpr—巖石極限端阻力〔KPa〕；hri—樁身全斷面嵌人第i層中風化、微風化巖層內(nèi)長度〔m〕。港口工程嵌巖樁設計規(guī)程〔JTJ285-2000〕Qcd=式中u1—覆蓋層樁身周長〔m〕；u2—嵌巖段樁身周長〔m〕；ξfi—樁周第i層土的側(cè)阻力計算系數(shù)；樁徑D≤1.0米時，巖面以上的10D范圍的覆蓋層取0.5～0.7，10D以上的為1.0.樁徑D>1.0米時，巖面以內(nèi)的10米以內(nèi)范圍的覆蓋層取0.5～0.710米以上范圍的覆蓋層取1.0qfi—樁周第i層土的極限側(cè)阻力標準值〔KPa〕；li—樁穿過第i層土的厚度〔m〕；frc—巖石飽和單軸抗壓強度標準值〔KPa〕；嵌巖段樁端面積〔m2〕；hr—樁身嵌入基巖的深度〔m〕；rcs—覆蓋層單樁軸向受壓承載力分項系數(shù)，灌注樁取1.65；Quk=Qsk+Qrk+Qpk=uξsiqsikli+uξsfrchr+ξpfrcAp式中Qsk、Qrk、Qpk—分別為土的總極限側(cè)阻力、嵌巖段總極限側(cè)阻力、總極限端阻力標準值；ξsi—覆蓋層第i層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)；qsik—樁周第i層土的極限側(cè)阻力標準值,根據(jù)成樁工藝取值；frc—巖石飽和單軸抗壓強度標準值〔KPa〕；hr—樁身嵌入基巖的深度〔m〕；ξs、ξp—嵌巖段側(cè)阻力和端阻力修正系數(shù)，與嵌巖深徑比hr/d有關，按表5.2.11采用。Quk=Qsk+Qrk+mQpk=Uξs∑QskiLsi+Uξsfrkhr+m0ξsfrkAp式中Qsk—土的總側(cè)阻力，當樁徑的長徑比小于或等于5時，Qsk=0；Qrk—嵌巖段巖石的總側(cè)阻力〔KN〕，Qrk=〔1/10~1/12〕UfruhrU—樁截面周長(m)；fru—巖石的極限承載力標準值〔KPa〕，可通過載荷試驗確定；hr—樁身嵌入基巖的深度〔m〕；Qpk—總端阻力〔KN〕，Qpk=frkAp；Ap—樁底面積〔m2〕；m0—清孔影響系數(shù)。Qski—個土層極限側(cè)阻力〔KPa〕；frk—巖石單軸極限抗壓強度〔KPa〕；ξs、ξr、ξp—分別為樁間土側(cè)阻力，嵌巖段側(cè)阻力及端阻力修正系數(shù)。表中數(shù)值為在不同標準下計算得出的單樁承載力特征值?！矄挝?KN〕標準孔號地基基礎標準高層建筑巖土工程勘察規(guī)程港口工程嵌巖樁規(guī)程建筑樁基技術(shù)標準南京地區(qū)地基根底標準G1孔60796077403638275683G9孔64796477426940896123比擬一下得地基與高層巖土，由于沒有系數(shù)，得出的承載力最大。另外在frc〔巖石飽和單軸抗壓強度標準值〕與qpa〔樁端巖石承載力特征值〕的取值方面也存在很大人為經(jīng)驗性。樁基標準由于折減較多，相應的承載力偏低，而港口標準與南京標準介于兩者之間，港口標準略大于樁基標準8%，南京標準略小于地基與高層巖土5%，港口與南京相差27%左右。六、嵌巖樁承載力計算及設計要點現(xiàn)行的樁基標準JGJ94-94，地基標準5007-2002，高層建筑巖土工程勘察設計標準〔JGJ72-2004〕，港口工程嵌巖樁設計與施工規(guī)程，及一些地方標準如《南京地區(qū)地基根底設計標準》DB32/112等對嵌巖樁承載力的計算均有相關的公式及要求。相對而言，嵌巖樁承載力考慮覆蓋土層的側(cè)阻力，嵌巖段的側(cè)阻力及端阻力三個局部比擬合理。Q=uξb∑skiLsi+uξrfrkhr+mξpfrkAp公式中第一項，一般不能存在問題，如果土層較差或樁長較短，自然其所占比重較小，更多的趨向于端承樁，而港工標準還根據(jù)樁徑及樁長對側(cè)阻系數(shù)進行了相關的調(diào)整。樁徑D≤1.0米時，巖面以上的10D范圍的覆蓋層取0.5～0.7，10D以上的為1.0.D>1.0米時，巖面以內(nèi)的10米以內(nèi)范圍的覆蓋層取0.5～0.710米以上范圍的覆蓋層取1.02〕公式中第二項，各標準均有所不同。港工標準及樁基標準JGJ94-94根據(jù)嵌巖強度與樁徑的比值Hr/d對嵌巖段側(cè)阻進行調(diào)整，而南京標準那么根據(jù)樁長與樁徑的比值L/d對嵌巖段側(cè)阻進行調(diào)整，而實際中這兩種因素應同時存在，而南京標準主要是根據(jù)當?shù)氐耐翆忧闆r及巖層特征得出更符合當?shù)厍闆r的經(jīng)驗公式，而樁基標準中由于嵌巖比hr/D對側(cè)阻折減太多，有可能會出現(xiàn)嵌巖強度愈多承載力愈低的奇怪現(xiàn)象，這也是不盡合理，相對而言，我們認為港工標準更為合理一些，此外必須注意的是，如果樁端采用擴大頭，那么擴大頭高度范圍內(nèi)的側(cè)阻力不應考慮，這也容易理解，樁基受力時，該范圍內(nèi)的土層與樁身有可能出現(xiàn)懸空的情況。3〕公式中的第三局部，是承載力的重要組成局部，但現(xiàn)行標準中，關于樁端阻力的計算仍存在一些問題，并不能準確反響樁端巖石的實際受力情況。a.根據(jù)巖石承載力計算嵌巖樁樁端阻力按照，Qpk=ξpfrcAp進行計算時，由于frc采用的是巖石飽和單軸抗壓強度標準值，首先對巖石的取樣存在較大的困難，而且對破碎巖石的取樣更為困難，其次位于樁端的巖石處于三向受力狀態(tài)，而采用巖體試樣進行實驗室試驗很難模擬實際的情況。最后對于遇水軟化的巖體如采用巖石飽和單軸抗壓強度那么更為不適宜，為此南京地方規(guī)程那么建議采用天然濕度抗壓強度進行計算比擬合理。b.此外，也可根據(jù)巖石的風化程度確定巖石承載力〔高層建筑巖土工程勘察規(guī)程JGJ72-2004及國家地基標準GB50007-2002〕，但這是一項經(jīng)驗性非常強的工作，只能作為輔助方法，且具有較強的地方經(jīng)驗色彩，且人為的因素的影響較大。c.相對而言，對frc采用地基標準附錄H的試驗法，采用深層載荷試驗那么更加符合實際的受力情況，采用載荷試驗的結(jié)果與巖石單軸抗壓強度的結(jié)果有時會相差好幾倍，我們認為荷載試驗的結(jié)果更為合理。最后，對巖石樁端承載力的取值，應考慮場地地下水及施工條件的影響，水軟化及只能水下澆注砼的情況，其承載力應予以折減，或采用后注漿等輔助措施，對采用人工挖孔等方式成樁，應注意采用高強度早強水泥對樁底巖石進行及時封堵，防止巖石的遇水軟化而影響強度，同時進行荷載試驗的條件與實際施工的工作條件應該一致。還有一點必須值得注意的是，對樁端巖性確實認及對軟弱夾層的關注，樁端巖性應由勘察單位進行確認，并封閉巖石樣本備查，對承載力較大的樁體應進行逐根施工勘察，勘察深度應深入持力層標高以下5～8d，對不符合上述持力層厚度時，應采用現(xiàn)場載荷試驗，確定是否繼續(xù)深入軟弱層以下，對于巖性較好，限于加載能力，加載試驗應增加到不少于設計要求承載力的兩倍。七、嵌巖樁設計的構(gòu)造要求1、嵌巖樁的端部應嵌入中等風化或微風化基巖中，其最小嵌入深度不宜小于0.5m，一般不宜超過5倍樁徑。對于極軟巖石〔單軸極限抗壓強度小于5MPa〕，可根據(jù)單樁承載力的要求適當加深嵌巖深度。2、嵌巖樁嵌入巖石的局部〔包括強風化基巖〕，澆灌的混凝土應與巖層緊密相連，對于挖孔樁，當挖至設計要求的持力層時必須及時使用混凝土封底，以免巖體侵水軟化。對于鉆孔樁，到達設計嵌巖深度后應及時清孔，樁底沉渣厚度不應超過50mm。3、嵌巖樁樁底以下存在軟弱夾層、破碎帶或溶洞時，樁底下支撐巖層的厚度為直徑的3倍且不小于2m，否那么應對支撐巖層的強度進行驗算。4、灌注型嵌巖樁嵌巖段的直徑與配筋，應根據(jù)樁的受力狀況確定，主筋宜采用變形鋼筋且不小于14mm，截面積應計算確定，且配筋率不宜小于0.4%，根數(shù)不宜小于12根，應沿周長均勻通常布置，當嵌巖孔徑小于樁徑時，嵌巖段主筋伸入上部樁內(nèi)的長度不應小于35倍主筋直徑，同樣樁內(nèi)主筋應錨入承臺35倍主筋直徑，箍筋宜采用Ⅰ級鋼，直徑不應小于6mm，間距應為200~300，在巖面上下1000范圍內(nèi)箍筋間距不應大于60mm，宜采用螺旋或焊接環(huán)式箍筋，并宜每隔2m左右焊接一道加強箍筋，其直徑不宜小于16mm。5、一般嵌巖樁的混凝土強度不低于C30，主筋的混凝土保護層厚度不小于35mm，水下灌注樁混凝土不得小于50mm。6、擴底灌注樁擴底端尺寸宜按以下規(guī)定〔見圖-7〕當持力層承載力低于樁身混凝土受壓承載力時，可采用擴底，擴底端直徑與樁身直徑比D/d，應根據(jù)承載力要求及擴底端部側(cè)面和樁端持力層土性確定，最大不超過3。擴底端側(cè)面的斜率應根據(jù)實際成孔及支護條件確定，a/hc一般取1/3~1/2，砂土取約1/3，粉土、粘性土取約1/2，矢高hb取〔0.1~0.5〕D。圖-7八、樁的承載力檢測長期以來，單樁靜載試驗一直被認為是確定樁承載力的可靠方法，但由于一般嵌巖樁承載力很高，而柱下或墻下布置的樁數(shù)很少，所以不具備采用錨樁法試樁的條件，因此只能采用堆載法進行