软土地基嵌岩桩的分析计算论文44087.doc

分类号 tu336 密 级 udc 学校代码 10500 工程硕士学位论文题 目：软土地基嵌岩桩的分析与研究 英文题目：the analysis and research of rocksocked piles in soft soil学位申请人姓名： 徐策 申请学位领域名称： 建筑与土木工程 指导教师姓名： 范瑛 徐新跃 二一年五月分类号 tu336 密 级 udc 学校代码 10500 工程硕士学位论文题 目 软土地基嵌岩桩的分析与研究 英文题目the analysis and research of rocksocked piles in soft soil研究生姓名（签名） 校内导师姓名（签名） 职 称 副教授 校外导师姓名（签名） 职 称（教授级）高级工程师 申请学位领域名称 建筑与土木工程 领域代码 论文答辩日期 2010.5 学位授予日期 学院负责人（签名） 评阅人姓名 评阅人姓名 2010年 5 月 1 日学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：2010年5月1日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要 近十几年来，嵌岩桩的应用和研究取得了长足的进步，大量的试桩资料和理论分析都从不同侧面对嵌岩桩的承载性状进行充实和完善，将嵌岩桩的应用和研究水平提高到一个新阶段。但是虽然嵌岩桩的工程应用已有比较长的历史，人们对嵌岩桩的工作性状也有了一定的认识，至今日，关于嵌岩桩的定义依然没有一个统一的标准。由于嵌岩桩所处土层、岩层的复杂性、桩身砼质量的不稳定性、施工工艺的多样性、影响嵌岩桩承载特性的因素复杂性，致使对嵌岩桩的承载性状、破坏机理存在不同的认识，甚至在嵌岩桩设计与承载力取值方面存在一些认识误区，即一方面不管嵌岩桩长径比的大小、上覆土层的土性、沉渣厚度等，一律将嵌岩桩视为端承桩进行设计；另一方面盲目增加嵌岩深度不考虑基岩的力学性状而采用扩底，从而延长工期、增加施工难度。由于嵌岩桩单桩承载力高，造价也较高，由此造成的浪费是惊人的。本文将根据国内外已有嵌岩桩工程试验数据并结合温州地区工程实例，对软土地基嵌岩桩在受荷时的轴力传递、侧阻力的发挥、桩端阻力特征、嵌岩深度、影响承载特性的因素以及嵌岩桩的设计等等问题进行探讨和分析，并得出一些对嵌岩桩的设计、施工和深入研究具有指导意义的结论。关键词：嵌岩桩；承载性状；端阻比；嵌岩深度；载荷试验标准；设计abstractover the recent decade,the application and research of rock-socked pile has made great strides. aboundant of testingl documents and theoretical analysis has further illustrated the bearancability of rocksocked pile from different aspect. moreover, it would put the application and research levels to a new stage. engineering application of rocksocked piles has a long history and people have a certain information on the performance of rock-socked piles, however, due to the following factors, such as the complexity of the rock-socketed piles and rock location, instability of concrete piles quality, the diversity of the construction process, the complexity of the factors of influencing bearing properties ,there is still not a univerdal standard to give definiton for the rock-socketed piles . the factors mentioned above also lead to the different understanding of bearing properties and damage mechanism and they even cause some misunderstanding in the design and bearing capacity of rock-socketed pile. that is to say, one hand , it is designed as end-bearing pile regardless of the size of rock-socketed piles, the casing layer of the soil, and sediment thickness;on the other hand, they increase the depth of the rocksocked blindness ly without considering the mechanical properties of bedrock , which will extend the project duration and make it more difficult. the final result is huge waste because of the good bearing capacity of the single rock-socked pile and expensive cost.basing on the testing data of rocksocked pile project at home and abroad including wenzhou projects, the thesis make a deep study and analysis on the issues as following: the axial transmission of rock-socked pile under pressure, side resistance, resistance character, rock depth, the factors which incluce bearance, design of rock pile, etc. meanwhile, it would make some conclusions which is useful to its design , process and further research. key words：rocksocked pile；bearing properties；shaft resistance；socketed length; the standard of test roading;design.目 录摘 要abstract目 录第1章 绪 论11.1前言11.2嵌岩桩理论国内外研究动态及现状1第2章 嵌岩桩的承载力性状及其影响因素32.1嵌岩桩的定义32.2软土地基嵌岩桩的承载力特性32.2.1软土地基嵌岩桩承载力特性32.2.2软土地基嵌岩桩在不同荷载下的受力性状62.2.3软土地基嵌岩桩的嵌岩深度72.3影响嵌岩桩承载力特性的因素82.3.1嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响82.3.2桩径对嵌岩桩承载力的影响102.3.3岩石模量对嵌岩桩承载力的影响112.3.4岩石成层对嵌岩桩承载力的影响112.3.5桩底沉渣对嵌岩桩承载力的影响112.3.6影响嵌岩桩承载力的其他因素122.4软土地基嵌岩桩的桩侧阻力132.4.1软土地基嵌岩桩的桩端侧阻力132.4.2软土地基嵌岩桩的桩上覆土层侧阻力172.4.3极限荷载下软土地基嵌岩桩的桩侧阻力与桩端阻力的分配182.5软土地基嵌岩桩的脆性破坏分析192.6软土地基嵌岩桩的荷载试验标准23第3章 软土地基嵌岩桩的设计233.1嵌岩桩端阻力计算问题233.2根据岩石承载力计算嵌岩桩桩端阻力263.3嵌岩桩侧阻力计算问题27第4章 结论和展望28参考文献30攻读学位期间发表的论文和参加的工程项目33致谢34iv第1章 绪 论1.1 前言桩基础是最古老的基础形式之一，早在有文字记载的历史以前，人类就在地基条件不良的河谷和洪积地带采用木桩来支承房屋。智利发掘文化遗址时发现的木桩距今大约有1200-14000年。中国浙江省余姚县河姆渡原始社会遗址出土的木桩，距今大约有600-7000年。中国汉朝(公元前200年到公元200年)建桥时开始使用木桩基础;到明、清时期，桩基础已在桥梁、水利和建筑工 程中广泛应用。 20世纪50年代，中国开始在一些大型 工程中采用钢筋混凝土预制桩基础;70年代后期采用开口钢管桩和离心混凝土管桩基础。随着打桩施工机械和技术的不断发展和海洋工程建设的迅速兴起，桩基础已由单纯的支承上部结构，向承受很大外力的结构构件发展。由于大外力、小沉降的要求，越来也多的建筑（构筑）物选择了较为坚硬的岩石作为桩基础的持力层。只要桩身一部分或全部进入岩石中的桩基础就称为嵌岩桩。嵌岩桩具有承载力大、单桩及群桩沉降小、抗震性能好、充分利用基岩承载力及砼抗压强度等特点在工程中得到广泛应用。温州地区除去一部分山地丘陵外大部分为冲积或淤积形成的，淤泥层厚度大，含水量高，属于软弱地基。近些年来，随着经济的飞速发展，各类大型及高层、超高层建筑不断建设，这些建筑大多选择了穿越厚达几十米的淤泥层将桩基础嵌入下部的岩石上。但在实际应用过程中，嵌岩桩由于其承载力大、试验费用大，故完整的试桩实测资料不多，这就制约了对嵌岩桩承载性能的全面认识。桩的承载性能和沉降控制直接影响整个工程的安全及经济投资问题。在目前工程实践中，对于嵌岩桩的设计仍普遍存在不合理现象：一是把嵌岩桩按端承桩来考虑，不论桩的长径比l/d的大小均不计侧阻力，只注意桩端阻力的作用而忽略了桩的荷载传递机理和承载力特性，导致单桩承载力取值明显偏低；二是忽略了嵌岩桩的临界深度或不适当地增加嵌岩深度（l5d）；三是在硬岩层中不适当地进行扩底，实际上无法使嵌岩和扩底部分的承载力得到有效利用，增加造价、延长工期。1.2 嵌岩桩理论国内外研究动态及现状 国外嵌岩桩的应用和研究开展比较早，世界上最早的一根埋设量测元件的嵌岩桩荷载随深度变化的试验报告于1968年发表，该桩长55 m，桩径076 m，嵌岩深度hr=4.2d。实测结果显示，桩端反力约占总荷载的1525；美国费城自由广场一号塔楼下的一根长约88 m，l/d=34，嵌岩深度hr=165 d的嵌岩桩，从成桩到上部结构竣工后连续两年半的观测结果表明，在不同的荷载水平下，桩侧始终承担总荷载的6070。上个世纪，随着国家建设的开展，嵌岩桩的工程应用和理论研究逐步开展。二十世纪七十年代中期，四川某桥梁工地实测的一根桩径06 m，桩嵌入砂质粘土页岩30 m，无覆盖层；嵌岩桩荷载传递曲线表明，桩侧阻力在总荷载中所占的比例为88，而桩端阻力所占的比例仅为12；八十年代中期广东某大桥嵌岩桩进入泥质砂岩30 m，桩长285 m，桩径10 m，实测得到的桩端荷载在总荷载中所占的比例为11。近年来，嵌岩桩的应用和研究取得了长足的进步，大量的试桩资料和理论分析从不同侧面对嵌岩桩的承载性状进行充实和完善，将嵌岩桩的应用和研究水平提高到一个新阶段。虽然嵌岩桩的工程应用已有比较长的历史，人们对嵌岩桩的工作性状也有了一定的认识，但时至今日，关于嵌岩桩的定义依然没有一个统一的标准。由于嵌岩桩所处土层、岩层的复杂性、桩身砼质量的不稳定性、施工工艺的多样性、影响嵌岩桩承载特性的因素复杂性，致使对嵌岩桩的承载性状、破坏机理存在不同的认识，甚至在嵌岩桩设计与承载力取值方面存在一些误区，即一方面不管嵌岩桩长径比的大小、上覆土层的土性、沉渣厚度等，一律将嵌岩桩视为端承桩进行设计；另一方面盲目增加嵌岩深度不考虑基岩的力学性状而采用扩底，从而延长工期、增加施工难度。本文将根据国内外已有嵌岩桩工程试验数据并结合温州地区工程实例，对软土地基嵌岩桩在受荷时的轴力传递、侧阻力的发挥、桩端阻力特征、嵌岩深度、影响承载特性的因素以及嵌岩桩的设计等问题进行探讨和分析。第2章 嵌岩桩的承载性状及其影响因素2.1 嵌岩桩的定义国外学者认为，不论岩体的强度和风化程度如何，只要桩端嵌入岩体中的桩就称为嵌岩桩。而国内的建筑桩基技术规范虽然没有对嵌岩桩作出明确的定义，但其本意是明确的：只有嵌入中等风化、微风化、新鲜岩石中的桩才是嵌岩桩。自然界的岩石种类繁多，性状各异，有些中风化岩石的强度甚至比某些微风化甚至未风化岩石的强度还要高，不加区别地将岩石的风化程度作为嵌岩桩的划分标准，是不科学的不全面的。我们认为，只要桩端嵌入到岩体中，不管是硬岩还是软岩，不管岩石是微风化、中风化还是强风化，就应该称其为嵌岩桩。其承载和变形性状的具体特征，则要通过一定的试验、计算分析得到。分析一些已有的工程数据，结合对嵌岩桩承载性状的一些新认识，按桩侧、桩端分担外荷载比例的不同，我们认为可以将承压嵌岩桩做以下分类：(1)全侧阻嵌岩桩。在桩长较长、孔壁粗糙或者桩端以下存在较厚的沉渣等情况下，作用在桩顶的荷载几乎完全由桩侧阻力来承担，桩端所承担的荷载可以忽略，这种类型的嵌岩桩称为全侧阻嵌岩桩。(2)全端承嵌岩桩。在桩长较短、孔壁光滑、清孔较好的情况下，作用在桩顶的荷载基本上全部由桩端承担，侧阻很小或很难发挥这种类型的嵌岩桩称为全端承嵌岩桩。(3)全阻嵌岩桩。尽管端阻、侧阻发挥的先后次序和发挥程度不同，但它们都起到分担外荷载的作用，这就是全阻嵌岩桩。全侧阻嵌岩桩和全端承嵌岩桩是全阻嵌岩桩的两个极端情况。2.2 软土地基嵌岩桩的承载特性2.2.1 软土地基嵌岩桩承载力特性嵌岩桩的承载和变形性状要受到许多因素的影响，十分复杂，通过对国内外大量试桩资料的分析，可以将嵌岩桩承载性状的基本特征归结为以下几个方面：(1)通常情况下，当l/d20时，qb/q自100减少到30；当20l/d637时，qb/q一般不超过20，不少桩的qb/q在5以下。一般认为l/d越大桩侧覆土阻力起的作用越大，qb/q越小。与此相适应，上覆土层的侧阻力大约在l/d=1015之间开始起主要作用；(2)对于l/d在1520之间的泥浆护壁的冲(钻)孔嵌岩桩，不管桩端嵌入完整的岩石还是风化岩石，其荷载传递特征都具有摩擦桩的性质：桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来，桩端阻力所分担的荷载较小；(3)对于短粗的人工挖孔嵌岩桩，其端阻力先于侧阻力发挥出来，且端阻力一般可分担80以上的荷载，明显具有端承桩的特点；(4)对于嵌岩段光滑的嵌岩桩，嵌岩段侧阻力在较小的位移下就可以充分发挥，在hr/d=05时达到最大，尔后迅速减小，嵌岩段侧阻的传递深度一般不大于5 d，且呈脆性破坏。当嵌岩段粗糙时，嵌岩段侧阻力发挥就比较平稳，侧阻力传递深度较大，且不出现明显的脆性破坏，承载力显著提高，沉降明显减小；(5)尽管一般情况下嵌岩桩明显地表现为摩擦桩的工作性状但由于其桩端持力层强度较高，因而群桩效应并不明显。表1、图1分别为温州市区某工程试桩所处场地的地质勘察资料及试桩的桩顶、桩底荷载qs曲线。表1 土层主要特征指标层序土层名称fk/kpaes/mpaqsk/kpaqpk/kpa1杂填土2粘土1004.81031淤泥451.2532淤泥质粘土652.084粉质粘土混碎石1706.52450051全风化凝灰岩2102875052强风化凝灰岩50040150053中风化凝灰岩1500903000试桩桩长分别为55.3m、59.3m、47.4m，桩径0.8m，桩端进入中风化凝灰岩2.0m。桩身砼强度等级为c25。采用正循环回旋钻机钻进成孔。桩顶qs曲线中，当桩顶荷载在10mn前曲线圆滑，桩顶累计沉降量分别为34.91mm、37.61mm、40.50mm，卸荷后桩项回弹率分别为58.55%、43.53%、69.11%，残余沉降量分别为14.47mm、21.24mm、27.99mm，曲线基本反映出桩的荷载传递性状。(a) 桩顶沉降qs曲线 (b) 桩底沉降qs曲线图1 桩顶与桩底沉降曲线随着桩顶荷载的增加，桩顶和桩端的沉降差逐渐增大，两曲线间距离逐渐拉开，说明桩身变形随着压应力的增大而增大；卸载时，随着桩顶荷载的减小，桩顶位移逐渐恢复，而桩端位移恢复得较为缓慢，当卸载完成后，桩顶荷载为零时，桩顶位移仍有较大部分没有恢复。软土地基嵌岩桩的桩顶沉降主要由桩身砼弹性压缩和桩底基岩应变二部分组成。桩顶沉降受荷载传递机理的支配。施加在桩顶的荷载通过桩端阻力(包括桩周土体侧阻力和嵌岩段侧阻力)和桩侧阻力传递给桩周土体和桩底基岩，桩底基岩和桩周土体变形的大小，决定着桩端和桩侧阻力的发挥程度。它取决于桩的几何形状、荷载大小、成桩工艺及桩底基岩桩周土体和桩身砼的弹性模量。建筑桩基技术规范（jgj9494）规定，嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值按下式计算： 式中qsk、qrk、qpk分别为土的总极限侧阻力、嵌岩段总极限侧阻力、总极限端阻力标准值。单桩设计承载力为式中s、p分别为桩侧阻抗力分项系数、桩端阻抗力分项系数。从形式上看，规范是通过极限侧阻值、极限端阻值各自除以一个安全系数而得到设计值r，但在理论上qpk不能理解为极限侧阻值。嵌岩桩的端、侧阻极限值很难同时得到充分发挥，在端、侧阻的共同作用下，qsk与qrk、qpk之间的关系是错综复杂的，它们并不同步出现。因此，规范中的qpk只能理解为当qrk、qpk达到极限端阻的相应发挥值。2.2.2软土地基嵌岩桩在不同荷载下的受力性状软土中嵌岩桩刚开始加载时，桩身上部混凝土压缩激发上部桩周土层的桩侧摩阻力。随着荷载逐渐增大，桩身轴力从上向下传递，桩身混凝土也自上而下产生压缩变形，从而激发桩周土阻力自上向下逐渐发挥，直至桩身轴力传递到桩端。桩侧摩阻力逐渐克服时，再增加桩顶荷载就会产生桩端位移，从而激发桩端阻力。随后，桩侧摩阻力随桩身压缩量的增加而缓慢增加，桩端阻力则逐渐增大。图2为温州市区某工程其中一根试桩的抗压轴力分布图，由图可见：在桩顶荷载作用下，桩身轴力沿深度逐渐减少，桩侧摩阻力自上而下逐步发挥。由于桩身轴力在任意两层面间的差值大小，表征着桩侧阻力的大小，轴力曲线斜率小，层面间轴力差、桩侧阻力就大。地基的第1层淤泥层轴力曲线斜率最大、最陡、轴力差小，说明该层侧阻力最小，其次是第2层淤泥质粘土层侧阻力较小；第2层强风化凝灰岩层曲线斜率最小、最平缓、轴力差大，说明该层侧阻力最大。图3为不同荷载作用下s1试桩单位侧摩阻力qs随深度变化曲线图。桩周土分层摩阻力是指埋设钢筋应变计的相邻两截面轴力之差与两截面之间桩身表面积之比。由图可知，随着桩顶竖向荷载的增加，桩侧土层的极限侧摩阻力由上而下逐渐发挥出来。根据试桩所处位置的土层特性，当达到极限荷载时，桩身中最大单位侧摩阻力所处的位置为第2层强风化凝灰岩段。图2 s1试桩抗压轴力分布图 图3 s1试桩侧摩阻力随深度变化曲线图2.2.3软土地基嵌岩桩的嵌岩深度嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响是多方面。首先，嵌岩深度影响嵌岩段桩侧阻力的分布模式和嵌岩桩的破坏模式，thorne、pells和gill等研究表明，嵌岩桩的嵌岩深度对嵌岩桩的破坏模式有着显著影响。若嵌岩桩的嵌岩深度较浅，则破坏时桩端将形成一个楔形破坏面，桩身同时发生水平、垂直位移和旋转。若嵌岩桩的嵌岩深度较深，破坏时桩端将形成一个锥形破坏面，其次，嵌岩深度直接影响着嵌岩桩承载力的大小。近100多组试桩的实测资料统计表明，在以泥浆护壁的钻孔嵌岩桩中，由于桩土（石）界面光滑，桩底沉渣的存在，使得软土地基嵌岩桩的承载特性表现为端承摩擦桩的性状；在荷载施加的初期，桩侧阻力的发挥与桩顶荷载同步增长，此时桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承担，桩端阻力几乎为零。当桩端出现小位移后，桩侧摩阻力已接近极限侧摩阻力。因此，桩侧摩阻力增长缓慢，桩端阻力开始随桩顶荷载水平的增长而有较大的增长，并几乎与桩顶荷载增加同步。对于长桩，当荷载继续增长，且接近极限荷载时，桩土相对位移较大，如有滑移现象出现时，极限桩侧摩阻力因弱化效应而降低。端阻力逐渐增长；随着嵌岩深度的增加，在相同桩顶荷载水平下，端阻逐渐减小，并趋于一定值。这是由于随着入岩深度的增加，桩端侧向约束加强，嵌岩段的侧摩阻力增加。要使入岩段桩的侧摩阻力充分发挥，必须使砼与岩石孔壁很密实地结合为一体，需要清除孔壁泥皮，目前国内施工水平尚未解决这个问题（日本在导管端部外周围安装一环状管，在比重1.2左右的泥浆中可喷射射程达1.5m以上的高压水，用此法来清渣、清淤和清洗孔壁）。2.3 影响嵌岩桩承载力特性的因素 影响嵌岩桩承载力的因素是极其多样的并呈各种因素的作用往往并不独立，而是结合在一起发挥作用，这就使得嵌岩桩的承载性状变得更为复杂。从直观和经验的角度来看，嵌岩长度、桩直径、岩石强度、桩底沉渣等因素对嵌岩桩承载力的影响是显而易见的。根据相关文献已有嵌岩桩嵌岩段承载力极限值估计的bp网络模型，以岩石的风化程度指标为变量，进一步从定量的角度揭示了不同因素对嵌岩桩承载力影响的特征，通过计算分析指出：桩径对嵌岩段极限承载力的影响呈非线性关系；桩长对嵌岩桩嵌岩段承载力的影响是有限的，存在一个最优桩长，超过最优桩长后试图通过增加桩长来提高桩的承载力是不经济的；岩石强度、嵌岩深度对嵌岩桩嵌岩段的影响几乎呈线性关系，但嵌岩深度与嵌岩桩嵌岩段极限承载力之间的斜率很小，这说明盲目增加嵌岩深度是不经济的。国外的资料一般将影响嵌岩桩承载力的因素归结为：桩的嵌岩深度、桩径、桩侧和桩端岩石的弹性模量、岩石的成层特性、桩侧岩石的粗糙程度、桩底的沉渣厚度和岩体的应力水平等。综上所述，影响嵌岩桩承载力的因素总体上可归纳为： (1)桩的嵌岩深度； (2)桩的直径； (3)桩端岩石和桩侧岩石的模量； (4)桩侧岩石的粗糙度； (5)桩底沉渣的厚度； (6)岩石的节理发育情况；(7)岩体中的应力水平。2.3.1 嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响由于嵌岩桩定义的不明确，国内学者在嵌入深度研究方面存在分歧：黄求顺在实验的基础上认为，3d(d为桩径)为最佳嵌岩深度，5d为最大嵌岩深度，并且已在规范中体现；明可前通过实验认为，4d为最佳嵌岩深度，而刘松玉等认为泥质软岩中的嵌岩桩的最大嵌入深度为7d。嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响是多方面的。首先，嵌岩深度影响嵌岩段桩侧阻力的分布模式和嵌岩桩的破坏模式。根据thorne、pells等的研究表明，嵌岩桩的嵌岩深度对嵌岩桩的破坏模式有着显著影响。若嵌岩桩的嵌岩深度较浅，则破坏时桩端将形成一个楔形破坏面，桩身同时发生水平、垂直位移和旋转。若嵌岩桩的嵌岩深度较深，破坏时桩端将形成锥形破坏面。其次，嵌岩深度直接影响着嵌岩桩承载力的大小，从图4不同嵌岩深度桩模型试验的结果可以明显地看出这个特点。根据相关文献给出的嵌岩桩桩侧阻系数随嵌岩深度变化而变化的情况。从中可以看出，当hrd=2o时，桩侧阻力最大，而后随着嵌岩深度的增加，桩侧阻力逐渐减小。从中也可以看出，嵌岩深度对承载力的影响是有限的。 图4：建筑桩基础技术规范嵌岩桩桩侧阻力的取值方法另外大量的数据表明：在泥浆护壁的钻孔嵌岩桩中，即使嵌入中等风化岩石的深度达8d，在较大的荷载作用下仍有端阻力的存在，并不存在端阻为零的最大嵌岩深度。近100多组试桩的实测资料统计表明，在以泥浆护壁的钻孔嵌岩桩中，由于桩土（石）界面光滑，桩底沉渣的存在，使得软土地基嵌岩桩的承载特性表现为端承摩擦桩的性状；在荷载施加的初期，桩侧阻力的发挥与桩顶荷载同步增长，桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承担，桩端阻力几乎为零。当桩端出现小位移后，桩侧摩阻力已接近极限侧摩阻力。此时桩侧摩阻力增长缓慢，桩端阻力开始随桩顶荷载的增长而有较大的增长，几乎与桩顶荷载同步。对于长桩，当荷载继续增长至接近极限荷载时，桩土相对位移较大，如有滑移现象出现时，极限桩侧摩阻力因弱化效应而降低。端阻力逐渐增长；随着嵌岩深度的增加，桩端侧向约束加强，嵌岩段的侧摩阻力增加。在相同桩顶荷载水平下，端阻逐渐减小，并趋于一定值。要使入岩段桩的侧摩阻力充分发挥，必须使砼与岩石孔壁很密实地结合为一体，需要清除孔壁泥皮，目前国内施工水平尚未解决这个问题（日本在导管端部外周围安装一环状管，在比重1.2左右的泥浆中可喷射射程达1.5m以上的高压水，用此法来清渣、清淤和清洗孔壁）。综上所述，嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响是显著的，这也是在进行嵌岩桩设计和分析时必须首先引起注意的。2.3.2 桩径对嵌岩桩承载力的影响从桩基承载力计算模式不难看出，增大桩径对提高嵌岩桩的承载力是有益的。对于嵌岩桩也是如此。但由于桩径增大而导致的桩承载力提高只在一定的范围内比较明显，如图5所示：图5：桩径对嵌岩桩侧阻力的影响当桩径增大超过一定的范围后，桩的侧阻力反倒会降低。分析原因，主要是由于随着桩径的增大，在桩身轴力作用下，桩的侧向变形将会减小，作用在桩周岩石上的法向应力随之减小，势必导致切向应力亦即桩侧阻力的下降。 2.3.3 岩石模量对嵌岩桩承载力的影响根据相关研究结果表明：桩岩模量比越大，剪切模量越小，界面的剪应力分布越均匀，只要桩端分担的荷载比例不高，桩侧岩体的破坏对桩的荷载位移曲线影响不大；当桩岩界面条件差时，端阻承担的荷载比例增大，破坏区不仅发生在桩侧，桩底单元也出现拉裂和屈服，荷载位移关系表现为明显的曲线型，位移的大小可能成为设计的控制条件。在其它条件其相同的情况下，（桩岩模量比）较大，桩侧所承担的荷载较大；（桩岩模量比）较小，桩端所承担的荷载较大。另外当桩基础嵌入深度较大时，在成孔过程中会导致桩端岩石性状劣化从而影响桩阻力所占的份额。2.3.4 岩石的成层性对嵌岩桩承载力的影响成层性是沉积岩的重要特征，由于成层导致岩体的总强度降低，在进行嵌岩桩设计和承载力计算时，必须考虑桩底和桩侧软岩夹层的存在。有些时候，软岩夹层的存在会降低桩岩之间的抗剪强度和桩侧岩石的模量，导致承载力的降低。此时，桩侧抗剪强度和岩石模量可按下式计算： 式中： 非软弱岩层厚度在总长度中所占的比例； 软弱岩石的剪切强度和弹性模量，mpa。软岩夹层的存在并非对嵌岩桩的承载力都是有害的：有些情况下，由于桩侧软岩夹层的存在，在成桩过程中孔壁容易形成凹凸，提高了孔壁的粗糙度，这对提高嵌岩桩的承载力是有益的。2.3.5 桩底沉渣对嵌岩桩承载力的影响无论是在嵌岩桩的理论计算还是在设计施工时，桩底沉渣始终是一个很棘手的问题。我们必须承认这样一个事实，实际操作时不可能保证桩底百分之百的干净，如何确定桩底沉渣厚度及其对嵌岩桩承载力的影响就成为一个亟待解决的问题。早期的一些理论研究大都是从弹性理论着手进行定量的分析。桩底沉渣厚度过大，在桩顶荷载作用下桩身将产生过大的位移，桩侧阻力很容易超过其峰值进入残余强度，这也是沉渣厚度过大导致嵌岩桩承载力下降的重要原因。有鉴于此，各种规范都对桩底沉渣厚度作出了明确的规定以确保单桩承载力和沉降在规定的范围之内。另外根据温州地区一些长或超产嵌岩桩关于桩端沉渣对承载力影响的研究发现：桩底沉渣除了降低桩端阻力之外，还要降低桩侧的阻力。造成这一现象的原因我们认为是：桩侧阻力是由于桩与桩侧土之间的相对位移所产生的，并且在桩顶不同荷载水平下自上而下逐渐发挥。当桩端无沉渣时，靠近桩端处桩与桩侧土之间的位移不会很大，随着作用在桩顶荷载的增加，桩侧阻力缓慢增加；而当桩端有较厚的沉渣时，随着桩顶荷载水平的增加，靠近桩端处桩与桩端土迅速滑移，出现破坏，从而降低了桩侧阻力。2.3.6 影响嵌岩桩承载力性状的其他因素除了上面提及的原因外，下面的一些因素同样对嵌岩桩的承载性状有着不同程度的影响。(1)软弱下卧层对嵌岩桩承载力的影响如果桩端下存在软弱下卧层，它同样会对桩的承载能力产生影响。建筑地基基础设计规范认为其影响范围为3倍的桩径，当软弱下卧层位于3倍的桩径之外时，它对桩身承载力的影响就可以忽略。 (2)孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力的影响国外的一些学者通过室内直剪试验，研究了不同粗糙度对桩侧阻力的影响。得出了如下一些认识：孔壁粗糙时，桩岩之间剪切峰值较大；而孔壁光滑时，桩岩之间剪切峰值较小；孔壁粗糙时，峰值位移较大；孔壁光滑时，桩岩之间峰值位移较小；孔壁粗糙时，桩岩问残余强度较高：孔壁光滑时，桩岩间残余强度较低。一旦超过弹性极限，其剪切强度会迅速降低。 (3)岩体应力水平对嵌岩桩承载力的影响 就一般情况而言，岩体的初始应力水平对嵌岩桩承载力的影响是可以忽略的。但是在某些情况下，初始应力对嵌岩桩承载力的影响却应当引起重视。初始应力增大，相应桩侧阻力的峰值和残余强度都会有所提高，因而桩的承载力也会提高。初始应力的影响程度取决于开挖时间、混凝土浇筑时间和载荷试验进行的时间，一般说来，开挖时间和浇筑时间间隔越短，初始应力的影响就越大，测试时间越早，初始应力的影响也就越大。2.4 软土地基嵌岩桩的桩侧阻力 2.4.1 嵌岩桩的桩端侧阻力 图6：模型嵌岩桩何在传递试验结果(a):l=1d; (b):l=2d; (c):l=3d; (d):l=7d;根据已有的软质岩石中不同深度的完全嵌岩桩模型试验数据可以比较准确地反映嵌桩桩侧阻力的基本特征。试验基本情况为：岩石在天然湿度条件下的单轴抗压极限强度92 mpa，折算岩石的弹性模量er为652 mpa，桩身混凝土的设计强度为c20，实测试桩弹性模量为e。=432104 spa，eper=66，模型桩的直径d=160190 mm，嵌岩深度别为ld、2d、3d和7d，试验结果如图6：从中可以看出：（1）在岩性条件、桩身强度相同的情况下，随着长径比的增加，传递到桩端的荷载将逐渐减小，和一般摩擦桩的荷载传递规律基本相同；(2)桩身的轴力传递率(pz/p)随着ld的增大而提高。如图7所示。这也就是说，在其它条件相同的情况下，随着ld的增大，在同一断面上的轴力就越大。因此，随着桩长的增加，桩顶荷载向桩身上部集中的趋势是极其明显的。 图7：嵌岩桩轴力传递率与嵌岩深度的关系人们还通过中风化砂岩中嵌岩桩的模型试验对嵌岩桩桩侧阻力的分布模式进行了系统的分析，深化了人们对嵌岩桩桩侧阻力性状的认识。试验方法是：先在岩体中钻直径50 cm的不同深度的钻孔，然后浇筑直径50 cm，桩长分别为10 cm、145 cm、20 cm的模型桩，这样相应的嵌岩深度别为2d、29d和4d。通过埋设在桩身和桩端的量测元件量测桩身和桩端的应力。桩身和桩周岩石的力学参数分别为：ep=2244 gpa，p=0.168er=400.4mpa，r=0214。图8是不同桩长的模型桩的桩侧阻力分布。从中可以看出不仅不同桩长时的桩侧阻力的分布模式不完全相同，而且桩侧阻力的大小也存在着一定的差异。对于桩长较短的1号桩，桩侧阻力分布呈“上小下大”型桩端附近的桩侧阻力呈现明显的强化效应，即桩侧阻力沿着桩长是不断增加的，极限状态时桩侧平均阻力为27 mpa；对于中长的2号桩桩侧阻力分布呈两头大、中间小的“抛物线”型，极限状态时桩侧平均阻力为140 mpa；对于桩长最长的3号桩，桩侧阻力分布呈“上大下小”型，桩侧阻力随着桩长的增加而减小，极限状态时桩侧平均阻力为101mpa。 图8：不同桩长嵌岩桩模型桩侧阻力图1：5.93kn;2：11.12kn; 4：21.49kn; 5：26.68kn; 6：31.87kn;7：37.05kn; 8：42.24kn;(a)桩长2d时桩侧阻力分布；(b)桩长2.9d时桩侧阻力分布；(c)桩长4d时桩侧阻力分布；下面我们对造成上述不同桩侧阻力分布的原因作一分析： (1)当桩长较长时。作用桩桩顶的荷载绝大部分由桩侧阻力来承担，传递到桩端的荷载很少，因此就会出现“上大下小”型的桩侧阻力分布。 (2)当桩长较适时，桩侧阻力虽然会随着桩长的增加有一定的减小，但这种减小的范围和程度并不大，因而桩端能承担比较多的荷载。由于桩端阻力的影响，桩端附近桩侧阻力会得到强化，从而导致桩侧阻力明显提高，形成了桩侧阻力“上小下大”的分布形式。 (3)当桩长适中时桩侧阻力随着桩长的增加逐渐减小，但由于桩长不是太长，桩端还会 承担一定的荷载，同样是由于桩端阻力的影响，桩端附近桩侧阻力得到增强，这正是造成桩侧阻力分布呈两头大中间小的“抛物线”型分布的直接原因。此时，由于传递到桩端的荷载要比桩长较短时传递到桩端的荷载少，因而桩侧阻力强化的效果要比桩长较短时差。这一点在试验曲线上可以得到明显的反映。同样，2号桩、3号桩的极限桩侧阻力分别只有1号桩的519和374。为什么其它条件完全相同，只有桩长不同的三根试桩，桩侧阻力却会出现如此大的差异呢?我们认为，这完全是由于桩端阻力对桩瑞附近桩侧阻力的强化作用造成的，而且桩端阻力越大，桩侧阻力强化效应就越明显。采用duncan非线性eb模型对完全嵌岩桩在垂直荷载作用下的承载性状进行了分析，得出的结论很有意义。计算条件为：桩径d=10 m，桩身混凝土标号c30，弹性模量e=3104mpa，基岩的弹性模量e=3 x 104 mpa。计算得到的不同桩长时桩侧阻力分布可以得出以下结论： (1)绝大多数情况下，嵌岩桩桩侧阻力与桩基规范中所给定的分布形式有较大的差异； (2)嵌岩桩桩侧阻力非线性分布的现象突出，明显表现为“双峰”，也即桩身上部和下部出现局部增大，上部的峰值多出现在015 l（ l为桩长)附近的位置，下部的峰值多出现在075 l附近的位置； (3)随着桩长的增加，下部的桩侧阻力呈现不断退化的趋势，峰值越来越小。造成桩侧阻力上述分布的原因初步认为是：上部峰值的出现根源在于嵌岩桩桩侧阻力较大，使得桩侧阻力一开始就能够承担很大的荷载，因此就会出现上部的峰值；在桩身材料强度一定的情况下，嵌岩桩的极限承载力并不会随着桩长的增加而线性增长。这样，传递到桩端荷载的比例将随着桩长的增加而逐渐减小，明显地削弱了桩端岩石对桩侧阻力的强化效应，导致了下部峰值的减小。传统的嵌岩段桩侧阻力随桩长增加而减小的“上大下小”型的嵌岩桩嵌岩段侧阻力分布模式并不能全面地反映侧阻力的分布特征，建立在此基础上的嵌岩段桩侧阻力计算模式同样有待改进。只有根据具体条件进行具体分析，才能从根本上掌握嵌岩桩桩侧阻力分布的基本特征乃至嵌岩桩承载和变形性状的规律。2.4.2 软土地基嵌岩桩的覆土层侧阻力 由于软土地基的岩石层深埋于软弱土层之下，一般嵌岩桩桩长都比较长 。根据目前温州地区建设工程的相关统计资料，温州地区嵌岩桩长径比一般大于40，基本上都属于长桩或超长桩。对于此类嵌岩桩，荷载的传递明显具有摩擦桩的特性，侧覆土阻力起的作用很大，因此深入研究软土地基嵌岩桩的覆土层侧阻力极其必要。根据上面提到的温州市区某工程试桩资料：随着桩顶荷载的逐渐增加，土层的侧摩阻缓慢增加，在某一桩顶荷载下达到极限侧阻力，之后略有软化。其中桩的长径比（l/d）越大，土层侧摩阻所占比例越大。工程试桩的桩侧土层发挥极限侧摩阻的桩顶位移值约28mm。此时土层侧摩阻约占极限荷载的30%50%。表2 工程试桩荷载与沉降关系桩号桩长/m最大试验荷载/kn最大桩顶沉降/最大桩端沉降/桩端产生位移时荷载值/kns155.301000034.914.974000s259.301000037.615.875000s347.401000040.506.523000上覆土层提供的侧摩阻力qs越大，桩端段承载力发挥的比例就越小，增加入岩深度也就无意义。总之，增加嵌岩深度并不能保证承载力提高，有时适得其反。桩的承载力与成桩时施工质量有关，空孔、孔壁浸泡时间长，泥皮增厚，孔壁一定范围的土质泡得松软，降低侧摩阻力。本工程中3根试桩在极限侧阻发挥时所需的桩顶和桩端位移见表3，达到极限侧阻力所需的桩顶位移并非定值，随着桩长增加而增加；极限侧阻力充分发挥与所需的桩端位移有一定的相关关系。当桩端发生明显位移时，此时对应的桩摩阻力即为极限侧摩阻力，与桩的受力性状一致。表3 达到极限侧摩阻力所需桩顶和桩端位移桩号桩长/ m桩径/极限侧摩阻力所需位移/桩顶桩端s155.308005.030.19s259.308007.200.28s347.408002.610.25从上述图表可以看出：桩端沉降与桩长没有一一对应关系，在中风化基岩中桩端沉降主要与桩端沉渣、岩性强度和桩顶荷载水平有关。桩顶沉降与桩长没有一一对应关系，桩身在同一荷载水平下的压缩量在一定程度上与桩端沉渣、岩性强度有关。桩端开始位移时的荷载值与桩长有对应关系，桩越长，桩端开始位移时对应的荷载值越大。大量的工程试验表明，该荷载值与桩侧极限摩阻力具有良好的相关性，利用桩端开始位移时对应的荷载值可估计极限桩侧摩阻力。软土地基嵌岩桩侧阻与端阻的发挥是非同步，一般表现为端承摩擦桩的受力性状。其主要原因为：受桩长影响，基岩埋深大，上覆土层中的桩侧摩阻力较大，桩底反力自然较小；桩顶位移小，桩端位移更小，此时桩顶荷载很难传递至钻孔灌注桩的深层桩底部位；钻孔桩施工时孔底沉渣无法清除干净，桩越长清渣越难；桩顶荷载传递至嵌岩段时，首先是嵌岩段的桩侧摩阻力发挥，然后是桩底沉渣的压实，最后传至桩端基岩。2.4.3 极限荷载下软土地基嵌岩桩的桩侧阻力与桩端阻力的分配根据温州市区某工程试桩得出分配关系见表4，从中可见：在极限荷载水平下，试桩桩侧极限摩阻力随桩长增加明显增大，qsu /qu从桩长47.40m的30%增大到桩长59.30m的50%；而桩端阻力正好相反，随桩长的增加逐渐减小，qsu /qu从桩长47.40m的70%减少到桩长59.30m的50%。在其它条件相同时，嵌岩桩越长，极限荷载下桩侧岩土阻力所承担的荷载就越大，端阻比例相对减小。表4 嵌岩桩的侧阻与端阻分配关系桩长/ m极限承载力qu/ kn极限侧阻力qsu /kn桩端阻力qpu /knqsu / quqpu / qus1100004000600040%60%s2100005000500050%