（岩土工程专业论文）嵌岩桩承载性状试验统计分析与承载力计算.pdf

摘要 嵌岩桩承载性状试验统计分析与承载力计算 硕士研究生：张颖辉导师：薛国亚龚维明 摘要 2 0 0 5 年1 1 月东南大学承担修编公路桥涵地基与基础设计规范中桩基部分的内 容，为了保证修编内容的权威性、科学性和合理性，开展了大量的调研工作。本文对嵌 岩桩的承载特性和承载力的计算进行了一些理论研究和试验统计分析，为修编工作提供 参考依据。 嵌岩桩具有承载力高、沉降小、抗震性能好等特点。近年来在岩土工程中得到了广 泛的应用。但由于影响嵌岩桩承载力的因素极其复杂多样，且各种因素的作用相互影响， 加之高质量的嵌岩桩试验资料数量有限，制约了人们对嵌岩桩承载性状的全面认识，因 此嵌岩桩的设计理论还有待进一步深入研究。 本文在总结前人研究成果的基础上，对嵌岩桩的承载机理和荷载传递进行了分析， 并对桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥机理和嵌岩桩的破坏模式进行了分析和总结。 文中详细介绍了青岛海湾大桥的静载荷试验，通过对试验结果的分析，讨论了嵌岩 桩侧阻力的发挥与位移的关系、嵌岩桩桩端阻力与桩侧阻力的发挥过程及分担比，并对 各种现行规范极限承载力的计算结果进行比较，得出了一些有益的结论。 最后，本文还通过对收集的1 0 6 根资料完整的嵌岩桩静载试验数据的统计分析，讨 论了嵌岩桩的各个影响因素( 包括长径比、嵌岩比、岩石强度等) 对嵌岩桩承载力的影 响情况，并对其上覆土层侧阻力修正系数、嵌岩段侧阻力修正系数缶和桩端阻力修 正系数f 。的取值进行了回归分析，得出了相关计算公式。 关键词：嵌岩桩，极限承载力，长径比，嵌岩比，修正系数 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d y a n ds t a t i s t i ca n a l y s i so nb e h a v i o ro f r o c k - s o c k e t e dp i l e sa n di t sb e a r i n gc a p a c i t y c a l c u l a t i n gm e t h o d s g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n gy i n g h u i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f x u eg u o y a ；p r o f g o n gw e i m i n g a b s t r a c t s o u t h e a s tu n i v e r s i t yt o o kt h et a s ko fr e v i s i n gt h ep i l ep a r t x f f ( ( s p e c i f i c a t i o n sf o rd e s i g n o fg r o u n db a s ea n df o u n d a t i o no fh i g h w a yb r i d g e sa n dc u l v e r t s ) ) ( j t j0 2 4 8 5 ) i n n o v e m b e r , 2 0 0 5 t oe n s u r et h ea u t h o r i t a t i v e n e s s ，s c i e n t i f i c i t ya n dr e l i a b i l i t y , al o to fr e s e a r c h h a sb e e nd o n e t h i sp a p e rc a r r i e so u ts o m er e s e a r c ho nt h eb e h a v i o r o fr o c k - s o c k e t e da n dt h e c a l c u l a t i n gm e t h o d so fi t sb e a r i n gc a p a c i t yi nt h ea i mo fp r o v i d i n gt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s u p p o r tf o rt h er e v i s 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 di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gf o rt h e i rh i g h b 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 ta n dg 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 ev a r i o u sf a c t o r s a f f e c t i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fr o c k - s o c k e t e dp i l e sa r ec o m p l e xa n dc o d e p e n d e n t ，o f t e n w o r k i n gt o g e t h e ra n dt h e r ea r ea l i m i t e dn u m b e ro fe x p e r i m e n td a t ai nh i g hq u a l i t y t h i sh a s l i m i t e do u ru n d e r s t a n d i n go ft 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 dp i l e s ，s ot h e r ei sac a l lf o r f u r t h e rr e s e a r c h e so nt h ed e s i g n i n gt h e o r yo ft h er o c k s o c k e t e dp i l e s t h i st h e s i sa n a l y z e st h eb e a r i n gm e c h a n i s ma n dl o a dt r a n s f e ra n dc a r r i e so u ta ni n - d e p t h s t u d yo ft h es h a rr e s i s t a n c e ，t h eb a s er e s i s t a n c ea n dt h ed a m a g ep a t t e r n t h et h e s i si n t r o d u c e si ng r e a td e t a i lt h es t a t i cl o a d i n gt e s to fq i n g d a ob a yb r i d g e i t d r a w ss o m eu s e f u lc o n c l u s i o n st h r o u g ht h ed i s c u s s i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h a f t r e s i s t a n c ea n dd i s p l a c e m e n t ，a n dt h ew o r k i n gp r o c e s sa n dt h er a t i oo ft h eb a s er e s i s t a n c et o t h es h a f tr e s i s t a n c e ，a n dac o m p a r i s o nb e t w e e nt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t i e sc a l c u l a t e di n a c c o r d a n c ew i t ht h ep r e s e n tt e c h n i c a lc o d e s t h et h e s i sh a sc o l l e c t e dt h et e s td a t ao f10 6r o c k s o c k e t e dp i l e sa n dm a k e sas t a t i s t i c a l a n a l y s i so ft h ed a t a i tg e t s ar e l a t e dc a l c u l a t i n gf o r m u l a t h r o u g ht h ed i s c u s s i o no ft h e i n f l u e n c e so ft h ev a r i o u sf a c t o r ss u c ha st h er a t i oo fl e n g t ht od i a m e t e r 、t h er a t i oo f e m b e d d e dd e p t ht od i a m e t e r 、r o c ks t r e n g t h ，a n dar e g r e s s i o na n a l y s i so fs o i le x e r t i n g c o e f f i c i e n t 毛；、s h a f t r e s i s t a n c e e x e r t i n gc o e f f i c i e n t ra n db a s e r e s i s t a n c e e x e r t i n g c o e f f i c i e n t 毛p k e yw o r d s ：r o c k s o c k e t e dp i l e s ，u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y ，t h er a t i oo fl e n g t ht o d i a m e t e r ，t h er a t i oo fe m b e d d e dd e p t ht od i a m e t e r ，e x e r t i n gc o e f f i c i e n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证二讳而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：期：互l 生矽 东南大学学位论文使用，授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图二b 馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档冉勺内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理_ 彳。司 日期：! z ：! ：兰 第一章绪论 1 1 嵌岩桩概述 第一章绪论 嵌岩桩是指在基岩埋藏不太深的情况下，穿过覆盖土层而嵌入中等风化、微风化岩体或新鲜基 岩中的桩基础”j 。 根据成桩方法不同嵌岩桩可以分为人工挖孔嵌岩桩和钻孔( 或冲击成孔) 嵌岩桩两种。两种桩 型在承载性状上的区别主要是由清孔、清底条件的不同而引起的。一般来说，人工挖孔嵌岩桩由于 多采用混凝土护壁或者砖护壁等形式，清孔清底较易保证，而钻孔灌注嵌岩桩由于采用泥浆护壁， 很容易在桩侧及桩端形成软夹层。 根据桩侧、桩端分担外荷载比例的不同，又可以将嵌岩桩分为侧阻嵌岩桩、端承嵌岩桩和全阻 嵌岩桩三类”j ： ( 1 ) 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 的荷载几乎完全由侧阻力来承担，桩端所承担的荷载可以忽略。 ( 2 ) 端承嵌岩桩。在桩长较短，孔壁光滑、清孔较好的情况下，作用在桩项的荷载基本上全部 由桩端承担，侧阻很小或很难发挥。 ( 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。侧阻嵌岩桩和端承嵌岩桩是全阻嵌岩桩的两个极端情况。 1 2 研究嵌岩桩承载机理的意义 嵌岩桩具有单桩承载力高、沉降小、抗震性能好、群桩效应小等特点，是桥梁、高层建筑、重 型厂房等荷载较大、沉降要求较高的建筑物经常采用的基础形式。但是，由于嵌岩桩承载力高、沉 降小、静载荷试验费用高、耗时氏，高质量、完整的嵌岩桩试验相对于日益增长的嵌岩桩的工程应 用数量来讲较少，这就导致了目前对嵌岩桩的荷载传递机理、承载力以及各种设计参数的选取的研 究尚未形成一致的研究结论，也没有建立起完全统一的标准来指导嵌岩桩的设计与应用。 上个世纪九十年代以前，人们一直把嵌岩桩作为端承桩来设计，完全不考虑其侧阻力。然而。 国内外大量的工程实测资料都表明，覆盖土层厚度比较大且土层性质较好时上覆土层提供的侧摩阻 力通常占桩项荷载的很大一部分比例，即使无覆盖层或长径比l d 5 的嵌岩短桩，也并不完全是 端承桩。因此，不加区分的把嵌岩桩一律视为端承桩是不符合实际的。忽视上覆土层侧阻力和魄岩 段岩层侧阻力，必然导致加大嵌岩深度或增加桩身截面，造成极大的浪费并增大施工的难度。 因此，明确嵌岩桩的承载性状，从而制定出合理的设计规范不仅可以充分的利用嵌岩桩的承载 能力，节约建筑成本，同时还可以避免因设计不当而引起的工程事故。 1 3 国内外针对嵌岩桩的研究现状 大量现场试验结果表明，对于嵌岩桩来讲，由于上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌岩深度、 基岩性质，施工工艺等因素的不同，嵌岩桩的承载性状也差异很大。 p e l l s 和t 哪e 1 9 7 9 严】通过有限元分析提出了在不同桩岩模量比和不同嵌岩深度条件下，端阻力 的分担荷载比。这个认识比国内早了近十年。t h o m e ( 1 9 8 0 ) o i j & 为，桩岩界面的粗糙度及混凝土和岩 石界面的胶结状况是影响荷载一沉降曲线的主要因素。 p e l l s 、r o w e 和t l l 九1 e r ( 1 9 8 0 ) “】在进行了室内模型试验和现场试验的基础上得出了一些有意义的 结论：1 桩岩界面的粗糙度是影响荷载位移曲线变化的主要因素；2 桩岩交界面的清洁程度对侧 阻也有重要影响；3 对风化程度不太严重的岩石。可以建立极限侧阻与岩石单轴抗压强度的相关关 系。但他们的研究局限在桩摧体的受荷反应上，没有涉及到桩岩界面各点的剪应力的变化。 1 东南大学硕士学位论文 h o r v a t i i 、k e n n e y 和1 m 州1 9 8 0 ) 嘲在总结澳大利亚、英国、美国5 0 多处嵌岩桩试桩资料的基础 上，建立了桩侧阻力与岩石饱和单轴抗压强度的关系。h o r v a t h 6 认为界面的凹凸不平可以使得侧阻 力由混凝土和岩石本身的强度来承担。 r o w e 和a r m r a g e ( 1 9 8 7 a ) j 【1 对影响侧阻力发挥的几个因素包括桩岩模量比、嵌岩比、界面粗糙度 等进行了数值模拟。l e o n g 和r a n d o l p h ( 1 9 9 4 ) i s 】的研究也得出了相同的结论：即嵌岩比增大，桩侧阻 力略有减小；桩径增大，单位侧阻力略有减小；岩性越好，桩侧阻力越大。 r o w e 和a r m i t a g e ( 1 9 8 7 b ) 9 l 在文章中提出了计算桩侧阻力的方法，d y k e m a n 和v a l s a n g k a n ( 1 9 9 6 ) ”w 通过模型试验验证了其合理性。c a r r u b b a ( 1 9 9 7 ) p q 则通过现场试验得到了桩侧阻力与岩石单轴抗压强 度的关系。s e r r a n oa 和o l a l l ac ( 2 0 0 4 ) 【”j 运用h o c k - - b r o w n 强度准则推导出计算桩侧阻力的理论公 式并与经验公式进行对比验证了其合理性。 九十年代以前，国内规范将嵌岩桩当成端承桩来处理，只重视对桩端阻力发挥的研究。近年来， 随着对嵌岩桩研究的不断深入，人们在工程实践中逐渐认识到，嵌岩桩的侧阻力也同样不可忽视， 有时甚至成为抵御外荷载的主要作用反力，即嵌岩桩有时也会呈现出摩擦桩或端承摩擦桩的承载性 状。但由于对嵌岩桩的受力模式和受力机制的认识还不是很清楚，导致设计人员在进行嵌岩桩设计 时仍过于保守。同时，嵌岩桩承载性状的结论多集中在试验研究和经验分析上，对嵌岩桩荷载传递 的理论分析、由于所嵌岩石性质和状态的不同而造成的嵌岩桩承载特性的差异等问题还缺乏更深入 的研究。 四川省公路勘察设计院试验室( 1 9 8 4 ) 【i ”认为，嵌入无覆盖层的软质岩石中的桩轴向受力机理 是在桩底有足够刚度的条件下，荷载主要由互相嵌合的桩岩界面传入地基中，认为用端承力加侧阻 力再取安全系数的计算方法需要考虑。 对于有覆盖土层的嵌岩桩，上覆土层的侧阻力是否计入承载力的问题，黄求顺唧( 1 9 9 2 ) 等人 认为土层侧阻力只能有限地发挥；史佩栋f 1 4 1 ( 1 9 9 4 ) 则认为土层侧阻力不应被忽视：董金荣i l ，j ( 1 9 9 5 ) 也认为桩身混凝土的压缩变形量足以使上覆土层侧阻力充分发挥，在工程实践中不宜忽略桩侧土层 摩阻力对桩的荷载传递作用，上覆土层的侧阻力应计入嵌岩桩总承载力。 董金荣( 1 9 9 5 ) 总结多个工程实例时发现以便质岩为桩端持力层的嵌岩桩其承载力受桩身 混凝土强度控制。吕福庆【16 】( 1 9 9 6 ) 根据7 l 根嵌岩桩静载试验的实测资料按桩顶沉降量的大小对 q - s 曲线进行了分区，划分了嵌岩桩的破坏类型；同时发现持力层的岩性和混凝土与岩石壁面的胶 结程度对桩岩嵌固力的大小具有决定性影响。刘利民l l7 】( 1 9 9 7 ) 在对嵌岩桩桩端阻力的研究中认为， 规范依据桩端岩石的单轴抗压强度确定端阻力虽然应用方便，但很难反映岩石真实的受力状态，因 而往往会得到偏小的计算结果，给工程带来不必要的浪费。明可前l l m ( 1 9 9 8 ) 在试验的基础上得出 结论，桩岩嵌固力与岩石的饱和单轴抗压强度成正比关系。刘兴远，郑颖人i i 川( 2 0 0 0 ) 以b p 瞬络 模型为基础，讨论了桩径、桩长、岩体风化程度、岩石强度及嵌岩深度对嵌岩段承载特性的影响， 并认为岩体风化程度是影响嵌岩桩嵌岩段特性的主要因素。陈斌口”等人( 2 0 0 2 ) 利用有限元对嵌岩 桩的承载力进行了分析，发现嵌岩段侧阻力的非线性分布现象突出。多数情况下呈双峰曲线；基岩 的强度与承载力之间近似指数函数的关系。张建新，吴东云【2 l 】( 2 0 0 3 ) 通过模型试验发现，嵌岩段 的破坏模式与桩岩相对强度有关，随着桩岩相对强度的变化，破坏位置可能发生在桩岩界面、桩周 岩体或桩体本身。 由于嵌岩桩桩端嵌岩的特殊性，众学者对于嵌岩深度( 瞳) 的选择以及嵌岩深度对嵌岩桩承载性 状的影响程度众说纷纭。黄求顺( 1 9 9 2 ) 在山区嵌岩桩试验基础上，提出了最佳嵌岩深度和厦大 嵌岩深度的概念。这里的最佳嵌岩深度是指从桩的承载力发挥效果、经济性和施工方便的角度综合 考虑，确定的有明显续效的入岩深度；最大嵌岩深度指嵌岩桩在嵌入岩石时，桩端阻力为零的临界 入岩深度。黄求顺认为嵌岩桩的最佳嵌岩深度为3 倍桩径，最大嵌岩深度为5 倍桩径。史佩栋t 1 4 l ( 1 9 9 4 ) 在对国内外1 5 0 根试桩资料的分析基础上对黄求顺的观点基本持赞同态度。建筑桩基技术规范1 2 2 j ( j g j9 4 9 4 ) 基本采纳了这种观点，规定嵌岩深度大于等于5 倍桩径时，端阻力为零。1 9 9 6 年， 王国民1 2 】发现软岩嵌岩桩当嵌岩深度为l o 倍桩径时，桩底反力仅为桩项荷载的2 5 - - 3 0 9 6 0 ，即“红 2 第一章绪论 层”类软质岩的最大嵌岩深度为1 0 倍桩径。明可前【l ( 1 9 9 8 ) 认为，钻孔嵌岩桩的承载力及桩岩嵌 固力随嵌岩深度线性增加，当嵌岩深度为4 倍桩径时，承载力发挥最好。刘松玉”( 1 9 9 8 ) 等人在 对南京地区软岩嵌岩桩荷载传递性状的研究中发现，泥质软岩地区嵌岩桩的最大嵌岩深度为7 倍桩 径。由此可见，不同的地质条件有着不同的最佳嵌岩深度和最大嵌岩深度，即使地质条件相同，其 最佳嵌岩深度和最大嵌岩深度也会因施工因素而不一定相同。吴玉山等口q 脚】在对无覆盖嵌岩短模型 桩徽穿透试验和嵌岩表明：穿透试验桩侧阻力很高，嵌岩桩侧阻力沿桩身并不递减，要充分利用桩 端承载力，嵌岩深度不宜过深，一般取1 0 m 1 5 m 即可，嵌岩段应力作为整体来考虑。吕福庆、吴 文等【”1 对武汉地区7 l 根嵌岩桩静载试验成果进行了分析，特别是对破坏性试桩的分析后得出，在高 荷载水平下沿着桩周岩石壁面的剪应力超过桩岩界面的侧阻力时且桩底混凝土强度较低时就发生剪 切破坏，同时指出嵌岩桩的最佳嵌岩深度难以定论与许多因素有关。 r a d h a k r i s h n a n 和c f l e u n g 2 6 认为：工作荷载下嵌岩桩表现为弹性状态，当嵌岩深度超过2 倍 直径时，大多数荷载通过桩侧摩阻力传递，而桩端阻力只分担很小的荷载。由于的蠕变效应，工 作荷载下的桩侧摩阻力的分布与静载荷试桩条件下有很大的不同。计算结果反映的是上覆土层为均 质土。桩底无沉渣的嵌岩桩的荷载传递及位移特征。 1 4 嵌岩桩有待研究的问题 1 4 1 嵌岩桩的定义 尽管嵌岩桩凭借其自身的优势，逐渐被广泛的应用到各种重要的建筑、水利，桥梁工程中，但 是，至今对于嵌岩桩的准确定义还没有一个统一的意见。对于嵌岩桩的定义，国外学者多认为：只 要桩端嵌入岩体中，不论岩体的风化程度如何、坚硬性如何，都称为嵌岩桩。而国内的一些学者把 桩端嵌入中等风化程度以上岩层的桩称之为嵌岩桩。但是在建筑桩基技术规范m ( j g j9 4 - - 9 4 ) 中通过对嵌入中风化岩石的嵌岩桩进行折减，从而隐含着把桩端嵌入微风化岩或新鲜基岩中的桩才 称之为嵌岩桩的意思，而公路桥涵地基与基础设计规范 2 7 1 ( j t j 0 2 4 - 8 5 ) 则明确规定嵌岩桩要嵌 入微风化岩或新鲜基岩。 对嵌岩桩的定义不明确真接导致对其承载性状、影响因素的研究失去意义。因此要想对嵌岩桩 进行深入的研究，首先应该明确什么是嵌岩桩，这一问题的解决将对嵌岩桩的研究有重大影响 1 4 2 嵌岩桩承载类型 建筑地基基础规范嘲( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 中规定，嵌岩桩按端承桩设计，不考虑桩周摩阻 力，也不考虑桩身的压缩变形。然而，大量的工程实践证明，这种设计方法是过于保守的，而且不 符合嵌岩桩荷载传递机理的。建筑桩基技术规范1 2 2 】( j g j9 4 - - 9 4 ) 在这一问题上终于有所突破，提 出了嵌岩段桩侧阻力随深度减小的概念，并给出了表征这种减小效应的折减系数，但刘利民等人在 文献【2 9 】中指出，简单的用嵌岩段桩侧阻力随深度减小而减小来描述嵌岩桩侧阻力的特征并不具有普 遍性，有时甚至与实际情况截然相反。因而，建筑桩基技术规范吲( j g j9 4 9 4 ) 所提出的方法并 没有实质性的突破。 综合学者们的这些研究成果，我们可以得出这样的结论：嵌岩桩在一定的地质条件下可以是端 承桩，也可以是摩擦桩，具体确定桩的类型要根据上覆土层性质、嵌岩段岩层性质、长径比、嵌岩 比、施工工艺、成桩质量等因索综合考虑。加强嵌岩桩荷载传递机理的试验研究，积累各地区特定 地质条件下嵌岩桩的承载性能及嵌岩效应的经验，可逐步掌握嵌岩桩承载机理，进而明确嵌岩桩的 类型，规范嵌岩桩的设计方法。也就是说，要因地制宜，具体问题具体分析，不能一概而论 3 东南大学硕士学位论文 1 4 3 嵌岩段桩侧阻力的分布模式 经过多年的试验研究，人们发现可将嵌岩段侧阻的分布模式分为三种【2 9 ：上大下小式；上 小下大式；两头大中间小式。刘利民刚等人经分析指出：( 1 ) 当桩长较长时，作用在桩顶的荷载 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 ) 5 桩长较短时，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。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。 但是实践证明实际工程中第二，三种分布模式的嵌岩桩还很多见，这就导致在很多情况下，嵌岩桩 桩侧阻力与桩基规范中所给出的分布形式有较大的差异。可见，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。 1 4 4 关于嵌岩深度 嵌岩深度不仅能影响嵌岩桩侧阻力的分布模式和嵌岩桩的破坏模式，而且嵌岩深度还直接影响 到嵌岩桩承载力的大小。 t h o m c 、p e l l s 和g i l l 等人的研究表明例，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。 关于嵌岩深度对嵌岩桩承载力大小的影响，黄求顺提出的“两个深度”理论，引起了业内学者们 的广泛关注。经过大量的工程试验及研究得出的结论却差异较大，没有得出一致的结论。 建筑桩基技术规范2 2 ( j g j 9 4 - - 9 4 ) 认为，当嵌岩深度为2 3 倍桩径时，能较充分的发挥岩 石地基的承载力；嵌岩深度大于5 倍桩径时，桩端阻力不再发挥作用。但是，很多研究表明，嵌岩 深度大于5 倍桩径时上述规定对于硬质岩石及饱和单轴抗压强度大于1 0 m p a 的岩石是符合实际的， 但对于强度小于1 0 m p a 的软质岩石或极软岩石情况有所不同。因为软质岩石，尤其是极软岩石的某 些性状更接近于土层，其强度较低，当承受荷载很大时，必须有足够的嵌岩深度限制，约束其向下 位移。 由于嵌岩桩嵌岩段岩性的不同，嵌岩桩嵌岩段的剪应力的分布模式也不同，其最佳嵌岩深度也 相应有所不同，因此选择合理的嵌岩深度也应区别对待。因此，嵌岩深度对嵌岩桩的影响作用还需 进一步的研究。 1 4 5 关于岩石强度 嵌岩桩区别于其他类型桩的主要原因是其桩端嵌入了强度很高的基岩，因此从某种意义上来说， 岩体的状态决定了嵌岩桩的工作特性。现行规范采用岩石单轴抗压强度作为嵌岩段侧阻力和端阻力 计算的基准值，岩石单轴抗压强度的准确取值在一定程度上决定了嵌岩桩承载力计算的准确性。因 此，如何比较准确的取得岩石的单轴抗压强度也是值得探讨的问题。柱端嵌入软质岩体和硬质岩体 的嵌岩桩，其工作特性及破坏模式都有较大差别，在进行设计时也应考虑区别对待。 岩体状态的不同引起的嵌岩桩承载特性的差异，也是影响嵌岩桩承载力的重要因素。事实上， 桩端的岩石处于三向受压的状态，围压对桩端阻力的发挥影响较大，因此规范中采用通过岩秆的单 轴抗压强度换算来得到桩端阻力的方法过于保守。更为准确的关于岩石强度的确定方法有待进一步 研究。 4 第一章绪论 1 5 嵌岩桩的研究方法 目前，国内外对于嵌岩桩的研究方法主要可归纳为三种j ： ( 1 ) 原位铡试法 原位测试是研究嵌岩桩最为常用的手段，也是最有说服力的研究方法。测试是检验设计结果是 否能够满足工程需要的唯一途径，另一方面，测试的结果叉可以给予设计提供强有力的支持。国内 对于嵌岩桩的著述大多基于此，主要以史佩栋、吕福庆、董金荣、刘松玉等为代表；国外则以 r a d h a k i s h n a n 、c h u ne l e u n g 、m c m e v a y 、f c t o w n s e n d 和凡c w i l l i a m s 等为代表。 原位测试法对于影响桩承载力的因素考虑最为全面，所测试状态和桩的实际工作状态最为接近。 但由于每个工程不仅所面临的自然条件不同，如土层性质和厚度的差异、岩层性质的差异等，还要 面对不同的上部荷载各试桩的桩长、桩径、嵌岩深度等人为控制因素的影响，这就使得测试结果的 离散性较大，要想从大量的、各式各样的测试结果中，归纳出规律性的结论，难度较大 ( 2 ) 数值分析法 计算机的普及推动了电算技术的迅猛发展，使得数值计算在岩土工程领域起到了重要的作用， 极大的推动了人们对于这一领域的定量化认识。 在国外，r w v o g a n i ” 和j o s t e r b e r g t 3 3 悃弹性有限元模拟了混凝土和岩石的工作状态；i l k r o w e 刖i 采用取：宵点法模拟岩石界面，分析了界面软化行为的影响因素和桩侧摩阻力发挥盼影响因素； i b d o n a l d p 5 1 使用弹塑性有限元法对嵌岩桩进行排水和不排水加载分析；c e l e u n g t 2 6 1 用无限元模拟 岩体的无界域，认为考虑远域对结果影响不大。 在国内，刘亚树口q 采用薄单元法和相应的界面模拟对嵌岩桩的承载特性进行了模拟。通过模拟 每一种影响因素的不同量值，定量的界定每一因素对嵌岩桩工作状态的影响程度，其缺点在于所采 用的数学模型均为简化模型，而不是精确的，全面反映嵌岩桩实际工作状态的数学模型，所模拟的 情况也只能侧重反映某些因素，因此在应用这些方法时，必须明确其适用条件 ( 3 ) 数值分析法 基于前两种方法的局限性，室内试验在研究嵌岩桩方面有着不可替代的意义。在国外， 1 w j o h n s o n 、t s k l a m 和a e w i l l i a m s i ”】【3 q 用常量法向刚度直剪试验研究了软岩嵌岩桩中桩岩剪切 的情形得出了该类桩侧阻力的发挥受控于桩径的法向刚度常量的结论，他们还利用混凝土与人工 软岩的三角形连接剪切试验，得到了桩岩侧阻力的解析式；b i n d r a r a m a ，a h a q u c 和n a z i z l 3 9 j 通过 常量法向刚度真剪试验。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。在国内， 由于种种条件的限制，很少见到在室内试验方面对嵌岩桩进行研究的报道。 1 6 本文的主要工作 通过本章前面的论述可以发现，虽然在工程实践中嵌岩桩已经比较广泛的被采用，但对嵌岩桩 的认识还是比较模糊的。笔者经过对前人的研究成果进行分析后认为，目前亟待解决的问题主要有： ( 1 ) 土层侧阻力是否应该计入嵌岩桩的承载力及其影响因素问题；( 2 ) 嵌岩桩所嵌基岩的强度、风 化程度、完整度等因素对嵌岩桩承载性状的影响，特别是软岩嵌岩桩和硬岩嵌岩桩之间的差异闯题； ( 3 ) 嵌岩桩承载力的计算方法。 本文通过大量的工程实践及试验结果，对嵌岩桩的荷载传递性状进行一定的探讨，对嵌岩桩基 础的工作机理、破坏机制、嵌岩桩的嵌岩深度及影响嵌岩桩承载力的主要因素等进行分析研究，以 期对工程实践提供参考和帮助。主要工作概括如下： 1 、收集国内外嵌岩桩研究的相关资料，深入了解嵌岩桩的承载机理，明确嵌岩桩的荷载传递方 式及破坏模式，指出影响嵌岩桩承载力的各种因素。 2 、结合本人参与的工程实践，以具体工程为例，分析嵌岩桩的荷载传递机理，对土层侧阻力、 岩层侧阻力、桩端阻力的发挥进行细致的研究，并讨论各种影响因素对嵌岩桩承载性状的影响。 5 垄堕查兰堡圭兰垡堕苎 3 、整理分析嵌岩桩静载荷试验资料，讨论竖向荷载作用下嵌岩桩桩侧阻力和桩端阻力的承载机 理及各自的影响因素。特别是长径比，嵌岩比、基岩岩层性质、桩周土层性质等因素对嵌岩桩承载 性能和荷载传递规律的影响。 4 、对收集到的静载荷试验资科进行计算统计分祈，研究上覆土层、嵌岩段岩层桩侧阻力及桩端 阻力各自的修正系数和影响因素的函数关系，得出用于估算嵌岩桩承载力的经验公式，以期为准确 地估算单桩的竖向承载力提供有力的参考。 5 、以工程实例来验算所建立的经验公式的准确性，并对嵌岩桩承载力计算公式的有关问题进行 探讨。 本章参考文献 【1 1 黄求顺嵌岩桩承载力的试验研究中国建筑学会地基基础学术委员会论文集【q 太原：山西 高校联合出版社，1 9 9 2 ，4 7 - 5 2 【2 】p e l l spjn ，t u r n e rrm e l a s t i cs o l u t i o n sf o rt h ed e s i g na n da n a l y s i so fr o c k - s o c k e t e dp i l e s c a n g e o t e e hj 。1 9 7 9 ，1 6 ：4 8 1 - 4 8 7 【3 】t h o m ecp t h ec a p a r i t yo fp i e r sd r i l l e di n t or o c k p r o c e e d i n go ft h ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n s t r u c t u r a lf o u n d a t i o n so nr o c k s y d n e y t1 , 9 8 0 ( n ：2 2 3 - 2 3 3 【4 】p e l l sp jn ，r o w e rk ，t u r n e rrm a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni n t os i d es h e a rf o rs o c k e t e dp i l e si n s a n d s t o n e p r o c e e d i n g so f t h ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo i ls t r u c t u r a lf o u n d a t i o n so nr o c l s y d n e y 1 9 8 0 ( 1 ) ：2 9 1 - 3 0 2 【5 】h o r v a t h r g ，k a n n e y t c ，t r o w w a r e s u l t s o f t e s t s 幻d e t e r m i n e s h a f lr e s i s t a n c e o f r o c k - s o c k e t e d d r i l l e d p i e r s p r o c e e d i n g s o ft h ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo os t r u c t u r a lf o u n d a t i o n so f f r o c k s y d n e y , 1 9 8 0 ( 1 ) ：3 4 9 - 3 6 1 6 】h o r v a t hrg ，k e n n e ytc ，k o z l e k ip m e t h o d so f i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f d r i l l e dp i e r si nw e a k r o c k c a ng e o t e e hj 1 9 8 3 2 0 ( 4 ) ：7 5 8 - 7 7 2 7 】7r o w e rk ，a r m i t a g eh t h e o r e t i c a ls o l u t i o n sf o ra x i a ld e f o r m a t i o no f d r i l l 酣i nr o c k c 锄g e o t e c h j 1 9 8 7 ，2 4 ( a ) ：11 4 1 2 5 【8 】l e o n gec ，r a n d o l p hm f f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go f r o c k - s o c k e t e dp i l e s i n tjf o rn u m e r i c a la n d a n a l y t i c a lm e t h o d si ng e o m e c h n i e s 1 9 9 4 ( 18 1 ：2 5 - 2 7 【9 】r o w erk ，a r m i t a g eh ad e s i g nm e t h o df o rd r i l l e dp i e r si ns o f tr o c k c a ng e n t e c hj 1 9 8 7 ，2 4 ( b ) 1 2 6 - 1 4 2 【1 0 1d y k e m a np ，v a l s a n g k a raj m o d e ls t u d i e so fs o c k e t e dc a i s s o n si ns o f tr o c k c a ng e o t e c h j 1 9 9 6 ( 3 3 1 ：7 4 7 - 7 5 9 d1 jc a r r u b b ap s k i nf r i c t i o no f l a r g e - d i a m e t e rp i l e ss o c k e t e di n t or o c k 。c a ng e o t e c hj ，1 9 9 7 ：3 4 ( 2 ) 2 3 0 - 2 4 0 0 2 1s e r r a n oa ，o l a l l ac s h a f tr e s i s t a n c eo fap i l ee m b e d d e di nr o c k i n t e r n a t i o n a lj o u r a lo fr o c k m e c h a n l c sa n dm i n i n gs c i e n c e s ，2 0 0 4 1 ，4 1 ( 】) ：2 1 3 5 【1 3 】四川省公路勘察设计院实验室嵌岩灌注桩的轴向承载力阴岩土工程学报，1 9 8 4 ，n o 2 【1 4 】史佩栋，梁晋渝嵌岩桩竖向承载力的研究叫岩土工程学报，1 9 9 4 ，1 6 ( 4 ) ：3 2 - 3 9 【1 5 】董金荣嵌岩桩承载性状分析明工程勘察，1 9 9 5 ，3 ：1 3 - 1 8 f 1 6 】吕福庆，吴文，姬晓辉嵌岩桩静载试验结果的研究与讨论【j 】岩土力学，1 9 9 6 ，1 7 ( 1 ) ：8 4 - 9 6 【1 7 】刘利民关于嵌岩桩桩端阻力计算的一些问题【j 】地下空间，1 9 9 7 ，1 7 ( 2 ) ：7 0 - 7 5 f 18 】明可前嵌岩桩受力机理分析册岩土力学，1 9 9 8 ，1 9 ( 1 ) ：6 5 - 6 9 【1 9 】刘兴远，郑颖人影响嵌岩桩嵌岩段特性的特征参数分析【j 】岩石力学与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 ( 3 ) 3 8 3 - 3 8 6 6 苎= 皇丝堕 【2 0 】陈斌，卓家寿，吴天寿嵌岩桩承载性状的有限元分析 j 】岩土工程学报，2 0 0 2 ，2 4 ( 1 ) t5 1 5 5 【2 1 张建新，吴东云，杜海金嵌岩桩承载性状和破坏模式的试验研究【j 】岩石力学与工程学报， 2 0 0 3 ，2 3 ( 2 ) ：3 2 0 - 3 2 3 2 2 】中国建筑科学研究院j g j 9 4 9 4 建筑桩基技术规范【s 】北京：中国建筑工业出版社。1 9 9 5 【2 3 】刘松玉，季鹏，韦杰大直径泥质软岩嵌岩灌注桩的荷载传递性状叨岩土工程学报，1 9 9 8 ， 7 1 6 ( 4 ) ：5 8 - 6 1 纠1 徐松林，吴文，吴玉山软岩中混凝土灌注桩荷载传递初步分析阴岩土力学，1 9 9 8 ，7 9 ( 1 ) 2 5 】吴玉山主编高层建筑基础工程技术【m 】北京：科学出版社，1 9 9 5 【2 6 】rr a d h a k r i s h n a n ，cfl e a n g l 0 a dt r a n s f e rb e h a v i o ro fr o c k - s o c k e t e dp i l e s jg e o t e o he n g g , a s c e 。1 9 8 9 ，1 1 5 ( 6 ) ：7 6 5 。7 6 8 2 7 1 交通部公路规划设计院j t j 0 2 4 - - 8 5 公路桥涵地基与基础设计规范【s 】北京：人民交通出版社， 1 9 8 6 【2 8 】中国建筑科学研究院g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 建筑地基基础规范【s 】北京：中国建筑工业出版杜，1 9 9 0 【2 9 】刘兴远，郑颖人，林文修关于嵌岩桩理论研究的几点认识叨岩土工程学报，1 9 9 8 ，2 0 ( 5 ) - 1 1 8 一1 1 9 d o 刘立民，舒翔，熊巨华主编桩基工程的理论进展与工程实践【m 】北京：中国建材工业出版 社，2 0 0 2 【3 1 张帆钻孔嵌岩桩承载性能研究及其承载力计算 d 】【硕士学位论文】。南京，东南大学，2