（地质工程专业论文）岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究.pdf

摘要 目前，国内外对于岩溶地区嵌岩桩的工作特性的研究一直不很充分，其 承载力特性、剪应力分布模式、最佳嵌固深度和岩溶顶板厚度、岩质性状对 桩基特性的影响等有待进一步研究与完善。针对岩溶地区嵌岩桩特性的模拟 模型试验研究相关报道比较少。本文就解决岩溶地区，桩基竖向荷载作用下 岩溶顶板安全厚度以及嵌岩深度问题进行了深入的探讨，并研制了相应的物 理模型进行了试验研究，取得了较为满意的结论。 本文首先在参考大量的国内外文献资料的基础上，对竖向荷载下基桩的 荷载传递机理进行了深入的分析与讨论。并对基桩荷载传递性状的变化规律 进行了归纳与总结。同时对单桩的荷载沉降特性的机理进行了探讨，将单 桩荷载沉降曲线综合为六种，并列举了四类缺陷形成的异常p s 曲线。对 于基桩竖向承载力的确定，提出了按桩身结构强度确定、按土的强度与变形 确定以及按静力分析法确定等几种方法。在基桩的深度效应方面，研究了桩 端阻力和和桩侧阻力的深度效应，从理论上提出了端阻力的i 临界深度以及深 度效应的内在机理：讨论了岩溶地区桩基的负摩擦力问题。 通过对岩溶地区嵌岩桩工作性状和破坏模式的理论分析，认为在岩溶发 育地区桩基的稳定性问题主要决定于嵌岩桩的竖向荷载，顶板厚度以及顶板 的抗弯强度等有关的强度指标。 在对课题进行充分论证的基础上，运用相似理论，针对岩溶地区嵌岩桩 髓二j 作特性，提出了建立室内桩基模拟实验台的试验方案，自主设计并研制 了模拟试验模型，同时结合模型编制了相应的数据采集与分析软件。 要进行相似模拟试验，模拟材料的选择是试验成功的关键，通过室内小 样试验分析了模拟材料的内在作用机理，选择了以砂、水泥、石膏为原材料 的试验配方，推导了水泥石膏砂模拟材料抗压强度和抗弯强度的经验公式。 通过室外模拟试验，验证了其合理性，得出了模拟岩样的强度范围。并采用 不同的试验方案，运用改进的均匀设计法用不同的配比有效地模拟了获岩的 岩性。研究了岩性、嵌岩深度、顶板厚度、侧摩阻力对模拟顶板极限荷载的 影响，提出了以普通水泥、石膏为胶结材料，细砂为骨料的模拟材料配比方 案。 通过对大量试验结果的综合分析，提出了岩溶顶板安全厚度验算方法， 得出岩溶顶板和桩基垂直荷载的半经验半理论公式如下： ：攀+ 了3 f ( 2 l - d ) ：善【r ， 盯m “2 蔚+ 矿2 ；m rj 其中经验系数e 取0 8 1 - 3 。 通过嵌岩桩模拟嵌岩深度的试验，给出了岩溶地区嵌岩灌注桩嵌岩深度 建议值。在岩溶发育地区，嵌岩深度的选取应综合考虑侧摩阻力和顶板结构 内j j ，一般岩溶地区，当岩面较为平整且上覆土层较厚时，嵌岩深度宣采用 02 d 或不小于0 ，2 m 。 关键词：岩溶，嵌岩桩，承载力，荷载传递，模拟试验，模拟材料，试验方 法，极限荷载，岩性，项板厚度，嵌岩深度 a b s t r a c t t h ei i n t e r n a t i o n a s t u d i e s o nt h e p e r f o r m a n c e o ft h es o c k e t e d p i l e s i nk a r s t s u b g r a d es h o ws t i l li n s u f f i c i e n ta tp r e s e n t + t h e r e f o r e ，s u c c e e d i n gr e s e a r c hi se s s e n t i a i o ni m p r o v i n gt h e l o a d i n gm e c h a n i s m 、 s h e a rd i s t r i b u t i o n 、- s o c k e td e p t h 、b e d r o c k t h i c k n e s sa n dp r o p e r t i e s u pt on o w ，t h er e f e r e n c e sc o n c e r n i n gt h es i m u l a t e dt e s ta r e r a r e l yr e p o r t e d 。 n t h i s p a p e r ，a r te x t e n s i v es t u d y o ns o c k e t d e p t h a n db e d r o c k t h i c k n e s si sc a r r i e do u ta n ds o m e s a r i s f a c t o c yr e s u l t sh a v eb e e no b r a i n e d b a s e do nv a r i o u si n t e r n a t i o n a l p a p e r s ，ad e e pi n v e s t i g a t i o n f o rv e r t i c a l l o a d t r a n s f e rh a sb e e nc a r r i e do u tt op r o p o s e6v a r i e t i e so fl o a d s e t t e m e f t tc u r v ea n d4t y p e s o fd e f e c t i v ep - sc u r v e 4 a p p r o a c h e s h a v ea i s ob e e n s u g g e s t e d i nt h e p a p e r t o d e , er m i n ev e r t i c a l c a p a c i t yi nl i g h to ft h ep i l es t r e n g t h 、s t r e n g t ha n dd e f o r m a d o no s u r r o u n d 【n g s o i ia n ds t a d ca r i a 【v s i s 【na d d i d o t l ，t h e s t u d yt o u c h e su p o nt h e d e dc h e f 琵c co fe n d b e a r i n qa n d a t e c a lc 0 5 i s t a n c e 、n e 鲶 i v ef r i c t i o n e xe r a c tt h ed _ e o r e d c ：i c r i t i c a le m b e d d e dd e o t ha n di c 二m e c h a n i s m t h et h e o r e t i c a 【a r i a i y sl sf 。rt h ep er 白r r n a t l c e so ft h es o c k e t e do i i ei nk a r s t 陀u 【o ! j a n dt h e 【ff a l ll t eo a t t e ：。n ss h o w st h eo 【i os t a b 【i i 、，sm a i n 【yd u ee oc h ev e 【i c a ll o a f ! b e d r o c k , t h i c k n e s sa n dl t sb e n d i n gr e s i s t e n c e 、i ：h ：i l e ：e ? 心1 ：i i l l q c 0rt h es o i ：d p 【! o ：i ：! ：5 ：f o 姒o t l a n ds n u l i a o & c o 【、 j i 。_ l ：ll i t e r im o d e l e s tp l a nh a sb e ：7o l k e do ：；。! i ：0 1 1 1 2 1 h ec 亡s ：o o u 【t 2 ：h j 、c 、：o o 二 c o m d l ：i n 坚s vsc e ( t it b rc o “e c “c 1 芷d 2 t e s 二一df e sl j t s2 q p j j fs 丁n ec h o 【c eoc 1s 1 1 1 1 l 【a 【 i i ；z c 【l 。l l l 二。：k o 、pr u o i ：1 1 1 | 1 ：h es l 1 1l l i a ：芒：o d e l ：o 、i 、! 。； h e “n or o i e dl 、【t e dl 1 i f o 【- i l ld ：豇：j ；1 1 0 ：i l o c e1 1 c , g l l x t l u el ) fc o , l l e q 、 ：i 1 出口s l ：、 a n ds a g d1 3e r 0 3ca s5 i 【订【 。1 rj oc o ：0 ；：丑：0 5 ( t h el 1 2 | 1ad e e ol 1 1 1 ；i i v s i s0r - e h e 。八r e ：n 二 i n ： j a ce ! o nl nc r l t x u 芒 e m p l 【i c a ly o t c 【 f o n 【n 兰i s s u g g e s t e d t oe q e c e lvs 【n 1l 【i a ： l i r u e s t o p ec 1 1 et - e 2 t e s s 【亡e ql t q o no i 。( 1 0 t e 5s o 5 i ? n 色t ha l l ( 1b e o 匹l n 譬s t r e n g ：no l o 、： f el l s , 3 n o b l ep e i 两r n j 鬯l ”1 0l t s ：! “2 二j s l ml ：二。1 j c d o 【t e , sc s ：jj t ：oo c = i 二：j i e dl j 一 i d c s 【芏3 ：亡( 【：= ：a c e o i s 3 亡c ：。：j 兰- r ei h t ：c a t ：o t t c u i 兰c a p e r l 0 l p , c tl i d l ：1 芏“i t c s ：o ： 0 1 0 c e t 【e s 、s o c k c ( d e oc h 、b e d r o c k ：_ _ ! ( h e s sa n dj 2 ：i o i 矗i cr i o 1e t1 1 a c c o r d i n gt o t h et e s tr e sl t t s3 n c ：- l e or e t i c ：t z a a i , s e s t h ep a p e rh a sp t o p o s e d 出： a p p r o a c h t oe x o ：n i 1 e c h 。s a f e t b e d - e c kd u c k n e s s h a l f - t h e o c ya n dh 。 一e x 口e ? ：c h ： f o r m u l aa s s o c i a t e dw k hv er t i c a ft o a d ：j , s u g g e s t e d2 5 南l ! 伊一v e d ： j 儿一j f ( ! 一d 钆m 。i 74 b h = ；限j - ；：08 【j j i nk a r s ts u b g r a d et h ee m b e d d e dd e p t hs e e m sd i 蕾c u l tt od e t e r n i n e c o n s i d e r i n g s v n t h e d c a l t vt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ep ies k i nf r i c t i o nr e s i s t a n c ea n dt h eb e d r o c k i n t e r n a ic o h e s i o na n da l s ot h ei n n u e n c o so nl o a d i n gc a p a c i t yo f p i l e ，t h em l a e s o c k e t e d 【e n g t hi ss u g g e s t e d02p i l ed o , r i o t e r so ra tl e a s t02 m w h e ne h er o c ks l l r f a c e i sl e v era n dt h eu p p e rs o i li sc h i c kr e l a t i v e l y k e yw o r d s ：k a r s t ，s o c k e t e dp i l e ，l o a d i n gc a p a c i t y ， o a dt r a n s f e r ，s i m u ，l a t e d t e s t s i m i l a r m a t e r i a l 。e x p e r i m e n t na p p r o a c h ，l o a d 1 i m i t ，r o c kp r o p e r t i e s b e d r o c kc h j c k n e s s s o c k e t e d 1 e n g t h 中南大学博士论文：岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究绪论 1 1 岩溶特性概述 1 1 1 岩溶 1绪论 岩溶( 喀斯特) 是可溶性岩石在水的溶( 侵) 蚀作用下，产生的各种地质作 用、形态和现象的总称。可溶岩包括碳酸岩类岩石以及石膏、岩盐、芒硝等其它 可溶性岩石。就岩溶对工程的危害而言，由于石膏、岩盐等易溶岩的溶解速度大， 因此，岩土工程评价中不但要评价其现状，更要着眼于工程有效期内溶蚀作用继 续对工程的影响。2 ” 岩溶塌陷作为工程塌陷中的一种在我国的分布发育有一定的时空规律性。我国 岩溶塌陷分布广泛，其分布范围从黑龙江到海南岛，西起青海台盐湖，东至东海之 滨，已见于2 3 个省区，大部分分布在桂、粤、黔、湘、赣、川、滇、鄂等省区。岩 溶塌陷主要分布在岩溶强烈及中等发育的覆盖型碳酸盐岩地区，主要是扬子准地台 碳酸盐岩分布区，其次是华北地台碳酸盐岩分布区，西部青藏高原岩深发育微弱。 湖南省f 处于亚热带湿气候区，可溶岩主要是上古生界和三叠系的碳酸盐岩， 碳酸岩出露面积占省区面积的2 7 ，沉积厚度大，且多呈连续状，以纯灰岩为主， 多形成紧褶皱，地貌形态组合类型较复杂，客观上可分为高原、山地与丘陵平原， 可溶岩分布较广泛，近代岩溶作用较强烈，地表岩溶形态较发育，地下岩溶以溶 洞为主，且有管道发育。 上洞是在有覆盖土的岩溶发育区，其特定的水文地质条件，使岩面以上的土 体遭到流失迁移而形成土中的洞穴和洞内塌落堆积物以及引发地面变形破坏的总 称。土洞是岩溶的一种特殊形态，是岩溶范畴内的一种不良地质现象。 1 1 2 岩溶发育的基本规律 ( 1 ) 不同成分岩性、组织结构与层厚的岩体中，岩溶发育具有明显的分选性。 厚层、质纯、粗粒的石灰岩中，发育强烈，洞体规模大；随组分中杂质( 硅铝等) 含量增加、层理变薄，结构致密而发育程度渐弱，规模渐小。当不同岩性倾斜成 层时，岩溶在平面上呈带状分布，与非( 弱) 可溶岩接触处，岩溶较发育“。 ( 2 ) 岩体中各类结构面是岩溶发育的温床。各种成分的宽大裂隙是岩溶水流 动的集中通道，是岩溶发育的有利场所。地质构造线往往决定了岩溶水的流动方 向，也控制了岩溶发育的延伸方向，在二组或二组以上裂隙交接处，岩溶尤为发 中南大学博十论文：岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究绪论 育，且个体规模较大。 ( 3 ) 流水系是内陆岩溶区岩溶水的排泄基准面和归宿。岩溶形态在垂直河谷 方向上具有分带性，在横剖面方向上，由河谷向分水岭过渡，岩溶形态具有如下 分布规律：在深切河谷，落水洞数量向分水岭方向渐少，深度也较浅：洼地平缓 河床则增加；在切割不深的河流近旁，向河排泄的暗流发育规模大且水流集中， 向外侧则渐小且分散。 ( 4 ) 水平状洞穴系统在竖向分布上具成层性。某一高程水平的洞穴与既定的 排水基准面相适应，两者高程相当，水平洞穴是这一基面岩溶水长期作用的结果。 地壳或基准面升降，也可以出现级数水平洞穴，其发育程度与规模与地壳、基准 面相对稳定时间有关。两层水平洞系一般有垂直通道相连。 ( 5 ) 岩溶发育程度与规模总的规律有向深处减弱、渐小的趋势。 ( 6 ) 岩溶水运动、有集中的管状流和分散的网状流等形式，其动态具有明显 的季节变化，雨季时，在山麓地段或正常通道受阻处，可产生较大的动水压力。 1 1 3 岩溶对工程的不良影响 ( 1 ) 岩溶岩面起伏，导致其上覆土质地基压缩变形不均。在水平方向上相距 很近( 如1 2 m ) 的两点上，土层厚度可相差4 6m ，以至十余米。在土层较厚 的溶槽( 沟) 底部，往往又有软弱土存在，更加剧地基的不均匀性： ( 2 ) 岩体洞穴顶板变形造成地基失稳。尤其是一些浅埋、扁平状、跨度大的 洞体，其顶板岩体受数组结构面切割，在自然或人为作用下，有可能塌落造成地 基的局部破坏。 ( 3 ) 岩溶水的动态变化给施工和建筑物使用造成不良影响。雨季深部岩溶水 通过连接地表的垂直通道( 漏斗落水洞等) 向地面涌泄；由于各种原因，使岩溶 垂直通道堵塞而丧失消泄地面水流的功能，都可造成场地暂时性淹没。岩溶水分 布不均的特征使裂隙洞穴水的水位和水量骤变。旱季时，在某一深度的岩体可能 呈干燥状态，雨季可突发涌水，使深基施工措手不及。如补给源位置较高，管状 裂隙水流在巨大的动水压力下可冲毁建筑物地坪及地下室底板。 ( 4 ) 土洞坍落形成地表塌陷。土洞形成后可保持相对稳定，若外界条件改变， 可逐渐塌落，最后波及地表形成地表塌陷或地面变形。 工程塌陷危害主要表现在突然毁坏城镇设施、工程建筑和农田、干扰破坏交 通线路，造成人员伤亡。据统计分析，造成工程塌陷的主要因素是人为因素。从 现有资料来看，工程塌陷采空塌陷的危害最大，造成的损失最重，岩溶塌陷次之， 黄土塌陷相对危害较小也较集中”】。 岩溶塌陷是广东、广西、江西、湖南、辽宁等5 个省区的主要塌陷类型。而 人为因素是诱发岩溶塌陷的主要原因。如在调查的6 3 2 处岩溶塌陷中，自然塌陷 1 9 2 处，占总数的3 0 4 ；成因不明的8 处，占1 2 ；人为因素诱发的4 3 2 处，占 6 8 4 。其中矿坑排水诱发的1 5 7 处，占2 4 8 ，生活用抽水诱发的1 8 7 处，占2 9 6 。 据湖南省统计，人为因素诱发的岩溶塌陷占8 6 6 ，塌坑占总数的9 9 8 。而广西 中南人学博士论文：岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析j _ 亍试验研究绪论 人为诱发岩溶塌陷也占总数的7 7 2 4 。从上述数字及实地调查可看出，凡是矿区 大强度排水及过量抽汲岩溶地下水的地区，都是岩溶地面塌陷发育强烈及损失惨 重的地区，即二者之间是一种正相关关系。人为因素诱发的岩溶塌陷特点是突然、 塌陷点多，塌坑大小形状不一，小者不足1 平方米，大者达几百平方米，且发育 具有持续和重复性，发育时间及分布范围也比较集中，因此造成的危害很大。估 计每年因岩溶塌陷造成的直接经济损失在1 2 亿元以上“3 “。 1 1 4 岩溶的处理 岩溶塌陷防治包括四个环节：预测、预防、监测预报及治理。塌陷预测是塌 陷防治的基础，预防、监测和治理是防治塌陷灾害的具体对策。 在工程施工中，所要处理的就是如何对岩溶塌陷以及存在岩溶塌陷危险的工 程项目进行治理。目前岩溶塌陷治理的主要措施有：填堵，跨越，强夯，灌注， 深基础，疏排围改治理，平衡地下水气压力以及综合治理等方法”。 ( 1 ) 填堵法：主要适用于浅部土洞、塌陷。该方法是修补单个塌陷坑最常用 的方法。最简单的方法是在坑底喉道上部和基岩面以上填入块石、其上依次回填 碎石、砂和土壤，近地表部分回填粘土并夯实以防地表水入渗。对于影响到铁路 或重要建筑物的塌陷坑，可以在坑底或坑顶基岩上加设钢筋水泥板，其余部分用 混凝土，浆砌块石，或加注水汲浆的碎石充填。 ( 2 ) 跨越法：对建筑物采用跨越土洞或塌陷的基础。当塌陷坑深、填堵作业 困难时采用，其方法是在塌陷坑顶部基岩上架设各种形式的渡梁。还可以将渡粱 和上面的建筑物、路基结合在一起，既治理了塌陷，又加固了建筑基础。 ( 3 ) 强夯法：强夯法又称为动力深压实法。是用吊车将很重的夯锤( 如1 0 。2 0 t ) 提升到某一规定高度( 一般为1 0 4 0m 高) ，然后让其自由下落来强力夯实地基一 定深度范围内的土层。此法既可用来夯实塌坑回填土、压实建筑物地基，又可消 除浅部土洞隐患，使场地得以改善。 ( 4 ) 灌注法：较常用的灌注法是把灌注材料通过钻孔或岩溶通道的出口进行 灌注。其目的是强化土层和洞穴充填物，充填岩溶洞隙，挡截地下水流，加固建 筑物基础。灌注材料主要是水泥、碎料( 砂、矿渣等) 、速凝剂( 水玻璃、氯化钙) 等。灌浆方式采用低压间歇定量式或循环式灌浆。 ( 5 ) 深基础法：对于一些深度较大，同时跨越结构又无能为力的塌陷坑，采 用深基础加固建筑物地基是一种较理想的方法，常使用打入桩、钻孔灌注桩、旋 喷桩、沉井或墩式结构穿过盖层，将建筑物基础置于基岩上。各种桩式、墩式结 构可单独使用，也可以结合使用。最简单的深基础，是把钢桩倾斜打到基岩上， 为防止桩脚在起伏不平的基岩面上打滑，可在桩的尖端设防滑齿。 ( 6 ) 疏、排、围、改治理方法：塌陷坑往往成为地表水倒灌的进口，因此采 用疏排方式把地表水引开。易产生洪泛的地区要把塌陷坑四周围起来，并尽快回 填。当塌陷坑在河床两侧或河床内时，根据具体情况可考虑河床改道绕行。 ( 7 ) 平衡地下水、气压力法：在一些岩溶空腔内，由于水位升降会产生水气 ! 堕! ! 兰堕：! 堡兰：堂堕些董堂堂堑丝苎鳖堡坌塑皇塑墼堕窒：塑堡 压力的变化，为防止或消除气爆，气蚀效应，可设置各种与岩溶管道相通的装置， 以保持地表与地下的水气压力平衡，消除引起塌陷的动力。 ( 8 ) 综合治理：由于岩溶区地貌、地质、水文条件复杂，在塌陷数量多，影 响范围大的地区，采用单一的治理措施往往收不到理想的治理效果，因此可视具 体情况，针对塌陷产生的诸多因素进行多种方法综合治理。 1 2 国内外岩溶地区桩基研究的现状及水平 1 2 1 嵌岩桩的研究现状 在岩溶发育地区建设重要的工程，由于对上部建筑物( 构筑物) 或桥梁的承载 力要求较高，采用一般的填堵或强夯等简单的方法往往只能消除浅部的土洞，对 承载力的提高幅度不大。因此，常采用嵌岩灌注桩基础，即将桩基置于较稳定的 基岩上，并嵌入一定的深度，以满足承载力的要求。嵌岩桩以基岩作为持力层， 具有以下几个方面的特点：承载力高；单桩沉降量小，且无群桩效应；能 充分发挥桩身强度；抗震性能较好：旌工周期短，不受气候影响等”15 。 嵌岩灌注桩应用于桥梁基础，在我国已有4 0 多年的历史。嵌岩桩作为一种特 定的桩基类型在我国，从九十年代开始得到了广泛的应用和研究，嵌岩桩特性的 理论研究和嵌岩桩的工程应用国内外均有大量的报道14 “。然而，嵌岩桩理 论研究还有许多问题有待进一步的探讨“”“。“。对于嵌岩桩的定义，建筑 桩基技术规范( j o j 9 4 9 4 ) 没有对嵌岩桩作明确定义“，仅在表j 2 1 l 注中 给出当嵌岩段为中等风化岩时，表中的数值乘以o 9 折减的说明。换言之，该规 范1 冬嵌岩桩的定义理解为嵌入微风化岩中的桩为嵌岩桩，这种理解不太全面。刘 兴远”“认为嵌岩桩的定义是：桩端嵌入岩体中的桩称为嵌岩桩。不论风化程度如 何只要桩端嵌入岩体中均可称为嵌岩桩，嵌入不同特性的岩体中的嵌岩桩其特性 的差异是由岩体特性的差异所引起的。 1 2 1 1 嵌岩桩岩体状态的研究 嵌岩桩所嵌入的岩体状态对嵌岩桩工作特性存在很大的影响，从某种意义上 讲岩体的状态决定了嵌岩桩的工作特性。在软质岩体和硬质岩体上嵌岩桩的工作 特性有较大差别，这种差别的本质原因来自于岩体的状态。嵌岩桩桩底岩体状态 的差异所引起的嵌岩桩特性的差异，文献【4 】给出了初步的研究结果。描述嵌岩桩 所嵌入的岩体状态包括两方面：是嵌岩桩嵌岩段岩体状态；是嵌岩桩桩底岩 体状态。目前要想在两方面均给出定量的描述还相当困难，对嵌岩段岩体有人提 出了用岩体风化系数来定量描述岩体的状态。从岩体力学的观点来看，嵌岩段内 岩体的强度与岩体完整性及其裂缝位置、结合程度等密切相关，因此，目前嵌固 中南大学博l 论文：岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究绪论 力计算中，只考虑岩块强度而未反映不同段岩体风化程度或强度、完整性及裂隙 状态等影响显然是不够合理的。嵌固力的计算必须反映岩体的特点，而不能视岩 体为均质岩石，同时要分层考虑。然而岩体风化程度的变化是一渐变过程，其量 化的具体描述有待进一步确定和研究。关于嵌岩桩桩底岩体状态的研究国内还未 见到有关报道。为了能够对岩体状态进行全面的分析，这一方面应进一步研究。 1 2 1 ，2 嵌岩桩模型研究 目前，国内外对嵌岩桩工作特性的理论研究，不论是在嵌岩桩工作特性分析 的有限元计算，还是在嵌岩桩工作特性试验研究方面均进行了一些研究工作，特 别值得一提的是b e n m o k r a n e 等人，通过嵌岩桩模型试验研究在嵌岩桩桩底存在岩 体彩、弱夹层面时，夹层面倾角不同对嵌岩桩的极限承载力的影响，取得了一定成 果，但如何考虑其影响有待进一步研究。 尽管国内外对嵌岩桩进行过大量的试验研究，但是由于历史条件和工程条件 的限制，高质量的、试验资料完整的嵌岩桩试验并不多见，对此文献 1 给出了说 明，这些都限制了嵌岩桩理论的发展。但目前也只能以现有的嵌岩桩试验资料为 依据来认识和理解嵌岩桩的特性。 嵌岩桩嵌岩段剪应力分布的第三种模式是由中科院武汉岩土所根据其模型桩 试验提出的，试验时模型嵌岩桩桩底为空底，此模式同砖砌体剪切试验结果相似。 应该指出的是武汉岩土所的试验结果与重庆建筑大学的模型桩试验结果不同，此 问题有待进一步研究。 对于嵌岩灌注桩的研究工作大都停留在研究桩本身的承载力方面，以及桩与 桩周士的作用机理方面。“。o “”，很少有人在室内进行大型模拟试验，特别是对 于岩溶发育地区的嵌岩灌注桩进行系统的研究工作还不多，嵌岩桩所嵌岩的岩体 特性对嵌岩桩工作特性影响的研究国内外报道极少。国内曾有人利用离心模型试 验研究桩的承载特性。“。4 。但是离心模拟机的结构复杂，造价也很高。如何合 理地设计一种非离心式的物理模型，模拟岩溶地区嵌岩桩的实际工作状态，进行 古连全面地构思，建立与原型具有相似性规律的模型，借助科学仪器和设备，人 为地控制试验条件，研究岩溶地区嵌岩桩的工作特性，为理论研究提供试验数据 和试验验证，为工程设计和施工提供依据和指导，是目前研究的一个方向。 1 2 1 3 嵌岩灌注桩的承载机理研究 ( 1 ) 承载机理研究现状 近年来，人们对于嵌岩桩的轴向力和横向力方面，国内外都有大量的研究成 果，对于嵌岩桩的承载机理也有大量的研究报道“2 6 ”1 “2 ，但对其受力机理 和工作特性的研究一直不很充分。9 0 年后，黄求顺。“等人对嵌岩桩做了较为细致 的研究，提出了嵌岩桩的承载力主要是嵌固力，即岩体与桩身间的侧阻力，它与 桩、土间的摩阻力有较大差别。桩、土间的摩阻力只有在桩土间出现较大位移时 中南人学博士论文：岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究绪论 才能充分发挥作用。“3 。“。”3 “，而嵌岩桩的嵌固力只需桩身承受一定的荷载， 嵌固力便可同步出现，且嵌岩桩的位移较小；并提出了嵌岩桩的承载力由桩、土 涮摩阻力，嵌岩桩嵌岩段的嵌固力及端阻力三部分组成：嵌固力为承载力主要因 素，且进一步提出了嵌岩桩的承载力计算公式，被国家标准建筑桩基技术规范 ( 5 g j 9 49 4 ) 所采纳。嵌岩桩承载力是由嵌岩桩嵌岩段承载力和嵌岩桩非嵌岩段 承载力组成。通常认为由于嵌岩桩嵌岩，嵌岩桩非嵌岩段承载力要降低，这一观 点已被建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 所采用。然而随着外界条件的变化，嵌 岩桩非嵌岩段承载力也可能会增加，具体实例见文献 3 5 。嵌岩桩嵌岩段承载力 的计算随着嵌岩桩嵌岩段剪应力分布模式的不同而不同，仅考虑一种嵌岩桩嵌岩 段剪应力分布模式来计算嵌岩桩嵌岩段承载力，这显然不能反映我国各地区实际 地质条件的差异，为此研究不同地区的嵌岩桩承载力计算公式是今后对嵌岩桩理 论研究的重点工作之一。 ( 2 ) 嵌岩桩嵌岩段剪应力分布的研究现状 关于嵌岩桩嵌岩段剪应力分布模式的研究国内外均进行了不少的研究，归结 起丧嵌岩桩嵌岩段剪应力沿侧向从上向下分布模式有三种：上大下小式；上 小下大式；两头大中间小式。目前，桩基础规范所提出的嵌岩桩嵌岩段极限承 载力的计算公式的理论依据是第一种分布模式。实际上第二、三种计算模式也是 存在的，对此国内外均有试验资料为证。嵌岩桩嵌岩段剪应力分布的第二种模式 是在下述条件下产生的：嵌岩桩嵌岩段所嵌岩体是分层的，上部岩体相对较软弱， 下部岩体相对较硬，且抗压强度也较高。事实上我国大部分地区出现第二种情况 的可能性更大，故此不考虑这种实际情况确定桩基础规范显然欠妥。显然，嵌岩 桩所采用的剪应力分布模式不同，得出的嵌岩桩嵌岩段的工作机理也不相同。 12 1 4 嵌岩桩嵌岩深度的研究 对于最大嵌岩深度和最佳嵌岩深度，不少的专家有各自的提法。1 “”j ，有 的认为取3 倍桩径，有的认为取5 倍桩径或7 倍桩径等，事实上最大和最佳嵌岩 深度不能一概而论，作者认为嵌岩深度应该根据实际的工程地质条件和嵌岩桩的 设计承载力、设计桩长、桩径比以及桩端岩石的性质来综合考虑。尤其对于不同 的基岩其饱和单轴抗压强度相差很大，在上部有同样的覆盖土层时，对于同一嵌 嚣监如果基岩为软岩，要达到要求的承载力时，由于软岩的抗压强度较低，就必 须增大嵌岩深度提高嵌岩段的侧摩阻力，这样嵌岩深度就比较大，对于软岩或极 软岩嵌岩桩的嵌岩深度应远大干3 倍桩径，对此也有相当多的文献进行了报道。 此外对于软岩或极软岩嵌岩桩的嵌岩深度应远大于3 倍桩径，对此也有相当多的 文献进行了报道。而对于基岩为强度较高的硬岩时，可以充分发挥桩端承力，而 不必通过增大嵌岩深度来增加承载力，这样嵌岩深度可以取得比较小，有的取l 倍桩径，甚至取0 5 米即可。在桩基础设计指南一书中认为“：嵌岩深度在 可能条件下，宜浅不宜深，嵌岩深度应考虑区分硬质岩石和软质岩石，硬质岩石 宜控制在( 5 0 2 0 ) c m ，软质岩石宜控制在( 8 0 2 0 ) c m ，否则井孔过深，劳动 6 中南人学博士论文：岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究绪论 条件差，工作面狭窄，钻深十分困难，如采用爆破，太深对整个场地及桩本身都 极有影响。由此可见嵌岩桩最佳嵌固深度是随着嵌岩桩所嵌岩体特性的不同而不 同，应分别研究对待。 1 2 2 岩溶地区其他类型桩基的研究及应用现状 一般地，岩溶地区的桩基，宜采用钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩；当单桩荷 载较大及岩层埋深较浅时，宜采用嵌岩桩”。当桩基范围内存在充填有沉积软土 和砂土时，可利用高压旋喷桩将上层建筑物的荷载传至溶洞底板。同时可采用高 压旋喷桩与挖孔桩结合进行岩溶地区的桩基旋工。在地下水很丰富的情况下，先 用高压旋喷桩形成止水帷幕，然后再进行挖孔桩，这样的施工方案在比较复杂的 地层中常采用。”1 。 在岩溶地区，桩顶荷载较小或桩身较浅时，也可采用挤土桩和预制桩。但是 岩溶地区基岩表面崎岖不平，采用挤土桩容易产生偏斜，对于预制桩则很难估计 桩的实际k 度。因此采用挤土桩和预制桩的情况极少，而采用钻( 冲) 、挖孔桩则 比较灵活，适应性强。”。 冲抓桩在岩溶地区有广泛的应用。冲抓桩是用机械成孔的- , e e 挖孔桩，其直 径般有8 0 0 ，中1 0 0 0 、中1 2 0 0 、中1 5 0 0 m m 等种，常用的几种，其深度可达3 0 m 以上。冲抓桩主要适用于松软土层。在第四系土层厚度较大的地区，桩端的持力 层常为粘土或碎石类，桩上的荷载由桩侧摩阻力和桩端抗力共同承担，冲抓桩在 裂隙发育的硬质岩层、砾卵石层亦广泛应用。 振动冲击沉管桩的施工在岩溶地区应根据地质情况来选用，在岩溶、石笋、 裂隙发育的地区一般不宜采用，在粘土、砂类土、淤泥等地层可采用。 锚固技术也是一种常在岩溶地区使用的岩土工程技术。它可承受土压力、水 压力、风力等所施加于建筑物的水平推力，并利用地基土的锚固力以维持建筑物 的稳定性。 1 3 本文的主要内容及工作 综上所述，尽管国内外不少学者对桩基进行了全方位的研究和探讨，但目前 无论从设计分析理论上，还是在工程实践中尚存在较多的问题和不足，有待进一 步完善和发展。尤其是随着我国近年来土木建筑业的迅猛发展，必然会遇到复杂 的工程地质条件下的桩基的设计施工问题，因此，对岩溶地区桩基的工作特性研 究和探讨已成为目前土木工程界急需解决的重要问题之一”。 目前，我国对岩溶地区桩基的工作特性研究仍处于探索阶段，现行的规范和 设计方法还存在不合理处，其承载力计算、剪应力分布模式、最佳嵌固深度和岩 溶顶板厚度、岩质性状对桩基特性的影响以及岩溶地区嵌岩桩的模型试验研究等 都有待进一步研究。为此本文拟结合我国目前工程实践、现行规范和设计手册规 定，以及科研课题“岩溶发育地区桩基特性研究”研究岩溶发育地区桩基( 尤其 中南大学博士论文：岩济地基嵌岩桩桩基特怿分析与试验研究绪论 对嵌岩灌注桩) 的工作特性，主要进行如下几方面的研究工作。 ( 1 ) 通过对国内外已有有关研究文献的综合分析，较深入地探讨竖向荷载作 用下桩基的荷载传递机理，揭示桩与土之间的力的传递和变形协调规律。以及按 桩身结构强度以及土的强度和变形分析桩基竖向承载力。 ( 2 ) 研究桩端阻力和桩侧阻力的深度效应机理以及基桩的负摩阻力问题。探 讨对于嵌岩灌注桩，最佳嵌岩比的选择以及在桩基周围具有土洞或出现塌陷情况 卜- ，桩周土有可能出现负摩擦时桩基的受力情况分析。 ( 3 ) 应用相似理论对岩溶地区桩基的实际工作状态进行模拟试验研究，主要 包括模型的设计、制造，试验数据采集和处理的自动化，岩体特性的模拟研究， 边界条件的确定与模拟。岩体特性模拟的目的是找到一种与原型现场的灰岩的密 度、抗弯强度成比例，抗弯强度和弹性模量接近该比例的模拟材料。 ( 4 ) 在分析研究桩与溶洞顶板的相互作用的基础上，通过理论分析和模型试 验研究，提出相关理论与经验公式，确定顶板安全厚度；提出嵌岩深度与模拟顶 板的作用机理以及最佳嵌岩深度的选取原则。 中南大学博卜学位论文：岩溶地基嵌岩桩桩皋特件分析与试验研究降向荷载下牡桩的丁作性状 2 竖向荷载下基桩的工作性状研究 在桩基工程实践中，应用最广的是竖向荷载作用下的桩。竖向荷载作用下的桩土 相互作用问题对桩基的设计和施工影响较大，关于基桩及桩群向邻近土体传递应力的 机理，许多方面尚在研究中。基于机理的认识主要来自两个途径，一是桩的小比例尺 模型试验和桩的现场静载试验，二是利用弹性理论及数值计算方法分析求解。在现有 条件下模型试验模拟嵌岩桩的实际工作性状还有一定的差距，难以深究桩基深处土层 在实际应力条件下的性状及其与桩的相互作用；现场静载荷试验影响因素过多，非大 量试验难以找出规律性。后者由于计算初始参数难以确定以及目前在数学上还未能完 善地模拟桩的设置过程，因而在理论分析时无法考虑在施工过程中桩一土体系的应力 应变的变化，而且受到计算机时间和费用的限制。 本章主要从分析桩与土的相互作用、桩的荷载传递机理、破坏模式、承载力的发 挥以及变形等方面入手在理论上探讨基桩工作性能。 2 1 基桩的荷载传递机理 桩的荷载传递理论主要揭示桩一土之间力的传递与变形协调规律，是桩的承载力 机理和桩土共同作用分析的重要理论依据。 2 ，1 _ l 桩一土体系的荷载传递机理 基础的功能在于把荷载传递给地基土。作为基础主要传力构件的基桩是一种细长 的杆件，它与土的界面主要为侧表面，底面只占桩与土的接触总面积的很小部分( 一 般低于l ) ，因此桩侧界面是影响桩向土传递荷载的重要因素，甚至是主要的途径。 竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部旨先受到压缩而发牛相对于土的向下位移， 二 二悬桩周土在桩侧界面上产牛向上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克 服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程；因而桩身轴力沿着深度而逐渐减小：在桩 哕州：蛀身轴力则与桩底土反力相平衡，同时桩端持力层土在桩底土反力作用下产生压 缩，使桩身下沉，桩与桩间土的相对位移又使摩阻力迸一步发挥。随着桩顶荷载的逐 渐增加，上述过程周而复始地进行，直到变形稳定为止，于是荷载传递过程结束。 由于桩身压缩量的累积，上部桩身的位移总是大于下部，因此上部的摩阻力总是 先于下部发挥出来：桩侧摩阻力达到极限之后就保持不变：随着荷载的增加，下部桩 身摩阻力被逐渐调动出来，直至整个桩身的摩阻力全部达到极限，继续增加的荷载就 完全由桩端持力层土体承受；当桩底荷载达到桩端持力层土的极限承载力时，桩便发 牛急剧的、不停滞的下沉而破坏。 9 中南大学博十学位论文：岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究竖向荷载下基桩的丁作性状 2 1 i2 荷载传递分析 出图2 一l 看出，仕一深度z 桩身截回明而载为： p ( ：) = e o u r g 。( z ) d z 竖向位移为： s 0 ) 2 s 。一两1 f o p ( ：) d ： i ! ! 微分段d z 的竖向平衡可求得吼( 力为： 吼o ) = 一吉掣 微分段d z 的压缩量为 故 将式( 24 ) 代入式( 2 - 3 ) 得 雌) _ _ 老a = 雌) - 爿e p 掣 删= 可a e p 掣 ( 21 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中：u 桩身截面周长： e 。桩身弹性模量； a 桩身截面面积。 通过式( 2 5 ) 可以进行荷载传递的分析和计算，目前多通过桩身埋设应力或位移 测试元件( 钢筋应力计、应变片、应变杆等) 求得轴力和侧阻沿桩身的变化曲线( 图 2 一1 ) 。 q一 b l 吾审i 汐 3e ：习“ j 。 7m ) 影。) f 习 j g u - p ( 二) + d p ( ：) 一 j5 尸6p 图2 - 1 桩土体系荷载传递分析 堕旦苎兰塑兰丝笙兰! 堂堕些苎塑查壁壁苎量生坌塑兰堕竺型壅：墅塑竺塑! 苎竺竺三堡! ! 垫 2 1 3 荷载传递性状的变化规律 马特斯和波勒斯( m a t t e s p o u l o s ，1 9 6 9 ，1 9 7 1 ) 。“”采用线弹性理论对基桩的 荷载传递机理进行了理论分析，结合试验研究和理论分析结果。3 ，可得到桩土体系荷 载传递性状随有关影响因素变化的一般规律。“如下： ( 1 ) 桩在竖向荷载下发生压缩与沉降的同时，一方面由桩身侧面引起土体的剪切 变形( 紧贴桩身界面的土随桩一起位移) ，该剪应变服从土体的剪应力一剪切位移关 系，如图2 - 2 ( 0 所示；另一方面由桩底面引起土体压缩变形，它服从土体的压应力 一竖向位移关系，如图2 2 ( 功所示。从而通过桩土界面将荷载传递给土层，并在变 形协调过程中达到静力平衡。 ( 2 ) 桩端土与桩周土的刚度比厶最愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快，即传递到 桩端的荷载愈小。当桩的长径比i d = 2 5 ( 图2 - 3 ) ，磊l = 1 ( 即均质土层) 时，桩端 阻力占总荷载仅约5 ，接近于纯摩擦桩：当磊最增大到1 0 0 时，其端阻力占总荷载 约6 0 ，则属于端承桩，桩身下部侧阻力的发挥值相应降低；而丘点再继续增大， 一 ， s 式 崔 要 督 r 詈 基 o 嘣 _ i 宅 盏 桩底峰向位移乩 ( 占) 图2 - 2 桩侧阻力和桩端十反力与位移的关系示意 ( 日) 剪切位移岛( 6 ) 桩底一晤向位移矗 对端阻力分担荷载比影响不大。 ( 3 ) 随桩土刚度比磊反( 桩身刚度与桩周土刚度之比) 的增大，传递到桩端的 荷裴增大，侧阻发挥值也相应增大：但当届丘10 0 0 后，端阻分担的荷载比变化 不明显，如图2 4 所示。 ( 4 ) 随桩的长径比d 增大，传递到桩端的荷载减小，桩身下部侧阻力发挥值相 应降低。当1 k 4 0 ，在均匀土层中，其端阻分担的荷载比趋于零：当力t 0 0 ，不 论桩端土刚度多大，其端阻分担荷载值很小，可忽略不计( 图2 - 8 ) 。 ( j ) 随桩端扩径比d d 增大，桩端分担荷载比增加。对于均质土层中的中长桩( d 一4 0 ) ，其桩端分担荷载比，等直径桩仅约5 ，d d = 3 的扩底桩可增大至约3 5 ， 如图2 6 所示。 荷载传递分析结果表明，单桩极限承载力所对应的某特定土层的极限侧阻力吼。 和极限端阻力，由于桩长与桩径比异常，或桩端、桩周土刚度比异常，或由于该 土层分布位置的变化，其发挥值是不同的。为有效发挥桩的承载性能，设计中运用桩 中南大学博士学位论文：岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究蛏向荷载下基桩的t 作性状 0 02 040 60810 桩身轴向力 p 图2 - 3 桩底十刚度对 荷载传递的影响 002o40608 10 桩身轴向力r p l 0 一e t * * # # ；再，n 自 土体系荷载传递特性，根据土层的分稚与性质 是十分必要的。 2 2 单桩的荷载一沉降特性 景 t _ _ ； l 案 l - 柩 撂 誊 罾 钆 斛 采 t 蟮 挂 皇 ：髟j i o 废 桩的刚度系数儿= 晶e ； 图2 4 桩的相对刚度对 荷载传递的影响 4 3 。0 氯f b ，：习 ：i 缓2 5 l o1 0 2 l o 3 i o 4 桩的刚度