（岩土工程专业论文）尺寸效应和岩石特性对嵌岩桩承载特性影响研究.pdf

s t u d yo nt h e i n f l u e n c ef a c t o ro f l o a d b e a i u n gb e h a v i o u ro f r o c k s o c k e t e dp i l e si n c l u d i n g s i z e e f f e c ta n dr o c km a s sp r o p e r t i e s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l o n gc h e n s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rw e i m i n gg o n g c o l l e g e o fc i v i le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 0 东南大学硕士学位论文 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，除了文中特另, j j l l 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书而使用过的材料。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 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、国家图书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。本人电子文档的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。 研究生签导师签名：日 期：2 - , o 年朋 l 摘要 尺寸效应和岩石特性对嵌岩桩承载特性影响究 ( 硕士学位论文) 研究生：陈隆指导老师：龚维明博导教授 东南大学土木工程学院 摘要 嵌岩桩具有承载力高、沉降小、抗震性能好和群桩效应小等特点，是桥梁、高层建筑、 重型厂房等结构荷载较大、沉降要求较高的建( 构) 筑物的重要基础形式，在工程实践中得 到越来越广泛的应用；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，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研究有待进一步 深入。本课题隶属于国家科技支撑计划项目( 项目编号2 0 0 8 b a g 0 7 8 0 1 ) “跨海特大跨径钢箱 梁悬索桥关键技术研究及工程示范”，“跨海特大跨径钢箱梁悬索桥结构特性及技术标准研究” 课题的子课题：“大直径深长嵌岩桩承载特性及设计标准研究”。 本文以室内嵌岩桩模型试验和文献中嵌岩桩实测极限侧摩阻力和端阻力为基础，结合现 行嵌岩桩嵌岩段桩侧极限摩阻力和端阻力的计算方法，并以二维h o c k b r o w n 岩石破坏准则 和考虑中主应力影响的三维h o e k b r o w n 岩石破坏准则为判断标准，建立嵌岩段桩侧极限摩 阻力和端阻力的理论计算公式，分析研究尺寸效应和岩石特性对嵌岩桩承载特性影响，本文 的主要工作如下： 1 通过室内模型试验对三组直径不同的模型嵌岩桩，每组三根试桩嵌岩比分别为4 d 、 6 d 和8 d 的试验数据处理分析，研究桩径( d ) 和嵌岩比( n = h r d ) 对嵌岩单桩承载性能的影 响。 2 收集文献中嵌岩桩的试桩资料，并对嵌岩段侧阻和端阻实测极限承载力按照嵌入岩层 的坚硬程度进行归类处理，分析对比实测值与现行算法上的差异和实测值的数据分布，研究 桩径( d ) 、嵌岩比( n ) 、岩石种类和岩石质量指标( r m r ( ) ) 对嵌岩段桩侧极限摩阻力和端阻力 的影响及其影响程度，并提出嵌岩段桩侧极限摩阻力和端阻力的计算式中应该具有的模式。 最后笔者以收集到的实测值为基础，采用数理统计的方法，提出嵌岩段侧摩阻力和端阻力的 计算式。 3 通过对泥岩( 砂岩) 的静载荷试验，分析岩石种类和风化程度对基岩极限承载力的影 响。 4 通过对桩侧摩阻力的发挥机理分析，以“小孔扩张理论”为基础模拟嵌岩段桩侧摩阻 力的发挥机理一“剪切一滑移膨胀”，并对有关学者基于二维h o e k b r o w n 岩石破坏准则推导 的嵌岩段桩侧极限侧摩阻力进行修正，得出嵌岩段桩侧摩阻力的计算式，并将结果与现行的 计算方法进行对比，分析研究尺寸效应和岩石特性对嵌岩桩嵌岩段极限侧摩阻力的影响，结 果表明，嵌岩段极限侧摩阻力随轴力的增大而增大；嵌岩桩嵌岩段侧摩阻力随嵌入岩石的“强 度模数”1 3n 提高而递增；桩一岩侧摩阻力随“岩体抗拉强度”的提高而增加；当桩体刚度 越小而岩体刚度越大，嵌岩段极限侧摩阻力变大；嵌岩桩侧摩阻力随桩径增加而递减，当桩 半径增加到6 0 0 m m 后此现象不明显：桩一岩极限侧摩阻力与嵌岩比的关系还需进一步证实。 5 通过对嵌岩桩桩端破坏模式的研究，利用m i d l i n 解和三维h o c k - b r o w n 岩石破坏准则 建立桩端极限承载力的计算式，并与现行的桩端极限阻力的计算方法进行对比，分析研究尺 寸效应和岩石特性对嵌岩桩嵌岩段桩端极限阻力的影响，结果表明，极限端阻力随入岩深度 的增加端阻力递减，最佳嵌岩比为3 d ( d 为桩径) 超过3 d 时端阻力增加缓慢；当入岩深度不 变时，桩径增加，端阻力递增；岩石类型改变时( m i 变化时) ，端阻力随m i 的增加而递增；嵌 岩桩嵌入岩层的完整岩石无侧限抗压强度oc 提高时，而其它条件不改变的情况下，桩端阻 力随oc 线性增长；嵌岩桩嵌入岩层的岩块质量等极( r m r ( ) ) 提高时，桩端阻力增加。 关键词：嵌岩桩：竖向荷载；承载性状；嵌岩段；桩侧阻力；桩端阻力；嵌岩比：桩径；岩 石类型m i ；岩块质量评价指标r m r ( ) ；a a s h t o ；h o e k b r o w n 破坏准则；p a n & h u d s o n 破坏准则 u a b a s t r a c t s t u d yo nt h ei n f l u e n c ef a c t o ro fl o a d b e a r i n g b e h a v l o u ro fr o c k s o c k e t e dp i l e si n c l u d l n gs i z e e f f e c ta n dr o c km a s sp r o p e r t i e s g r a d u a t es t u d e n t ：l o n gc h e n s u p e r v i s o r ：w e i m i n gg o n g d e p a r t m e n to fc i v i le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t 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 ne n g i n e e r i n gp r a c t i c ef o rt h e i rh i g hb e a r i n g c a p a c i t y , s m a l ls e t t l e m e n t g o o da n t i e a r t h q u a k ep r o p e r t ya n dt h e l o w e re f f e c tc o e f f i c i e n to fs h a f t g r o u p n o w a d a y st h er o c k s o c k e t e dp i l e si st h em a i nf o u n d a t i o n su s e di nb r i d g e ，h i g hb u i l d i n g ， h e a v yp l a n t a n db u i l d i n gw i t hh i g h e rl p a do fs t r u c t u r ea n ds t r i c tc o n t r o ls u b s t r u c t u r es e t t l e m e n t b u tt h ev a r i o u sf a c t o r sa 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 d c o d e p e n d e n t o f t e nw o r k i n gt o g e t h e r t h i sh a sl 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 f r 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 rf 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 e r o c k s o c k e t e dp i l e s t h i sp r o j e c tb e l o n g st ot h en a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a n p r o j e c t ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 8 b a g 0 7 8 01 ) , t h eb e a r i n gc a p a c i t y a n d d e s i g n s t a n d a r do f r o c k s o c k e t e dp il ew i t hl o n g 1 e n g t h 1 a r g ed i a m e t e rc h a r a c t e r i s t i c i n t h i sp a p e r , b a s eo nt h ed a t ao fr o c k - s o c k e t e dm o d e l sw e r et e s t e di nl a b o r a t o r ya n dt h e d a t a b a s eo fl o a d i n gt e s t s s e a r c h i n gf r o mt h e s i sa n dd i s s e r t a t i o n ，c o m b i n ew i t hs t a t eo ft h ea r t k n o w l e d g eo fc a l c u l a t i o nm e t h o dt of i n do u tu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ya tt h et i po fap il ei nr o c ka n d 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 a n dat h e o r e t i c a la n a l y s i si sa l s oc o n d u c t e du s i n gt h e2 d h o c k b r o w no r3 dh o c k b r o w ns t r e n g t hc r i t e r i o n i no r d e rt oa n a l y s i st h ei n f l u e n c ef a c t o ro f r o c k s o c k e t e dp i l e sb e a r i n gc a p a c i t y , i n c l u d i n gs i z ee f f e c ta n dr o c km a s sp r o p e r t i e s t h ep r i m a r y c o n t e n t sa r eg i v e na sf o l l o w s ： 1 b ya n a l y z i n gf i e l dt e s td a t ao fr o c k s o c k e t e dm o d e l su n d e rv e r t i c a l l p a df r o ml a b o r a t o r y ，t h e i n f l u e n c ef a c t o ro fd i a m e t e ra n dt h er a t i oo fr o c k e t e di e n g t hw i t hd i a m e t e ri ss t u d i e d 2 c l a s s i f yt h ed a t a b a s eo fl p a d i n gt e s t sf r o mt h e s i sa n dd i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h eh a r d n e s s d e g r e eo fr o c k ，a n dt h e nac o m p a r i s o na r em a d eb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，i n c l u d i n gu l t i m a t e s h a f tr e s i s t a n c ea n db a s er e s i s t a n c e ，a n dt h ea c t u a ld a t af o r mt h e s i sa n dd i s s e r t a t i o n ，f i n a l l y , t h e s t a n d a r df o r m a to fc a l c u l a t i o nf o r m u l a ，i n c l u d i n gu l t i m a t es h a f tr e s i s t a n c ea n db a s er e s i s t a n c e a r ep r o v i d e d a n dc a l c u l a t i o nf o r m u l ab a s eo nt h ea c t u a ld a t a b a s ea r ea l s os u g g e s t e d 3 b a s eo nt h es t a t i cl p a dt e s to fs a n d s t o n ea n dm u d s t o n e ，t h ei n f l u e n c ef a c t o ro fr o c kt y p ea n d t h ed e g r e eo fr o c kw e a t h e r i n gi ss t u d i e d 4 t h i sp a p e rp r o p o s e sam o d i f ym e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h eu l t i m a t es h a f tr e s i s t a n c eo fap i l e t h a ti se m b e d d e di nr o c k a c c o r d i n gt om e c h a n i s m so fi n n o v a t i o no fs h a f tr e s i s t a n c e ，t h et h e o r yo f s p h e r i c a ic a v i t ye x p a n s i o n ，a n dt h en o n 1 i n e a rf a i l u r ec r i t e r i o no fh o e k & b r o w n ，a n dt h e na c o m p a r i s o nb e t w e e ni ns i t et e s td a t aa n dm o d i f ym e t h o da r ea l s om a d e t h ei n f l u e n c ef a c t o ro f u l t i m a t es h a f tr e s i s t a n c e 。i n c l u d i n gs i z ee f f e c ta n dr o c km a s sp r o p e r t i e s ，a r ea l s os t u d i e d 5 ar a t i o nc a l c u l a t i o np r o c e d u r ei sp r o p o s e df o re s t a b l i s h i n gt h et i pr e s i s t a n c eo fap i l e e m b e d d e di nr o c k b a s e du p o nt h eb e a r i n gc a p a c i t yf a i l u r em o d e s ，t h em i n d l i ne q u a t i o n ，a n dt h e p l a s t i cp a n & h u d s o nf a i l u r em o d e l a n dt h e nc o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e nt h ea c t u a id a t af r o mp i l e t i pl p a dt e s t sa n dc a l c u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c ef a c t o ro fu l t i m a t eb a s er e s i s t a n c e ，i n c l u d i n gs i z ee f r e c t a n dr o c km a s sp r o p e r t i e s ，a r ea l s os t u d i e d k e y w o r d s ：r o c k s o c k e t e dp i l e s ；v e r t i c a ll p a d ；l o a d b e a r i n gb e h a v i o r ；s o c k e tl e n g t h ；s h a f t r e s i s t a n c e ；b a s er e s i s t a n c e ；d i a m e t e r ；t h er a t i oo fr o c k e t e dl e n g t hw i t hd i a m e t e r ； r o c kt y p e ( m ) ；r o c km a s sc l a s s i f i c a t i o n ( r m r ( ) ) ；a a s h t o ；h o e k & b r o w n c r i t e r i o n ；p a n & h u d s o n c r i t e r i o n i i i 目录 目录 尺寸效应和岩石特性对嵌岩桩承载特性影响究i 摘要i s t u d yo n t h ei n f l u e n c ef a c t o r o fl o a d b e a r i n gb e h a v i o u ro f r o c k - s o c k e t e d p i l e si n c l u d i n gs i z ee f f e c t a n dr o c km a s sp r o p e r t i e s i i i a b s t r a c t i i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 嵌岩桩概述l 1 2 嵌岩桩承载性能的研究现状1 1 2 1 国外研究现状：1 1 2 2 国内研究现状：3 1 3 嵌岩桩承载性能的研究方法6 1 4 本工程依托的工程背景和研究内容6 1 4 1 工程背景7 1 4 2 本文研究内容：7 参考文献8 第二章软岩嵌岩桩室内模型试验研究1 1 2 1 室内模型试验设计“ 2 1 1 试验方案儿 2 1 1 i 嵌岩桩模型试验模型材料的确定1 1 2 1 1 2 嵌岩桩模型试验模型桩的制作及量测装置安装1 l 2 1 1 3 试验设备1 3 2 i 1 4 模型桩固定及槽内混合砂浆浇筑1 4 2 1 1 5 模型试验桩加载1 4 2 1 2 试验依据1 4 2 1 3 模型试验数据处理1 4 2 1 3 1 试验测得的数据1 4 2 1 3 2 数据处理方法1 5 2 2 室内模型试验数据处理与分析1 5 2 2 1 模型嵌岩桩桩顶荷载位移曲线( q s ) 分析1 5 2 2 3 模型嵌岩桩桩身轴力及侧摩阻力分析1 6 2 3 本章小结2 l 参考文献2 l 第三章嵌岩桩工程实例研究2 2 i v 3 1 嵌岩段桩侧阻力工程实例研究 3 1 1 嵌岩段桩侧极限阻力文 3 1 1 1 实测数据整体分析 3 1 1 2 实测数据分类分析 3 2 桩端阻力工程实例研究 3 2 1 岩基砂岩( 泥岩) 静载 3 2 1 1 工程实例1 3 2 1 2 工程实例2 3 1 3 2 1 3 试验结果对比分析3 3 3 2 2 嵌岩段极限端阻力文献资料对比分析3 4 3 2 2 1 实测数据整体分析3 4 3 2 2 2 实测数据分类分析3 6 3 3 本章小结4 2 3 3 1 嵌岩段极限侧阻力分析4 2 3 3 2 嵌岩段极限端阻力分析4 3 参考文献4 4 第四章嵌岩段侧摩阻力的理论研究4 5 4 1 嵌岩桩桩侧摩阻力发挥机理4 5 4 2 现行嵌岩段桩侧极限摩阻力计算方法4 6 4 3 基于h o e k - b r o w n 嵌岩段桩一岩侧阻力计算方法4 6 4 3 1h o e k - b r o w n 准则4 6 4 3 1 1 通用的h o e k b r o w n 准则4 6 4 3 1 2h o e k - b r o w n 准则化成m o h r - c o l u m b 破坏准则的形式4 7 4 3 1 3h o e k - b r o v m 准则近似解法4 8 4 3 1 4 考虑“滑移一剪胀机理”桩一岩侧摩阻力理论公式研究5 0 4 3 1 5 工程实例5 3 4 4 本章小结5 7 参考文献5 8 第五章嵌岩桩桩端阻力的理论研究5 9 5 1 嵌岩桩桩端基岩的破坏模式5 9 5 2 现行桩端极限承载力确定方法6 0 5 3 基t - h o e k - b r o w n 准则嵌岩段极限端阻力理论研究6 l 5 3 1 基于二维h o e k b r o w n 破坏准则嵌岩桩桩端阻力计算6 2 5 3 2 基于三维h o e k b r o w n 破坏准则嵌岩桩桩端阻力计算一6 3 5 3 2 1 模型的建立及基本假设6 3 5 3 2 2 最先破坏点的确定6 3 5 3 2 3 最危险点的受力分析6 3 5 3 2 4 基于三维h o e k - b r o v m 准侧的桩端阻力6 4 v v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌岩桩概述 近几十年来，随着国民经济的高速发展，高速和重载成为公路和铁路的发展趋势，建筑 物也越来越高大，因此，它们的基础承受的荷载也越来越大，桩基因其独特的优势越来越多 被人们采用，特别是现在大型桥梁基础工程中大多采用桩基础。与其它基础形式相比，桩能 够将上部结构的荷载传递到深层稳定的土层或基岩中去，从而大大减少基础的沉降和不均匀 沉降，所以桩基础在地震、软土地区以及冻土地区等都有着广泛的应用。 嵌岩桩作为钻孔灌注桩的一种重要类型，正日益受到人们的重视和信任。嵌岩桩是指桩 身一部分或全部埋设于岩石中的桩基础。嵌岩桩与其它类型的桩基相比，嵌岩桩具有明显的 优点，它充分利用了基岩的承载性能，从而提高了单桩承载力。更重要的是嵌岩桩由于桩端 持力层是压缩性极小的基岩，单桩沉降量很小，群桩效应小，而且建筑物的沉降在施工过程 中便可完成。以嵌岩桩为基础的建筑物在地震过程中产生的地震反应也比其它基础型式更轻 微、抗震性能更好。嵌岩桩具有单桩承载力高、沉降小且收敛快、抗震性能好、群桩效应小 等的特点，是桥梁、高层建筑、重型厂房等结构荷载较大、沉降要求较高的建( 构) 筑物的重 要基础形式，在工程实践中得到了越来越广泛应用。 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。在国内，现行建筑桩基设计规范公路桥涵地基与基础设计规 范( j t gd 6 3 - 2 0 0 7 ) n 虽没有对嵌岩桩作明确的规定，但其隐含的定义是：桩端嵌入非全 风化或强风化基岩中的桩称之为嵌岩桩。 建筑桩基技术规范( j g j9 4 9 4 ) 到规定桩端嵌 入中等风化程度以上岩层的桩称之为嵌岩桩，但建筑桩基技术规范n 捌( j g j9 4 2 0 0 8 ) 对 此规定进行修改，规定桩端嵌入极软岩、软岩、较硬岩、坚硬岩都称为嵌岩桩。 嵌岩桩根据成桩方法不同，嵌岩桩可以分为人工挖孑l 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丰要是由清孔、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j 类制： ( 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米承担，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、清孑l 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 嵌岩桩承载性能的研究现状 大量试验结果和有限元结果表明，影响嵌岩桩承载力的因素是极多样的，并且各种因素 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，嵌岩段长度、桩直径、岩石强度、岩块质量和桩底沉渣等【大| 素对 嵌岩桩承载力的影响是显而易见的。 1 2 1国外研究现状： 早在1 9 6 9 年r e e s e 等n 朝在第7 届国际土力学及基础工程会议上就发表了世界较早的一根 东南大学硕十学位论文 埋设量测元件的嵌岩桩桩项荷载随深度传递的量测资料，该桩长度1 8 f t ( 5 5 m ) ，桩径 3 0 i n ( 0 7 6 m ) ，嵌岩深度h r _ 4 2 d 。实测结果表明，桩端反力约占总荷载的1 5 - - 2 5 。 b e n m o k r a n e 等n 。郇通过嵌岩桩模型试验说明，在嵌岩桩桩底存在岩体软弱夹层面时，夹层 面倾角不同对嵌岩桩的极限承载力影响也不同，但如何考虑其影响有待进一步研究。 v e s i c u 川认为桩土相对位移达到l o m m 时，桩侧摩阻力充分发挥达到极限，而且该值与土 类、桩尺寸及施工方法无关。同时v e s i c 认为桩端阻力要充分发挥所须的桩端相对沉降量约 为8 - - - 2 5 桩径的沉降量。 阪口理门认为相对位移量达到l o m m 2 0 m m 时，桩侧摩阻力达到充分发挥。h a s s a na n do n e i l l u 驯u 1 0 。认为由荷载试验得到的受到桩侧土体塑性剪切流动的影响，从而使f s 曲线更 加非线性化，f j 曲线的形状很大一部分取决于荷载试验的方法和桩侧土的蠕变特性。p e l l s 和t u r n e r 川1 认为嵌岩桩达到极限承载状态时岩石的破坏为塑性破坏，利用类似土力学的承 载力理论进行分析或根据破坏包线峰值弯曲形状进行修正，指出充分发挥桩端承力所需的沉 降量很大，并给出了基础平均沉降的折减系数和刚性基础的沉降折减系数：同时用弹性有限元 法分析岩石弹性模量e 岩与桩体弹性模量e 桩比值较低的短桩，沉降影响系数与嵌入深度，d 及 如靠关系。他们的工作是弹性有限元分析的一个标志，它使定性分析阶段转向定量分析阶 段，同时认为桩端荷载分担比是桩岩模量比和嵌岩深度的函数，并提出了相应的设计思路。 w i l l i a m se ta 1 ( 1 9 8 1 ) 。比1 提出岩块节理降低桩侧摩阻力，其原因是岩块里的节理降低其法 向刚度，并于同年提出了考虑岩块节理对桩侧摩阻力影响的计算式，如图1 - 1 所示。 图l - l 岩体的破碎程度对桩侧摩阻力的关系 p e l l s 、r o w e 和t u r n e r ( 1 9 8 0 ) u1 3 1 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 对风化程度小太严重的岩石，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整体的受荷反应上，没有涉及到桩岩界面 各点的剪应力的变化。 h o r v a t h 、k e n n e y 和t r o w ( 1 9 8 0 ) n 1 4 1 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。 k u l h a w y 和g o o d m a n ( 1 9 8 0 ) n 1 5 1 提出了考虑水平节理间距和竖向节理问距对极限端阻力 的计算式( 见附录3 ) 。 r o w e 和a r m i t a g e ( 1 9 8 7 a ) u 1 6 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。 r o w e 和a r m i t a g e ( 1 9 8 7 b ) n 1 7 1 在文章中根据桩岩接触面的粗糙度不同提出了计算桩侧阻 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 ) n 1 8 3 通过模型试验验证了其合理性。 l e o n g 和r a n d o l p h ( 1 9 9 4 ) n 1 9 1 得出的结论：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。 0 、n e i l 和h a s s a n ( 1 9 9 4 ) 2 们提出了双曲线型式的桩侧荷载传递模型，该模型建立在桩岩 石界面粗糙度均匀，且接触式形式为刚性，此模型( 见式1 - 1 ) 后来被j 泛的认同。 2 第一章绪论 f ( z ) 2 至匾c o ( z ) ( z ) 式中b 为桩径；e - 为岩石的弹性模量；6 3 ( z ) 桩一岩相对位移；t ( z ) 嵌岩段桩侧摩阻力； t 。( z ) 嵌岩段桩侧极限摩阻力。 c a r r u b b a ( 1 9 9 7 ) 圳以现场实测荷载位移曲线为基础，桩侧和桩端采用双曲线型式的荷载 传递模型，寻求桩侧阻力和桩端阻力的数值解法。 s e r r a n oa 和o l a l l ac ( 2 0 0 3 ) n 2 引2 3 儿“2 4 “2 5 1 利用h o e k - - b r o w n 强度准则推算出最小嵌岩深 度和极限端阻力：2 0 0 4 年，运用h o e k - - b r o w n 强度准则推导出计算桩侧极限侧阻力的理论公 式，并把推导出的计算公式和多种经验公式对比发现推导出的计算公式对深长嵌岩桩侧摩阻 q c q ( z ) 02 0 4 06 08 01 0 0 2 0 n _ j4 0 j 6 0 l = d 2 d 图卜2 桩身荷载传递曲线与嵌岩比和e r e c 的关系 e r 桩周岩体弹性模量：e c 混凝土弹性模量 实线) e r e c = 5 ；虑线) e r e c = 0 5 力的计算比较合理，对短桩的计算偏 于安全，2 0 0 6 年s e r r a n oa 和o l a l l ac 将h o e k b r o w n 推导出来的桩侧平均摩 阻力计算公式与现场实测数据对比， 发现用公式计算出来的桩侧平均摩阻 力数值过于保守。 m gz e r t s a l o va n dd s k o n y u k h o v ( 2 0 0 7 ) 侧论述到桩身荷 载传递率不仅是嵌岩比的函数同时也 是桩体材料弹性模量与岩体弹性模量 比值的函数，如图1 - 2 所示，图中q c 为 桩顶以下l x 长度时桩身截面轴力、q 为桩顶荷载、l 为桩长。 当l 增加时，桩侧承担大部分荷 载，并且荷载传递曲线会越不均匀； 当l d = i 时，桩端承担5 0 的桩项荷载；而当l d = 4 时桩顶荷载大部分由桩侧上部承担。 当e r e c = 5 0 时，桩体受压产生侧向膨胀，桩周岩体阻止其侧向膨胀，由于岩体弹性模量 高于桩体弹性模量，导致作用于桩侧法向应力增加，桩侧摩阻力增加，相反当e r e c = 0 5 时桩 侧摩阻力减小。 1 2 2 国内研究现状： 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彳i 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 ) 删认为，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，荷载主要南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。 黄求顺n 4 1 ( 1 9 9 2 ) 在山区嵌岩桩试验基础卜，提出了最佳嵌岩深度和最大嵌岩深度的概 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， 确定的有明显绩效的入岩深度；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 东南大学硕士学位论文 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、梁晋渝2 8 1 ( 1 9 9 4 ) 通过对国内外1 5 0 根嵌岩桩的静载试验资料的研究，得出了嵌岩桩在 竖向荷载下桩端阻力分担荷载比( o h q ) 随桩的长径比( l d ) 而变化的规律，从图1 - 3 可以 看出：嵌岩桩即使是l d 5 的短桩，也并非都是端承桩。当1 l d 2 0 时，q 。q 自1 0 0 随l d 增大而递减至大约3 0 ；当2 0 l d 6 3 7 时，q 。q 一般不超过3 0 ，其中大部分桩 在2 0 以下，不少桩在5 以下。与此对应，桩侧摩阻力q ，常在l d 1 0 1 5 时( 有时在l d 更小时) 即起主要作用，q 。q 随l d 增大而增大，一般保持在7 0 以上，大部分在8 0 以上， 不少桩在9 5 以上。 l d 图1 - 31 5 0 根嵌岩桩q b q ( ) 与l d 的关系 宰金珉，宰金璋2 9 1 ( 1 9 9 3 ) 提供了嵌入软岩不同深度的完全嵌岩桩模型试验，结果表明 在岩性条件、桩身强度相| 一j 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， 桩身的轴力传递率( p z p ( ) ) 随着l d 的增大而提高，这也就是说，存其它条件相同的情 况下随着l d 的增大，在同一截面上的轴力就越大。因此，随着桩长的增加，桩顶荷载向桩 身上部集中的趋势极为明显的。 3 刚( 1 9 9 5 ) 对直径为1 0 0 0 m m 的模型嵌岩桩桩侧阻力随深度变化的情 况进行了量测和计算，在h 。d = o 5 左右时，桩侧阻力达到最大值，随着深度增加又有减小。 董金荣圳( 1 9 9 5 ) 总结多个工程实例时发现以硬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3 2 1 ( 1 9 9 6 ) 根据7 1 根嵌岩桩静载试验的实测资料，按桩项 沉降量的大小对p 叮曲线进行了分区，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。 1 9 9 6 年，王国民3 3 。发现软岩嵌岩桩当嵌岩深度为1 0 倍桩径时，桩底反力仅为桩顶荷载 的2 5 3 0 0 ，即“红层”类软质岩的最大嵌岩深度为1 0 倍桩径。明可前n 3 4 1 ( 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。刘利民n 3 5 1 ( 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。刘松玉n 3 6 1 ( 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。 明可前( 1 9 9 8 ) n 3 引通过中风化砂岩中嵌岩桩的模型试验对嵌岩桩桩侧摩阻力的分布模式 进行了系统分析，桩身和桩周岩体的力学参数为：e p = 2 2 4 4 g p a 、up = 0 1 6 8 、e r = 4 0 0 4 m p a 、 t lr = 0 2 1 4 ；通过