（岩土工程专业论文）软岩地基中大直径嵌岩灌注桩承载性能研究.pdf

摘要 随着大规模城市建设和各项基础设施建设的迅速发展，嵌岩桩以其承载力 高、沉降小、施工简单、抗震性能优良等特点而被广泛使用。但是耳前人们对嵌 岩桩的承载机理了解得并不透彻，特别是对软岩地基中大直径嵌岩灌注桩的承载 性状的研究还比较缺乏，现有的嵌岩桩竖向承载力计算理论与其实际受力性状差 别较大，还有待进一步研究。 本文基于宜昌一万州铁路线渡口河特大桥桩基监测项目，采用现场试验和有 限元模拟相结合的方法，对软岩地基中大直径嵌岩灌注桩的承载特性和荷载传递 机理进行了研究，所做的工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 阐述了目前国内外对嵌岩桩承载特性研究的现状，包括嵌岩桩的研究方 法和研究成果，并简单介绍了软岩的概念及分类。 ( 2 ) 详细分析了嵌岩桩承载和变形的基本特征，从而总结出影响嵌岩桩承载 力的各种因素。 ( 3 ) 对软岩地基中嵌岩灌注桩进行了长期原位观测，提供了大量新的嵌岩桩 实测数据资料，在这些资料的基础上分析了施工加载前桩身的初应变的变化规 律，并详细分析了工作荷载作用下软岩嵌岩灌注桩的承载机理和荷载传递特性， 包括桩身轴力、桩侧阻力的分布发展规律及荷载一沉降曲线特征。 ( 4 ) 介绍了岩体的变形特性，以及岩体常用的几种本构模型，并说明了它们 各自的优缺点及适用范围，着重阐述了本文采用的d _ p 弹塑性模型。 ( 5 ) 运用商业有限元软件建立了嵌岩桩的三维弹塑性有限元模型，对嵌岩桩 竖向承载性状进行了数值分析，将有限元计算结果与实测数据进行了比较；并研 究了桩长、桩径、桩身模量、岩石强度等因素对嵌岩桩承载性状的影响，得到了 一些结论，可为嵌岩桩的设计、施工提供参考。 关键词：嵌岩桩，软岩，承载性状，荷载一沉降曲线，荷载传递机理，有限单元 法，弹塑性模型 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl a r g e - s c a l eu r b a na n di n f r a s t r u c t u r e c o n s t r u c t i o n , r o c k s o c k e t e dp i l e sh a v eb e e nw i d e l yu s e db yr e a s o n so f t h e i rh i g l lb e a r i n gc a p a c i t y , s m a l ls e t t l e m e n t , s i m p l ec o n s t r u c t i o na n d g o o da n t i - e a r t h q u a k ep r o p e r t y b u tt h eb e a r i n gm a c h a n i s mo fr o c k s o c k e t e dp i l eh a sn o tb e e nu n d e r s t o o dt h o r o u g h l y , e s p e c i a l l yt h eb e a r i n g p r o p e r t i e so ft h el a r g e - d i a m e t e ra n dm e d i u m - - l o n gs o c k e t e dp i l e si ns o f t r o c kf o u n d a t i o n t h ec u r r e n td e s i g nm e t h o d sa r es t i l ld i f f e r e n tf r o mt h e r e a lb e a r i n gm a c h a n i s ma n dn e e dt ob ed e v e l o p e d b a s e do nt h ep r o t o t y p eo b s e r v a t i o no ft h ep i l e sf o u n d a t i o nu n d e rt h e b r i d g eo fd uk o uf i v e r i n y i c h a n g - w a n z h o ur a i l w a y ，t h eb e a r i n g p r o p e r t i e sa n dl o a d - t r a n s f e rm a c h a n i s mo fl a r g e - d i a m e t e rr o c k s o c k e t e d p i l e si ns o f tr o c kh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r , u s e dt h em e t h o dw h i c h c o m b i n e di n s i t et e s td a t aw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i n c o d c e i t i so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r e s e n tr e s e a r c ho nt h eb e a r i n gb e h a v i o ro fr o c k s o c k e t e d p i l ei ss t a t e d ，i n c l u d et h er e s e a r c hm e t l l o da n dp r o d u c t i o n ；a l s o ，ab r i e f i n t r o d u c t i o ni sm a d ea b o u tt h ec o n c e p ta n ds o r to fs o f tr o c k ( 2 ) t h eb a s i cb e a r i n ga n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o c k - r o c k e t e dp i l e sa r ea n a l y z e dt h o r o u g h l y , a n dt h e nt h ef a c t o r si n f l u e n c i n g t h eb e a r i n gc a p a e i t yo f r o c k - s o c k e t e dp i l e sa r ef o u n do u t ( 3 ) p r o t o t y p eo b s e r v a t i o no fr o c k - s o c k e t e dp i l e i ns o f tr o c ki s c o n d u c t e d ，a n dal a r g en u m b e ro fn e wi n - s i t et e s td a t ai sp r e s e m e d b a s e d o nt h e s ed a t a ，t h el a wh o wi n i t i a ls t r a i nc h a n g e sb e f o r e l o a d i n gi s a n a l y z e d ，a l s ot h eb e a r i n gp r o p e r t i e sa n dl o a d - t r a n s f e rm a c h a n i s mo fr o c k - s o c k e t e dp i l e si nw o r k i n gc o n d i t i o na r ea n a l y z e d ，i n c l u d et h ed i s t r i b u t i o n o fa x i a lf o r c e ，t h es i d er e s i s t a n c eo fp i l e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f l o a d s e t t l e m e n tc l l r v e ( 4 ) t h e r o c km a s s sd e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n ds o m ef a m o u s c o n s t i t u t i v em o d e l sa r ei n t r o d u c e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s em o d e l sa n dt h e i ra p p l i c a b l ec o n d i t i o u sa r ed e s c r i b e dg e n e r a l l y e s p e c i a l l y ，t h ed - pe l a s t i c p l a s t i cm o d e lw h i c ht h i sp a p e ra d o p t e di s e x p a t i a t e dt h o r o u g h l y t t ( 5 ) 3 - - d i m e n s i o n se l a s t i c - p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr o c k - s o c k e t e dp i l ei se s t a b l i s h e d t h eb e a r i n gp r o p e r t i e so fr o c k s o c k e t e d p i l e su n d e rv e r t i c a ll o a d i n ga r es i m u l a t e d ，a n dc o m p a r e ds i m u l a t er e s u l t w i t ht h ei n s i t et e s td a t a ；t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h eb e a r i n gp r o p e r t i e so f r o c k - s o c k e t e dp i l e sa l ed i s c u s s e d , s u c ha st h el e n g t ha n dd i a m e t e ro f p i l e ， e l a s t i cm o d u l u so f p i l ea n de l a s t i cm o d u l u so f r o c k s o m ev a l u e dc o n c l u s i o n sa r ed b t a i n e di nt h i sp a p e r , w h i c hc a no f f e r r e f e r e n c et ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h er o c k - r o c k e t e dp i l e s k e yw o r d s ：r o c k - s o c k e t e dp i l e s ，s o f tr o c k ，b e a t i n gp r o p e r t i e s ，l o a d s e t t l e m e n t c u r v e , l o a d t r a n s f e rm e c h a n i s m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , e l a s t i c p l a s t i cm o d e l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：猃租恩作者签名：塑堡鳖 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：哗导师签名碑日期：兰竺z 姓月日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 研究的意义 当建筑场地浅层地基土质不能满足要求，也不宜采用地基处理等措施时，往 往需要以地基深层坚实土层或岩层作为地基持力层而采用桩基础方案。桩基础是 最古老的基础型式之一【l 】。早在有文字记载之前人类就懂得在地基条件不良的河 谷和洪积地带采用木桩来支承房屋。1 9 8 2 年在智利发掘的文化遗址所见到的桩距 今大约一万二千年至一万四千年，我国历史上最早的桩是浙江余姚河姆渡的木 桩，已有7 0 0 0 多年的历史 2 1 。桩基不仅历史悠久、应用广泛，而且经久耐用。 桩基础虽然是一种传统的基础，但由于地层和使用条件的复杂多变，新桩型、 新工艺不断出现，给桩基的承载性能和设计理论方法的研究不断提出新的课题。 随着城市高层建筑的兴建，沿海港口设施、桥梁建设的迅速发展，对地基承载力 和变形的要求越来越高，大直径嵌岩灌注桩由于其承载力高、控制沉降性能好、 施工简单、地层条件适应性强、工程造价经济等优点而得到了广泛应用。据资料 统计，目前灌注桩年使用量达1 0 0 万根以上1 3 】。因此，对这种桩型进行深入的研 究具有重大的现实意义。 1 1 2 研究的目的 目前，对于嵌岩灌注桩的研究分析，主要是通过原位测试、模型试验及数值 分析来进行的，对嵌岩桩的荷载传递性状已经有了初步的认识。但嵌岩桩由于其 承载力大，现场试验比较困难，试验耗费大，且很难进行破坏试验，因而完整的 试桩资料和实测资料不多，这就制约了人们对其承载特性的全面认识 4 - 5 。目前 嵌岩灌注桩的理论研究还没有成熟，人们对嵌岩桩的承载机理了解得并不透彻， 特别是对软岩地基中大直径嵌岩桩的承载性状的研究还比较缺乏，现有的软岩嵌 岩桩竖向承载力计算理论与其实际受力性状差别较大。在目前工程实践中，对于 嵌岩桩的设计仍存在不合理的现象睁”：一是把嵌岩桩按端承桩来设计，不论桩的 长径比( 啪的大小均不计侧阻力，只注意到桩端阻力的作用而忽略了桩的荷载传 递机理和承载特性，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，当强风化层很厚仍将嵌岩桩端嵌入中微风化层；三 是在岩层中不适当地采用扩底。这实际上不能使嵌岩和扩底部分的承载力得到有 硕士学位论文第一章绪论 效利用，而造成很大的浪费。因此，对于软岩嵌岩灌注桩承载性能的研究仍需不 断深化，分析计算方法仍需进一步研究和完善。 基于以上现存的问题，本文结合宜万铁路( 宜昌一万州) 渡口河特大桥桩基础 的监测项目，对软岩地基中全嵌岩灌注桩在施工加载前桩身的应变特征进行了分 析探讨，并着重对施工荷载下的嵌岩桩的承载机理及其变形特性进行了细致的分 析：拟采用商业有限元软件模拟分析软岩地基中全嵌岩灌注桩的受力变形特性， 对影响软岩嵌岩灌注桩承载性能的各种因素进行系统的分析比较：通过现场观测 分析和数值模拟相结合更好的研究嵌岩灌注桩的承载性能等都将是本文有待解 决的问题。 1 2 嵌岩灌注桩简介 桩的分类方法很多，根据成桩方法【8 l ，工程中常用桩型可分为预制桩、灌注 桩和搅拌桩。按灌注桩的尺寸又分为大直径桩( d 8 0 0 m m ) 、中等直径桩和小直径 桩( d 6 03 0 6 01 5 3 05 1 5 5 公路桥涵地基基础设计规范( j t j 0 2 4 - 8 5 ) 3 05 3 05 岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 6 03 0 6 0 1 5 3 05 1 5 5 工程岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 - 9 4 ) 6 03 0 6 01 5 3 05 1 55 水利水电工程地质勘察规范 6 0 3 0 6 0 6 03 0 6 01 5 3 05 1 5蔓5 ( t b l 0 0 0 2 5 - 2 0 0 5 ) 2 软岩的成因类型 软岩从成因方面考虑可分为原生类型和次生类型，后者还可划分为风化软岩 与断裂破碎软岩。 ( 1 ) 原生软岩。主要是指沉积岩。它是由松散堆积物在温度不高和压力不大 5 硕：t 学位论文 第一章绪论 的条件下形成的，是地壳表面分布最广的一种层状岩石，粘土基质含量高，胶结 程度差，吸水时往往具有膨胀性与易溶性。其工程性质与胶结物成分及含量密切 相关，如枯土岩、泥质砂砾岩、页岩、泥灰岩、疏松砂岩、云母片岩、岩盐、石 膏等。 ( 2 ) 风化软岩。是由坚硬岩石长期受物理、化学等自然因素的作用，即风化 作用，致使岩体疏松以至松散，物理力学性质变坏而生成的岩石，它的风化程度 随深度增加而减弱，其风化程度可定性划分为：未风化带、微风化带、中等风化 带、强风化带及全风化带。 ( 3 ) 断裂破碎软岩。是由构造应力作用形成的软岩，主要包括断裂带中的软 弱糜棱岩、火成岩侵入过程中的接触变质破碎软岩、层间错动的软弱层。这类软 岩对工程稳定影响最严重的是层间错动的软弱层。 3 软岩按时代划分 有的研究者通过实验结果表明，不同地质时期形成的软岩其经受的构造运动 次数不同，成岩和压密作用不同，因而粘土矿物成分及含量也各不相同。按生成 时代和粘土矿物特征可将软岩分为三种类型【1 9 1 ： ( 1 ) 古生代软岩。主要包括中上石炭系及二叠系软岩，其主要的粘土矿物为 高岭石，其次为伊利石和伊蒙混层矿物，基本上不含蒙脱石。 ( 2 ) 中生代软岩。主要包括侏罗、白圣系及部分三益系软岩，主要粘土矿物 为伊蒙混层，其次为高岭石、伊利石，蒙脱石含量一般低于1 0 。 ( 3 ) 新生代软岩。主要是第三系软岩，粘土矿物以蒙脱石为主，其次是伊蒙 混层和高岭石。 1 4 嵌岩桩国内外研究现状 在以前很长一段时间里，学术界和工程界都把嵌岩桩作为端承桩处理。许多 国家的地基基础规范( 包括我国的g b j 7 8 9 ) 都将嵌岩桩按端承桩设计，完全不考 虑桩侧阻力。有的规范虽考虑嵌岩段的侧阻力，却忽略覆盖土层的侧阻力。随着 对嵌岩桩承载机理研究的深入，四十多年来国内外大量的理论分析和工程实测资 料1 4 , 2 坨2 1 都表明，随着上覆土层的性质和厚度的不同，桩长径比t j d f 搀不同，嵌入 基岩深度和性质的不同，以及桩底沉渣厚度及成桩工艺的不同，桩侧阻力、端阻 力的发挥性状也完全不同。通过荷载传递测试，一般情况下，上覆土层的侧阻力 是可以发挥的。即使是无覆盖土层的嵌岩桩也不一定是端承桩，较长的嵌岩桩大 多属于摩擦桩，把嵌岩桩全部视为端承桩是不符合实际的。嵌岩桩理论研究还有 许多问题有待进一步的探讨瞰强”，尤其是加强嵌岩桩的荷载传递特性、承载性 状的研究，这样才能更好的指导实践。 6 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 1 研究方法 纵观国内外对于嵌岩桩的研究方法，主要可以归结为三种：原位测试法、数 值分析法和室内实验法。 ( 1 ) 原位测试法 原位测试法是国内外研究嵌岩桩最常用的手段。因为测试本身与设计、施 工是一致的，设计需要测试结果的验证，测试又是进一步认识桩性能，从而指导 桩的设计。国内对于嵌岩桩的著述绝大多数是基于此，有代表性的如：史佩栋陶， 吕福庆i z t l 、董金荣网、王国民例等。国外的有c h u nfl 1 3 0 1 、m c v a ymc 3 1 1 等等。 原位静载荷试验可以说是检验嵌岩桩承载力最权威的手段，对于影响桩承 载力的因素考虑最为全面，所测试状态与桩的工作状态最为接近。但由于每一个 工程都面临不同的地质条件，不同的上部荷载，它们各自的桩长、桩径、嵌岩深 度，还有施工所造成的各种不确定因素( 如桩底沉渣等) 会有很大差别。这样就会 严重降低各个测试数据之问的可对比性，难以得出严格的规律性认识。所得出的 结论往往只是定性的认识，具有很大的经验性，片面性，得出的结论往往只能适 用于特定的情况。 ( 2 ) 数值分析法 近几十年来，由于计算机技术的发展，数值计算在土木工程领域得到很大的 应用，极大地推动了人们对于这一领域的定量化认识。嵌岩桩的数值模拟包括三 部分，即桩身混凝土、岩体以及桩身混凝土和桩岩交界面。其中，有限单元法由 于能考虑影响嵌岩桩承载性状的各种因素，而成为嵌岩桩数值模拟的主要方法。 有限元法的发展经历了由线弹性有限元法向非线性有限元法发展的过程，二 者各有优缺点，弹性有限元需要参数少，计算简单，某些情况下可满足工程要求， 但在桩岩界面出现破坏或桩身混凝上，岩石出现破坏时就无法分析，也无法进行 破坏数值分析，理论上说非线性有限元分析可以模拟嵌岩桩的大部分特性，但能 否获得所需的参数以及参数的准确性成为发展和应用的制约因素。 国外的研究中，早期v o g a n r w 3 2 、o s t e r b e r gj d 3 3 1 用弹性有限元模拟了混 凝土和岩石的工作状态，因此在引用弹性结果时要注意到这一点，因为其暗含的 假设是：桩岩界面胶结或嵌固良好，界面无相对滑动。之后的研究发现桩岩界面 在多数情况下会出现滑动。g o o d m 觚1 3 卅等( 1 9 6 8 ) 提出了一种无单元厚度的四节点 岩石节理单元( g o o d m a n 单元) 以描述二维岩体节理面之间的相对错动位移，并按 法向和切向刚度给出了刚度的矩阵表达式。r o w e r k ( 1 9 8 0 ) t 3 5 】使用双节点法模拟 桩岩界面，分析了界面软化行为的影响因素和桩侧剪阻发挥的影响因素。 d o n a l d l 3 6 1 和c h i u 、s l o a n ( 1 9 8 0 ) 采用弹塑性有限元法对嵌岩桩进行了排水与不排 水加载分析，在排水分析中，采用零厚度节理元模拟桩岩界面。d e s a i y q ( 1 9 8 4 ) 7 硕士学位论文第一章绪论 建议用薄层单元法模拟岩石的节理或交界面，认为薄单元比g o o d m a n 的零厚度 单元更能反应实际情况。之后，d e s a i ( 1 9 9 2 ) 提出可以考虑界面软化、剪胀的扰动 状态模型。r o w e ( 1 9 8 7 ) 1 3 8 】仍采用双节点法分析了影响桩侧剪阻发挥的因素。 l e o n g ( 1 9 9 4 ) ”】采用无限元模拟岩体的无界域，从分析成果看，考虑远域对结果 影响不是很大。l e o n g 又建议了一种能考虑硬化、软化及剪胀效应的界面单元， 但该模型要求的参数较多。s e i d e l ( 1 9 9 5 ) 介绍了一种利用分形理论描述三角形凸 起界面的模拟方法。h a s s a n 和o n e i l l ( 1 9 9 7 ) 为软质泥岩中桩岩界面的不平整方 式为正弦分布，他们直接采用曲线的“滑动线”单元模拟界面。但作者没有讨论 网格对精度的影响和如何应用到三维问题中。 国内的研究中，殷宗泽( 1 9 9 4 ) 【4 0 l 在d e s a i 的基础上，用薄单元法研究了土与 混凝土接触面的变形和数学模拟方法。韩国城( 1 9 9 4 ) 4 l 】研究了混凝土防渗墙与砂 之间的剪切特性，认为当交界面没有泥浆护壁形成的泥皮时，可不设界面单元而 采用在界面处加密剖分的方法。雷晓燕( 1 9 9 6 ) 【4 2 】建议了一种分析三维接触问题的 界面模型。这些对桩岩界面的模拟都具有很好的借鉴作用。寥雄华【4 3 】等( 2 0 0 2 ) 对 无厚度g o o d m a n 界面元、有厚度接触面单元和d e s a i 薄层界面单元的特征和所 代表的物理力学模型分析比较，认为桩土界面破坏一般发生在土体一侧的有限的 范围内，并建议用d c s a i 薄层界面单元。陈斌m 】等( 2 0 0 2 ) 采用d u n c a n 非线性弹 性b 召模型对嵌岩桩垂直荷载作用下的承载性状作了有限元分析，得出以下结 果：桩底沉渣会增加嵌岩桩的侧阻力峰值和桩身沉降，显著提高桩侧岩层的局部 应力；嵌岩桩的桩端阻力对荷载的分担比例随着嵌岩深度的增加而逐渐减少；随 着桩侧基岩强度的减小，桩端阻力的荷载分担比将显著提高；高强度硬岩的强度 指标的波动对嵌岩桩承载力的影响比软岩要小；基岩强度与承载力之间有近似指 数函数的关系；嵌岩段桩侧阻力的非线性分布现象突出，呈现为双峰曲线，在嵌 岩深度较小时尤为明显，当嵌岩深度较大时，则下部峰值逐渐退化，不过他没有 设置桩岩接触面单元。韦立德m j 等( 2 0 0 3 ) 用d e s a i 薄单元模拟桩岩接触面，对南 宁泥质砂岩嵌岩桩进行有限元分析后认为：桩端阻力占总荷载的比例随着嵌岩深 度的增大而降低，随着桩顶荷载的增加而提高，说明嵌岩段桩侧阻力先于桩端阻 力发挥作用；桩侧摩阻力随嵌岩深度的非线性分布现象突出，较多的情况下为双 曲线，出现两个峰值。 ( 3 ) 室内实验法 基于前两种方法的局限性，室内试验在研究嵌岩桩方面便有着不可替代的意 义。可能是由于经费的限制，国内很少有关嵌岩桩工作机理方面的试验报道。从 而极大地限制了我们对于嵌岩桩工作机理的认识程度。在国外，i w j o h n s t o n t s x l a m 和a ew i l l i a m s l 4 6 1 用常量法向刚度直剪试验研究了软岩嵌岩桩中桩岩 8 硕士学位论文 第一章绪论 剪切的情形，得出了软岩嵌岩桩侧阻力的发挥受控于桩井的法向刚度常量的结 论；i a n w j o h n s t o n 和t h o m a ssk l 【4 7 】利用混凝土与人工软岩的三角形连接剪切 试验，得出了桩岩侧阻力满足的解析式；b i n d r a r a t n a 郴】通过常量法向刚度直剪 试验，研究了不同剪胀角条件下，桩岩之间软弱夹层对侧阻力的影响。 ，4 2 嵌岩桩竖向承载力研究成果 国内外学术界和工程界通过现场实测资料、模型试验以及简化计算方法对 嵌岩桩的荷载传递作了大量研究工作，对嵌岩桩的荷载传递机理有了进一步认 识。 1 国内研究成果 规范是国内设计方法的典型代表。目前国内使用较多的有以下几种 4 9 - 5 0 ： 建筑地基基础设计规范 s l i g b j 7 8 9 认为嵌岩桩沉降小，桩侧阻力很难发 挥，规定嵌岩灌注桩承载力按端承桩设计，忽略了桩侧阻力的作用，显然不尽合 理，同时与目前研究出的嵌岩桩承载性状有差距，因此该方法只符合支承在基岩 表面的短桩承载力性状，而与长径比较大的嵌岩灌注桩承载力性状差异较大。 建筑桩基技术规范1 9 1 j g j 9 4 9 4 提出了嵌岩桩极限承载力由土的总极限侧 阻力、嵌岩段总极限侧阻力和桩端总极限端阻力标准值三部分组分，并给出了半 经验公式。它采用以可靠度理论为基础的概率极限状态设计方法，以可靠指标度 量桩基的可靠度，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计，但也引起 了一定的争论。 公路桥涵地基与基础设计规范【5 2 l j t j 0 2 4 8 5 和铁路桥涵设计规范 s 3 j t b j 2 8 5 都推荐了计算公式，但这两种规范都忽略了覆盖土层的侧阻力，对嵌 岩桩的性状认识不足，未能考虑嵌岩深度对桩的侧阻力和端阻力的分担比的影 响，对于嵌入强、中风化层的嵌岩桩的工程实际不符。 以上规范给出了嵌岩桩承载力的计算方法，经验参数多，取值较大偏于保守， 地区适用性较强，而且没涉及设计位移值。大部分公式只笼统地考虑了桩周、桩 端岩石的强度和嵌入深度，而对影响其承载力的岩石结构特征、桩端条件、桩的 尺寸及桩岩界面的粗糙度等没有考虑。正是由于这些因素的影响，使得嵌岩桩的 承载性状变得差异很大。因此国内已有许多学者通过试验、原位观测及计算相结 合方法对嵌岩桩的承载性状作了进一步的研究。 黄求顺【删等人依据所收集的试验资料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、土问的摩阻 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才能充分发挥作 用，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、土间的摩阻力，嵌岩桩嵌岩段的嵌 9 硕士学位论文第一章绪论 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( j g j 9 4 9 4 ) 及四川省标准重 庆市建筑地基基础设计规范( d b 51 5 0 0 3 9 3 ) 所采纳。 史佩栋、梁晋渝【55 】通过研究国内和国外共1 4 0 根带有量测元件的嵌岩桩静载 试验资料，得出结论：嵌岩桩一般均属摩擦桩，其摩阻分担荷载比g q 随桩的长 径比上埘增大而增大，当覆盖层厚度小而l d 3 5 时，g o 心甚至有 9 5 的情况； 当覆盖层厚度大而l d - ( 1 5 2 0 ) 的泥浆护壁钻( 冲) 孔嵌岩桩，不论嵌入风化岩还 是完整岩石中，其传递具有摩擦桩的特性，即桩侧阻力先于端阻力发挥出来，端 阻分担的荷载较小，一般桩端阻力所占比例不超过2 0 ，属于摩擦型桩。 5 当l d 一 4 0 且覆盖土层为非软弱土层时，嵌岩桩的桩端承载作用较小，在 这种情况下，桩端嵌入强风化或中风化岩层即可，桩端嵌入中微风化或新鲜基岩 不会改变桩的承载性状。因此，凡是嵌岩桩必入中微风化层，以及当强风化层很 厚仍将桩端嵌入中微风化层的设计，只会导致经济上的浪费、工期的拖延及增加 施工难度，而承载力不会有明显提高。 6 嵌岩段的荷载传递特征是荷载首先通过侧阻力传递于嵌岩段侧壁，在产生 一定剪切变形后( 一般相对位移小于2 m m 4 r n m ) ，一部分荷载才传递至桩底。 由于嵌岩段的单位侧阻力比土层高许多，因而端阻所占比例很小，当嵌岩深度超 过5 倍桩径时，传递至桩端的应力已经接近于零。因此，继续加大嵌岩深度对桩 承载力提高的意义不大。 1 3 硕士学位论文 第二章嵌岩桩蠖向承载机理 7 尽管嵌岩桩在一般情况下属于摩擦桩型，但由于桩端以下为低压缩性土 层，其沉降较小，且嵌岩桩群桩的沉降不致受群桩效应的影响而增大，且沉降稳 定较快。 8 由于嵌岩灌注桩的嵌岩部分有较高的侧阻力和端阻力，其单桩承载力往往 超过相同截面的土中的摩擦桩，桩身压应力值很高。因此桩身强度同桩侧桩端土 层强度一样是控制单桩承载力的重要因素。 2 2 嵌岩桩的破坏模式 基桩的破坏指基桩在荷载作用下，桩顶沉降超过了允许值，产生的原因可能 是桩体材料发生破坏，也可能是土( 岩) 体发生破坏。单桩竖向承载力的大小主要 取决于桩周及桩端土( 或岩石) 对桩的支承能力和桩身的材料强度。在工程实践 中，人们习惯将竖向荷载作用下的单桩破坏模式大致分为三种【7 1 1 ： 2 2 1 屈曲破坏 如图2 - l ( a ) 所示。当基桩穿过极软弱土层支承于基岩或坚硬的土( 岩) 层上时， 在竖向荷载作用下，基桩相当于一根二力杆件。当上部荷载达到一定值时，桩身 开始产生纵向弯曲，当荷载继续增加并达到一定程度时，桩身材料发生屈曲破坏。 这种破坏形式在q - s 曲线上呈现明显的破坏特征，即斜率突变，曲线垂直向下延 伸。对应于斜率突变点的荷载，即为单桩的极限承载力。此类情况下桩的竖向承 载力取决于桩身材料强度。一般细长的嵌岩桩容易发生此类破坏，规范是用控制 基桩长径比和桩身混凝土强度来控制此类破坏。 2 2 2 整体剪切破坏 如图2 - 1 ( b ) 所示。当具有足够桩身强度的基桩穿过抗剪强度较低的土( 岩) 层 而达强度较高的土( 岩) 层深度较浅时，强度较低的土( 岩) 层对桩的侧阻力发挥有 限，侧阻力比较小，且不能对下层土( 岩) 体的滑动面形成足够的限制力。此时大 部分桩顶荷载由桩底土( 岩) 承担。随着荷载不断增大，桩端土( 岩) 体逐步形成连 续的滑动面，导致桩顶急剧下沉，出现整体剪切破坏。此时q 百曲线出现明显 的拐点，有明确的破坏荷载。对于这类破坏，可通过控制持力层深度或嵌岩深度 来控制。当上履土层或进入持力层深度足以阻止桩端土( 岩) 体滑动时，这类破坏 将不会发生。对有可能产生这类破坏模式的基桩，其单桩承载力主要取决于桩端 土( 岩) 的承载能力，桩侧阻力也承担一部分荷载。嵌岩灌注桩的破坏形式大多为 这一类。建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) q b 单桩承载力计算公式就是在这种破坏 模式的情况下确定的，而设计值中的各分项系数是对各桩型、成桩工艺及试验方 1 4 硕士学位论文 第二章嵌岩桩竖向承载机理 法下，桩侧、桩端阻力及综合抗力的修正系数。 缪vij ，? 衫 0 z f 0 ( b ) o s 0 s 0 s 尸 p p ( c ) ( a ) 屈服破坏 ( b ) 整体剪切破坏( c ) 刺入破坏 图2 - 1 基桩破坏模式 1 5 硕士学位论文 第二章嵌岩桩嚷向承载机理 2 2 3 刺入破坏 如图2 - l ( c ) 所示，当具有足够强度的基桩入土( 岩) 深度较大或桩周土( 岩) 层抗剪强度较均匀( 如均质砂土、软土或软岩) ，随着桩顶荷载的不断增加，桩端 土( 岩) 不断变形，桩尖贯入土( 岩) 中，这种破坏类似浅基础下地基土的冲切破坏， 且土( 岩) 体的破坏先于桩身材料破坏。其q 5 曲线一般无明显的拐点，作用在 桩顶的荷载主要由桩侧阻力承担。由于此类桩破坏时沉降量特别大，且大大超过 允许沉降量，故设计时一般由桩顶沉降量来控制。 另外，在特殊地质条件下竖向受荷桩的破坏模式也可能发生多种变化，如： ( 1 ) 当遇有极端软弱的下卧层，且桩顶受承台约束很强时，桩基可能在桩与 承台的界面处发生拉伸破坏； ( 2 ) 当有较大的负摩擦力时，桩基可能发生拉伸破坏。 通过上述对基桩的各种破坏模式进行分析，不难发现，所谓的桩基承载力设 计，无非是控制桩身强度，以充分发挥地基土( 岩) 体的承载能力。换句话说，桩 身材料强度决定桩的破坏模式。而对于竖向荷载作用下的软岩嵌岩灌注桩，在桩 身强度、刚度允许的条件，其破坏模式一般为刺入破坏。也就是说当桩身强度、 刚度可以做到无限大时，上部荷载可以无限大。因此，提高桩身材料强度、刚度 是提高桩基承载能力的有效途径。当桩身材料强度一定时，桩的破坏模式才由地 基土( 岩体) 的性状、承载能力来控制。 2 3 嵌岩桩荷载一沉降特性 2 3 1 嵌岩桩荷载一沉降特性 图2 - 2 为典型的嵌岩桩q 百曲线，其q 百曲线有两到三个拐点i l l 。 曲线分为三段，各段表示的特性如下： 0 ) o a 段。表示桩侧土( 岩) 和桩端持力岩层均处于弹性阶段，荷载与沉降成 正比例关系。 ( 2 ) a b 段。一般为曲线，表示桩侧土( 岩) 从桩顶开始出现塑性变形，桩端岩 层仍处于弹性阶段，荷载与沉降不再是线性关系。 ( 3 ) b c 段。该段一般为直线，表示当桩侧岩( 土) 完全发挥，桩端岩层仍处于 弹性阶段。由于在这个阶段桩侧阻力几乎保持不变，所以这时荷载与沉降之间又 恢复线性关系。 ( 4 ) c d 段。从图形上看是一条几何平行于位移轴的直线，表示桩侧土( 岩) 和 桩端持力岩层均己完全发挥。这时即使荷载不增加，沉降也将大幅快速增加。c 点所对应的荷载为极限荷载，所对应的沉降量为极限荷载下的最大沉降量，即破 1 6 硕士学位论文 第二章嵌岩桩竖向承载机理 坏沉降量。 s 图2 - 2 典型嵌岩桩q s 曲线 从理论上讲，当桩身沉降到一定深度时，沉降自然会停止，原因是：随着桩 身的下沉，在持力层强度不变的情况下，侧阻力将不断增大，从而提高承载力。 因此，当桩身强度远大于基岩，且刚度足够大时，如果允许沉量增大的话，桩的 极限承载力也可以提高。因此在工程实践中，根据工程具体要求，适当提高允许 沉降量，也是提高单桩设计承载力的一个途径。还应该指出，嵌岩桩的破坏模式 只有两种，即桩身屈曲破坏和刺入破坏。原因是嵌岩桩一般埋深较大，且基岩的 抗剪能力较高，由于端阻和侧限足以阻止桩底形成滑动面，剪切破坏的几率很小， 只有在桩端不远处有软弱层或溶洞( e p 持力层厚度不够) 时，才有可能发生剪切破 坏。 2 3 2 岩体性状对尸呵曲线的影响特征 图2 - 3 不同岩性嵌岩桩的p - s 曲线 1 7 硕七学位论文第二章嵌岩桩怪向承载机理 影响特征有以下几点： ( 1 ) 嵌岩桩o a 段直线的陡缓( 斜率) 程度以及长度，主要取决于桩嵌岩段岩层 的弹性模量和抗压强度。嵌岩段风化程度愈高，抗压强度愈低，则p s 曲线斜 率愈大，o a 段愈陡，长度愈短。反之斜率愈小，o a 段愈平缓，长度愈长。如 图2 3 。 ( 2 ) a b 段的长度取决于桩侧阻力占桩顶荷载的比重。a 、b 两拐点靠得越近， 桩侧阻发挥得愈好，反之发挥愈差( i f 占比例愈低) 。 ( 3 ) b c 段的斜率和长度完全取决于桩端持力层的性质。持力层强度愈高则 斜率愈小，b c 段愈长；反之斜率愈大，b c 段愈短。 ( 4 ) 凡p s 曲线c d 段为近似平行于沉降轴的桩，可以判定其桩端不远处有 溶洞或软弱夹层，将发生剪切破坏或桩身屈曲破坏，如图2 - 4 b 。 ( 5 ) 软质岩中的端承桩，桩端阻力明显发挥，b c 直线较明显，如图2 4 c 。但 由于桩端周围上覆岩土的限制，桩端近处又无软弱夹层或溶洞时，持力层不会形 成剪切滑动面，因此无明显的c d 段。 ( 6 ) 嵌入无软弱下卧层的硬质岩体中的摩擦端承桩或端承摩擦桩，p s 曲线 无明显第二拐点，a b c 段为一曲线，如图2 - 4 a 。 ( 7 ) 对于硬质岩而言，无论是嵌岩比较大的摩擦桩，还是嵌岩比较小的端承 桩，桩的承载能力往往是由桩身混凝土强度控制。在绝大部分破坏性试验中，桩 身混凝土的屈曲破坏总是先于持力层的破坏。原因很简单，因为设计中采用的地 基承载力为室内单轴饱和抗压强度，而实际工程嵌岩桩桩底持力层是处于三轴天 然应力状态的。大量试验证明，三轴饱和强度比单轴饱和强度要高5 0 0 , 6 以上，而 天然的三轴应力状态又要比三轴饱和状态强度高许多，所以才有破坏性试验桩绝 大部分为桩身混凝土破坏的结果。 0 q ( a ) 。严孓。f 丁卫 、b 、 | 、 s “ s l 。 、 s ( b ) 图2 - 4 不同持力层或破坏形式的嵌岩桩的q - s 曲线 ( c ) 硕士学位论文 第二章嵌岩桩竖向承载机理 2 4 嵌岩桩的竖向承载机理 2 4 1 嵌岩桩的荷载传递机理 桩基的荷载传递机理是桩基工作性能的核心内容，从广义上说，指的是桩基 在外荷载作用下桩一土( 岩) 系统的各个部分的反应的总体表现，它包括荷载的分 配、传递方式、地基土( 岩) 和桩身以及桩端共同承担外荷载的相互关系、构成桩 土承载力的各个分量的形成、发挥过程和分布规律。 嵌岩桩在竖向荷载作用下，加载初期桩身材料会产生弹性压缩变形，桩和桩 侧土之间产生相对位移，因而桩侧土体对桩身产生向上的侧阻力。在桩顶荷载沿 桩身向下传递的过程中，必须不断地克服这种摩阻力，因此桩身截面轴向力随深 度逐渐减小。如果桩侧土体的侧阻力不足以抵抗竖向荷载，荷载会继续向下传递 到嵌岩段，由于岩石弹性模量与桩身混凝土弹性模量相近，桩一岩可形成一个共 同受力的整体结构。当嵌岩段的桩体受荷后，通过桩与岩石间的剪切强度来传递 荷载，此力远大于桩土间的摩擦阻力 7 2 1 。嵌岩段桩身受荷后变形，首先在嵌岩 段上端桩岩接触面产生剪切带，以后在桩附近岩体中产生剪切带，这就是嵌岩段 的嵌固力。当荷载继续传递至桩端时，桩端轴向力就等于桩顶竖向荷载减去全部 桩侧阻力，并与桩端支承力大小相等，方向相反。可见桩顶竖向荷载通过桩侧阻 力逐渐传递给桩端岩体。因此嵌岩桩的承载力是由三部分组成，即桩周土侧阻力、 嵌岩段的嵌固力和桩端的端阻力。 2 4 2 桩侧阻力传递机理及其影响因素 嵌岩桩的侧阻力包括桩土之间的侧阻力和桩岩之间的侧阻力。 1 桩土侧阻力的传递特点 大量的实测资料表明，尽管嵌岩灌注桩的持力层为不同风化程度的基岩，但 桩周土( 岩) 的侧阻力总是先于桩端阻力发挥的，尤其是对于较长的灌注桩 ( l d 2 0 ) 桩周土( 岩) 侧阻力往往占总承载力的7 0 以上，呈现出明显的摩擦桩( 或 端承摩擦桩) 的特性。嵌岩桩桩侧阻力分为上覆土层的侧阻力和基岩对桩身嵌入 段的侧阻力。一般说来，嵌岩桩桩顶受荷以后，桩身上部首先产生桩一土相对位 移，桩周土产生剪切变形，荷载传递到上部土层中，随着桩顶荷载的增大，上部 桩周土的剪切变形到达极限值，上部浅层桩周土剪切破坏，桩身上部侧阻开始减 小，桩侧阻力向下传递。一般而言，桩周上、下部分的土体表现出不同的工作性 状，上部桩侧土体表现为应变软化型，下部桩侧土体表现为应变硬化型f 7 3 】。桩 土相对位移、桩侧阻力和桩身轴力的分布示意图如图2 5 所示。 总的说来，嵌岩桩上覆土层的侧阻力具有以下几个特点： 1 9 硕士学位论文 第二章嵌岩桩怪向承载机理 ( 1 ) 实验研究表明，只要桩与土体之间有微小的相对位移，沿桩身就会发生 荷载传递，产生桩侧摩阻力。由于嵌岩桩的桩端嵌固在基岩上，而一般来讲基岩 的压缩性很低，故发挥桩土相对位移主要靠桩身的压缩来获得。使桩侧摩阻力能 充分发挥所需的相对位移并不大，认为一般粘性土中桩土相对位移约为4 6 m m 砂土中约为6 1 0 m m 时，桩侧阻充分发挥口4 】。也有的学者根据现场实验研究取 得的成果，认为土层的埋藏深度对侧阻的发挥有显著的影响，埋藏深度不同，充 分发挥侧阻所需要的相对位移不同 7 5 硼。另外侧阻的发挥与桩径、土性及成桩 方法等多种因素有关，其性状