（水工结构工程专业论文）大直径嵌岩桩使用性能及其应用研究.pdf

摘要 摘要 嵌岩桩是指桩身一部分或全部埋设于岩石的桩基础。由于其具有承载力高、 沉降小、抗震性能好等特点而成为桥梁、高层建筑、重型厂房等结构的一种重要 基础形式，在实际工程中得到广泛的应用。 本文首先深入探讨了嵌岩桩的承载机理，通过对桩侧阻力和桩端阻力的各种 计算模式及其影响因素的分析，对现行各种确定嵌岩桩竖向承载力的方法进行了 深入分析，得出影响桩侧阻力和端阻力发挥的主要因素有桩侧土的性质、桩身强 度、岩石强度、桩侧土层分布、桩端持力层、嵌岩深度、成桩工艺等。 同时本文详细介绍了单桩沉降性能和几种沉降计算方法，分析各种单桩沉降 计算方法的局限性及其应用与研究进展，对单桩沉降计算方法进行对比；对影响 嵌岩桩的桩顶沉降和桩端沉降的桩径、桩长、桩侧土与桩端持力层性状、嵌岩深 度等各种因素进行了分析研究，通过桩顶沉降与桩端沉降的理论关系来分析嵌岩 桩沉降的影响因素。 通过大型有限元软件a n s y s ，分析研究了桩长、桩径、桩端岩石强度、桩身材 料、嵌岩深度等因素对嵌岩桩桩顶沉降和桩体稳定性的影响，并得出一些结论和 建议：认为嵌岩桩存在深度效应，即存在最佳嵌岩深度，但不存在最大嵌岩深度； 推荐嵌岩桩最佳嵌岩深度为6 - - - 7 m ，建议桩身混凝土标号选用c 3 0 ，桩身直径采用 】4 m 。 关键词：嵌岩桩；受力性状；沉降；稳定性；嵌岩深度 a b s t r a c t a b s t r a c t r o c k - s o c k e t e dp i l ei sp i l ef o u n d a t i o nw h i c hs h a f ti se m b e d d e dp a r t l yo re n t i r e l yi n r o c k b yr e a s o no fi t sh i 曲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 fa n t i e a r t h q u a k e p r o p e r t yi th a sb e e nm a i n l yu s e di nb r i d g e ，t a l ls t r u c t u r ea n dh e a v ym i l lb u i l d i n g f i r s t l y , t h r o u g hd e e p l yd i s c u s s i n go ft h el o a d - b e a t i n gm e c h a n i c so fr o c k - s o c k e t e d p i l e sa n de v e r yc a l c u l a t i n gm o d ea n de f f e c t i n gf a c t o r so f t h es i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c ea n d t h ee n dr e s i s t a n c eo fp i l e s ，t h ea c t u a lm e t h o d so fd e t e r m i n a t i o nt h ev e r t i c a ll o a d - b e a r i n g c a p a c i t yo fr o c k - s o c k e t e dp i l e sw e r ea n a l y z e d w ec a l lf o u n dt h a ts o m em a i nf a c t o r s e f f e c tp i l es i d er e s i s t a n c ea n dt i pr e s i s t a n c e ，s u c ha st h en a t u r eo fs o i lo f p i l es h a f t , t h e s t r e n g t ho fp i l es h a f t ，t h es t r e n g t ho fr o c k ，t h ed i s t r i b u t i n go fs o i ll a y e ro fp i l es h a f t , t h e b e a r i n gl a y e ro ft i po fp i l e ，t h ed e p t ho fr o c k s o c k e t e d ，t h et e c h n o l o g yo fm a k i n gp i l e a n ds oo n t h i sp a p e rd e e p l yi n t r o d u c e dt h es e t t l e m e n tc a p a b i l i t yo fa n ds e v e r a lc o m p u t a t i o n m e t h o d so fs i n g l ep i l e t h el i m i t a t i o n so ft h e s em e t h o d sa r ea n a l y z e d ，a n dt h e n i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to ft h e s em e t h o d s b e s i d e s ，t h ea u t h o ra n a l y z e d a n d c o m p a r e ds o m em a i nm e t h o d so fc o m p u t i n gt h es i n g l e - p i l es e t t l e m e n t a n a l y z e dt h e f a c t o r so fw h i c ha f f e c tt o ps e t t l e m e n ta n dt i ps e t t l e m e n to f r o c k - s o c k e t e dp i l e ，s u c ha sp i l ed i a m e t e r , p i l el e n g t h ，m a t e r i a lo fs o i lo fp i l es h a f ta n d m a t e r i a lo fr o c ko ft i pp i l e , r o c k - s o c k e t e dd e p t ha n d , s oo n u s i n ge l a s t i c i t yt h e o r y a n a l y s i st h es e t t l e m e n to fp i l ee m b e d d e di nr o c ko ft i pp i l ea n dt o pp i l e i nt h i st h e s i st h r o u g ht h el a r g eg e o t e c h n i c a ls o f t w a r ea n s y s ，a n a l y z e sa n d r e s e a r c h e st h ef a c t o r so fp i l el e n g t h ，p i l ed i a m e t e r , r o c ks t r e n g t ho fp i l et i p ，m a t e r i a lo f p i l es h m ，r o c k - s o c k e t e dd e p t ha n ds oo nw h i c ha f f e c tr o c k - s o c k e t e dp i l ea r ea n a l y z e d a n ds o m ec o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n sa r eb e i n gt a k e n ：r o c k - s o c k e t e dp i l eh a st h eb e s t s o c k e tl e n g t h ，b u ti th a s n tt h el o n g e s ts o c k e tl e n g t h ，t h i sp a p e rr e c o m m e n d st h eb e s t s o c k e tl e n g t hi s5 , - - ，6 m ，c h o o s ec 3 0f o rc o n c r e t eg r a d ea n d1 4 mf o rd i a m e t e ro fp i l e s h a f t k e yw o r d s ：r o c k - s o c k e t e dp i l e ；f o r c ec h a r a c t e r ；s e t t l e m e n t ；s t a b i l i t y ；r o c k - s o c k e t e d d e p t h 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锕 e l 期：训孑年午月to 日 重庆交通大学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，同意学校保留并 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 权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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：二旷f p 日期：p 喈年牛月to 日 指导 日期 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 研究目的 第一章绪论 桩是一种很古老而又应用极为广泛的基础形式。据记载，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【。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，桩基础作为一种工程造价省、地层条件适 应性强、承载能力高以及控制沉降性能好的深基础也在不断的发展。特别是自8 0 年代以来，由于机械设备、施工技术的不断改进和发展，产生了各种新桩型和工 法，使桩基不断适应于地质和施工条件的变化。据不完全统计，在各类土木工程 结构中，采用桩基础的已占7 0 以上【2 】，且桩基工程的费用往往占工程建设项目总 造价的l 4 1 3 1 3 1 。 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，不断出 现新桩型、新工艺，给桩基的承载性能和设计理论方法的研究不断提出了新的课 题。随着铁路、公路、桥梁和高层建筑的日益增多，大直径嵌岩桩得到了广泛应 用，而应用于港口工程中，作为高桩码头的基桩近几年才陆续出现。这是因为经 过多年的港口建设，随着华东和华南沿海、以及内河良好岸线中具有较深厚的软 土地基区域已先后开发建港，其余一些可利用的建港良好岸线，软土覆盖层较薄， 基岩埋深不一，岩面起伏较大，无法采用单纯的打入桩或水冲桩，采用重力式也 不大可行且成本较大。特别是外海及岛屿岸线，风浪作用时反射波大涌浪将严 重影响船舶安全靠泊作业，搞透空式的高桩码头基础比沉箱或方块结构要适用。 在上述种种综合因素的构成下，采用嵌岩桩基应是可行的方案。所以从发展的眼 光看，嵌岩桩在未来的港口工程中应该有一定的应用前景。在内河港口的高架直 立式高桩码头结构中，大直径嵌岩桩因其具有单桩承载力大、横向刚度大，能抵 御因较大船舶撞击、风、以及地震引起的横向荷载的作用等特点，正越来越受到 工程界的关注。最近几年在重庆市的主城区寸滩、万州区江南沱口、涪陵区黄旗 均已建设了大水位差框架式桩基梁板集装箱码头，桩基采用了大直径嵌岩桩。 1 1 2 立题意义 我国港口工程中采用嵌岩桩已有多年的历史，并取得了良好的技术经济效果， 第一章绪论 2 也积累了一定的经验，但它的设计与施工均参照公路桥梁等民用工业的钻孔灌注 嵌岩桩规范进行，而港h - v 程嵌岩桩的使用要求和所处的环境条件有很大的差异。 嵌岩桩由于其承载力大、试验耗费高，故完整的试桩实测资料不多，这就制 约了对其使用性能的全面认识。桩的使用性能和沉降控制的高低直接影响整个工 程的安全及经济问题，对于最基本的使用性能的分析仍需不断深化，完善计算分 析方法。 基于上述存在的问题，本文拟分别采用现在应用最广泛的商业有限元软件 a n s y s 来对嵌岩桩在港口中的使用性能进行分析，并对影响嵌岩桩的使用性能的 各种因素进行系统的研究。包括系统地分析嵌岩桩的受力变形特性及其影响因素； 通过建立数值模型更好的研究嵌岩桩的使用性能等将是本文有待解决的问题。 1 2 嵌岩桩研究现状 1 2 1 嵌岩桩定义及类型 嵌岩桩即桩穿过土层，桩端埋设在一定厚度的岩层中以获得较大的承载力和 较小位移的一种桩基基础。正是由于这两个突出特点才使它在国内外广泛的应用 在桥梁、公路、港口及重要的公用、民用建筑。 嵌岩桩按桩侧、桩端分担荷载的比例不同，可以划分为： ( 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桩侧阻力来承担，而桩端阻力所承担的荷载可 以近似忽略，这类桩即为侧阻嵌岩桩； ( 2 ) 端承嵌岩桩。在桩长较短、孔壁光滑、清孔较好的情况下，作用在桩顶的 荷载几乎完全由桩端阻力所承担，侧阻力承担的荷载可以近似忽略，这类桩即为 端承嵌岩桩； ( 3 ) 全阻嵌岩桩。尽管端阻、侧阻发挥作用的先后秩序和发挥的程度不同，但 它们都起到分担外荷载的作用，且都不能忽略，这类桩即为全阻嵌岩桩1 4 j 。 目前在港口工程设计应用的嵌岩桩类型主要有如下几种： ( 1 ) 嵌岩钢管桩。可分为钢管桩内径嵌岩、钢管桩植桩嵌岩和钢管桩锚杆嵌岩 三种类型，具体选用应根据工程要求及地质条件等因素来决定。 ( 2 ) 嵌岩预应力混凝土大直径管桩。可分为预应力混凝土大直径管桩内径嵌 岩、预应力混凝土大直径管桩植桩嵌岩和预应力混凝土大直径管桩锚杆嵌岩三种 类型，具体选用应根据工程要求及地质条件等因素来综合决定【5 】。 第一章绪论 3 1 2 2 嵌岩桩竖向承载力研究现状 ( 1 ) 建筑地基基础设计规范g b5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 6 】 在桩底以下三倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、溶洞分布及在桩端应力扩 散范围内无岩体临空面的条件下，对于短粗的人工挖孔嵌岩桩或覆盖层极软的中 长钻孔嵌岩桩，按端承桩设计，由地层条件所确定的单桩竖向抗压承载力设计值 按下式计算： r = 吮彳。 ( 1 1 ) 式中：r 单桩竖向抗压承载力设计值( k n ) ； 缈折减系数，桩端为微风化岩时取0 2 0 - - - 0 3 3 ；桩端为中等风化 岩时取0 1 7 0 2 5 ； 厶桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值( k p a ) ； 彳。桩端横截面面积，扩底桩为桩底水平投影面积( m 2 ) 。 由于岩样是单轴抗压，桩端岩石实际上是三轴抗压，又因为岩样数量一般不 多且饱和，单轴抗压强度离散性大，且没有考虑嵌岩段的桩侧阻力，致使在很多 情况下按式( 1 1 ) 所计算出的单桩承载力低于实际值。 ( 2 ) 铁路规范( t b j2 - 8 5 ) 、公路规范( j t j0 2 4 8 5 ) 【7 】 若既考虑嵌岩桩的端阻力又考虑嵌岩桩的侧阻力( 不考虑覆盖土层的侧阻力) 情况下，嵌岩桩单桩竖向抗压承载力设计值可按下式计算： r = 【c l a p + c 2 u h ，厩 ( 1 2 ) 式中：尺单桩竖向抗压承载力设计值( k n ) ； 爿。桩端横截面面积，扩底桩为桩底水平投影面积( m 2 ) ； 材桩身横截面周长( m ) ； j i l ，自完整岩石起算的嵌岩深度( m ) ； 厶桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值( k p a ) ； q 、c 2 系数，根据岩层破碎程度和清底情况按表1 - 1 选定。 表卜1 系数c l 和c 2 c l c 2 岩层及清底情况 铁路用公路用铁路用公路用 良好 0 5 0 0 6 00 0 40 0 5 一般0 4 0o 5 0o 0 30 0 4 较差o 3 00 4 00 0 2o 0 3 注：当h ，0 s i n 时，c l 应乘以0 7 ，c 2 = 0 。 第一章绪论 4 式( 1 3 ) 较适用于短粗的人工挖孔桩及覆盖层较软弱的中长钻孔嵌岩桩及要 考虑水力冲刷对覆盖土层的影响的桥梁桩，但不适合于覆盖层较厚的建筑桩基。 ( 3 ) 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) i s l 嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值，由桩周土总侧阻、嵌岩段总侧阻和总端 阻三部分组成，当根据室内试验结果确定单桩竖向极限承载力标准值时，可按下 式计算： q 娃= q 噍+ q 噎+ q 吐= u z “q 诚l i 七m l f 。h r + p f 。a p 心 l 式中：q 睹土的总极限侧阻力标准值( k n ) ； 纵嵌岩段总极限侧阻力标准值( k n ) ； q p k 总极限端阻力标准值( k n ) ； f “一一覆盖层第i 层土的侧阻力发挥系数；当桩的长径比不大 ( 1 d 1 0 m 时， 岩面以上l o m 范围内的覆盖层，取0 5 0 7 ，l o m 以上覆盖层取1 。 d 为覆盖层中桩的外径； g 疗桩周第f 层土的极限侧阻力标准值( k p a ) ，打人桩按现行行业标准港 口工程桩基规范取值，灌注桩按港口工程灌注桩设计与施工的有 关规定取值； ，；桩穿过第f 层土的厚度( m ) ； 厶岩石饱和单轴抗压强度标准值( k p a ) ，厶的取值应根据工程勘察报 告提供的数据确定，各种基岩的工程性质可参照附录a ；对粘土质 岩石取天然湿度单轴抗压强度标准值；当允值大于桩身混凝土轴心 抗压强度标准值厶时，应取厶值； 么嵌岩段桩端面积( m 2 ) ； j j l ，桩身嵌入基岩的深度( m ) ，当| j l ，超过5 d 时，h ，取5 d ；当岩层表面 倾斜时，应以岩面最低处计算嵌岩深度。d 为嵌岩段桩径； 几覆盖层单桩轴向受压承载力分项系数，预制桩取1 4 5 - 1 5 5 ，灌 注桩取1 6 5 ； 7 。r 嵌岩段单桩轴向受压承载力分项系数，取1 7 1 8 ； 六、孝口分别为嵌岩段侧阻力和端阻力计算系数，与嵌岩深径比h ，d 有关， 按表卜3 采用。 第一章绪论6 表卜3 嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数 t a b l e1 - 3c o r r e c t i o n a lc o e f f i c i e n to fs i d ea n dt i pr e s i s t a n c eo fr o c k - s o c k e t e dp a r t 嵌岩深度比矗，d 1 02 0 3 04 05 o 专s0 0 7 00 0 9 60 0 9 3o 0 8 3o 0 7 0 芎p 0 7 20 5 4o 3 60 1 8o 1 2 注：当嵌入中等风化岩时，按表中数值乘以o 7 0 8 计算； 对预制型嵌岩桩，可适当计入预制桩端部阻力，桩端阻力系数按现行行业标准港 口工程桩基规范的有关规定取下限值。 1 2 3 嵌岩桩横向承载力研究现状 嵌岩桩的横向承载性能一直是工程界、学术界关注的热点之一。但是，有关 嵌岩桩横向承载性状的研究成果，迄今依然不很多，也很不成熟。 r a n d o l p h 教授提出了可用于嵌岩桩的桩顶位移计算理论【l o j 。该理论最初以有 限元法系统研究并由r a n d o l p h 教授首次提出，后经过康奈尔大学k u l h a w y 教授和 悉尼大学c a r t e r 教授以多种手段验证、丰富和发展。该理论考虑的因素多，反映 了岩体强度特性、桩身材料性质、桩体的几何尺寸的影响，以及不同类型抗滑桩 的工作性状和破坏特征；形式简单，便于手工计算，且已在国内外得到推广和应 用【l 引。但是，该方法对界于弹性桩和刚性桩之间的中等刚度桩的桩顶位移，至今 尚无明确的计算公式。有用弹性桩或刚性桩公式计算之后乘以1 2 5 的做法。显然， 此种做法很粗糙。当上部结构对桩顶位移比较敏感时，该公式难以运用于嵌岩桩 的设计。 在桩的横向承载力分析计算理论中，比较成熟的有常数法( 张氏法) 、m 法、k 法和c 法、综合刚度原理和双参数法，以及p - y 曲线法。但是，由于桩土之间的 相互作用机理与桩岩之间的相互作用机理相差较大【，将上述方法用于嵌岩桩的 设计计算是不合理的。 因此，继续更深入地进行嵌岩桩水平承载性状的研究很有必要。 1 2 4 嵌岩桩承载力研究方法 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 这一方法是国内外研究嵌岩桩最为常用的手段。因为测试本身与设计、施工 第一章绪论 7 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 的设计的依据。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，吕福庆，董金荣，王国民等。国外的有c h u n f l t l 引，m c v a y m c 1 1 3 】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，甚至相去甚远。 这样就会严重降低各个测试数据之间的可对比性，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 往不适用于别的区域。 ( 2 ) 数值分析法 近几十年来，由于计算机技术的发展，使得数值计算在岩土工程领域异军突 起，极大地推动了人们对于这一领域的定量化认识。在国外，v o g a n r w ， o s t e c b e r g j d 【1 4 j 用弹性有限元模拟了混凝土和岩石的工作状态；r o w e r k 采用双 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 m d i b 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，在排水 分析中，采用零厚度节理元模拟桩岩界面；i _ 启o n g e c 用无限元模拟岩体的无界域， 得出结论，考虑远域对结果影响不大。在国内，刘树亚i i5 j 采用薄单元法和相应的 界面模型对嵌岩桩的承载特性进行了模拟。通过模拟每一种因素不同的量值，数 值分析法可以定量地、严格地界定某一因素对于嵌岩桩工作性态的影响程度。其 缺点在于所采用的数学模型均为简化模型，不可能建立一个精确、全面地反映嵌 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其中某些因素，所 以在应用这些方法时，必须明了它们的适用条件。 ( 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 f w i l l i a m s 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 s s k l l l 6 j 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 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。 现在，除了传统的、常规的研究手段外，灰色系统理论f 1 7 】、神经网络理论【体19 1 、 最优化理论等也被广泛地应用于桩基工程的研究之中。 第一章绪论 8 1 2 5 承载力影响因素研究 俞炯奇、张土乔、龚晓南1 2 0 j 根据统计的试验桩，得到桩基的极限承载力只与 桩顶沉降s 。及桩的长径比l d 有关：瓯= a s 。+ 6 ；只= 口l l d + b 1 ；桩侧极 限阻力：q 翩= a 2 只+ 6 2 ，q 。= a 3 l d + b , ；桩端极限阻力：瓯= a 4 + 6 4 ，其 中a ，b ，a ，b 1 。为拟合常数。 舒翔、李镜培f 2 1 1 和潘时声、侯学渊、余子华【矧等认为，桩的刚度随着l 的增 加逐渐趋于某一值，后者经分析得到桩的刚度k 由桩底岩( 土) 层刚度k 。和桩侧岩 ( 土) 层刚度两部分组成k 。，即k = k 。+ k 。其中k 。随着桩长的增加而减少，k 。 随着桩长增加而提高。当桩长增加到一定程度后，k 。就减4 , n 几乎为零，这时 k = k 。，桩长增加到一定程度后，k 。就不再变化，从而k 就不再变化。不管是摩 擦桩，还是端承桩，桩长增加到一定程度后刚度总是基本保持不变。随直径d 和 桩身材料弹性模量e 的增大而增大，且桩的刚度随桩直径d 的变化非常明显。 舒翔、黄雨1 2 3 】认为，当桩基其它条件( 桩的形状、截面积大小、桩身材料等) 和地基土的特性一定时，随着桩长的增大，基桩承载力的增加渐趋缓慢，当桩长 达到某一定值时，承载力的增加几乎为零，并把这个定值称为基桩的有效桩长。 则基桩承载力主要由有效桩长以内的桩侧摩阻力承担，桩端阻力占整个桩承载力 的比例较小，因而有效桩长的概念只适用于摩擦桩，而不适于端承桩、摩擦端承 桩和端承摩擦桩。 1 2 6 嵌岩深度研究 由于嵌岩桩定义的不明确，国内学者在嵌入深度研究方面已产生分歧：黄求 顺洲，在实验的基础上认为，3 d ( d 为桩径) 为最佳嵌岩深度，5 d 为最大嵌岩深度， 并且已在规范中体现出来；明可前拉5 】认为，钻孔嵌岩灌注桩的承载力主要由嵌固 力与端承力两部分组成。承载力大小决定于嵌岩部分岩石单轴抗压强度和嵌岩深 度，且嵌岩深度为4 倍桩径时，其承载力发挥最好；而刘松玉【2 6 】等认为泥质软岩 中的嵌岩桩的最大嵌入深度为7 d 。张忠苗【2 7 】认为，不存在一个使端阻力为零的最 大临界嵌岩深度；但从桩的承载力、经济性和施工方便角度考虑，确实存在一个 最优的嵌岩深度，其值约为1 0 2 5 m ，且不与d 成正比。王国民【2 8 】从工程造价和 安全综合考虑认为，对于软质岩层采用较大的嵌岩深度，其深度不宜大于长径比 l d = 1 0 。当嵌入深度大于或等于1 0 倍的桩直径，桩端阻力仅是桩顶荷载的 0 0 2 5 - 0 0 3 0 。封昌玉1 2 州认为，嵌岩深度为( 1 2 ) d 是发挥嵌岩段侧阻力的最佳深 度。 第一章绪论 9 两个“深度 的概念是黄求顺在山区嵌岩桩原型试验的基础上提出来的。黄 求顺根据试验结果认为，当嵌岩深度大于五倍桩径( 5 d ) 时，桩端以下无端阻存在， 这时侧阻已经完全平衡了外荷载，称5 d 为嵌岩桩的最大嵌岩深度；而当嵌岩深度 等于3 d 时，桩的侧阻和端阻可以得到最佳配合，嵌入深度超过3 d ，桩的承载力增 加甚微，故称3 d 为最佳嵌岩深度。史佩栋【3 0 j 在进行嵌岩桩竖向承载力研究时，引 用了黄求顺的观点和极限承载力求法，由于没有试验资料和理论分析，得出的结 论可靠性不强。吕福庆1 3 l j 等根据1 9 个工程7 1 根嵌岩桩静载试验结果，对最大嵌 岩深度和最佳嵌岩深度表示怀疑，认为应该具体工程具体分析分析。 南京大学陈斌【3 2 j 等通过有限元分析认为嵌岩深度效应显然是存在的，即当嵌 岩达到一定临界深度后，再继续加大嵌岩深度对桩垂直承载能力的提高已无积极 作用，但值得注意的是，当基岩强度不均匀时，嵌岩的临界深度不仅与桩径有关， 而且与基岩强度有直接关系。随着桩侧岩层强度的减小，桩端阻力的荷载分担比 将显著提高，因而当桩侧岩层强度相对于桩底基岩的强度较低时，嵌岩的临界深 度会相应增大。 在满足沉降准则和承载力准则的基础上，从经济的角度上考虑，嵌岩桩嵌入 深度越浅越好。但应具体问题具体分析，笼统地认为5 d 为最大嵌岩深度是片面的、 不合适的。因为5 d 只适用于岩石的弹性模量与混凝土的弹性模量相差不大的桩， 对于大量的e 。e ，大于1 0 的嵌岩桩是不适用的。针对泥质软岩，刘松玉提出了最 大嵌岩深度7 d 的观点。国家规范应明确嵌岩桩的定义，继而打破5 d 的框框。 ( 1 ) 建筑地基基础设计规范 桩底进入持力层的深度，根据地质条件、荷载及施工工艺确定，宜为桩身直 径的1 - 3 倍。在确定桩底进入持力层深度时，尚应考虑特殊土、岩溶以及震陷液 化等影响。嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩 体的最小深度，不宜小于0 5 m 。 ( 2 ) 建筑桩基技术规范j g j9 4 - 9 4 对于岩溶地区，为保证桩端平面溶洞顶板有一定厚度且不致于增加施工难度， 规定当岩面较为平整且上覆盖土层较厚时，嵌岩深度宜采用0 2 d 或不小于0 2 m 。 ( 3 ) 灌注桩基础技术规程y s j 2 1 2 - 9 2 、y b j 4 2 - 9 2 嵌岩端承桩桩端以下3 d 范围内，应无软弱夹层、断裂带、溶蚀洞隙分布，在 桩端应力扩散范围内应无岩体临空面。桩的嵌岩深度不宜小于0 2 d 或0 2 m ，无特 殊需要时不宜超过2 d ；人工挖孔嵌岩桩，当桩端基岩面大于1 0 0 的斜面时，桩端可 做成台阶形。 ( 4 ) 公路桥涵地基与基础设计规范j t j0 2 4 - 8 5 桩基在荷载、重力、桩侧摩阻力包括桩周土层的侧摩阻力及桩周嵌岩段的侧 第一章绪论 1 0 摩阻力与桩端岩土层的端阻力作用下达到平衡。该规范规定：当河床有冲刷时， 桩基须嵌入基岩，按桩底嵌固计算，应嵌入岩石深度可参考下式计算： 圆形桩： 拈，l ( 1 5 ) i 0 0 6 6 f i r 。d 。 矩形桩： 而= 跞 ( 1 6 ) 式中：j l 桩嵌入基岩中( 不计风化岩) 的有效深度( m ) ，但不得小于0 5 m ； m 在基岩顶面处的弯矩( k n m ) ； 尺。天然湿度的岩石单轴极限压缩强度( k p a ) ； 系数，= 0 5 - i 0 ，根据岩层侧面构造而定，节理发达取小值， 节理不发达取大值； d 钻( 挖) 孔或管桩的设计直径( m ) ； 6 垂直于弯矩作用平面桩的边长( m ) 。 ( 5 ) 港口工程嵌岩桩设计与施工规程j t j 2 8 5 - 2 0 0 0 不作水平静载试验的工程，当嵌岩端按固接考虑时，嵌岩深度不应小于矗， 且不小于1 5 倍嵌岩段桩径。h ，按式( 1 7 ) 计算：当桩身混凝土轴心抗压强度标准 值厶小于耽时，宜将厶代换公式中的矾进行计算。 j j i ，：竺垒业竺兰堕! 三：二丝丝垡( 1 7 ) ，z = = 一 ii ，j pf,。d 式中：j j l ，计算所需嵌岩深度( m ) 5 圪基岩顶面处桩身剪力设计值( k n ) ； 系数，取0 5 - 1 0 ，根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小 值，反之取大值； 厶岩石饱和单轴抗压强度标准值( k p a ) ； m d 基岩顶面处桩身弯矩设计值( k n 1 1 1 ) ； d 嵌岩段桩身直径( m ) 。 1 2 7 嵌岩桩沉降研究 目前单桩沉降计算主要方法有下述几种：荷载传递法、弹性理论法、剪切变 形位移法、有限元法、国家桩基规范方法。 ( 1 ) 荷载传递法 第一章绪论 荷载传递法由s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 提出，这种方法的基本概念是把桩划分为 许多弹性单元，每一单元与土体之间用非线性弹簧联系，以模拟桩一土间的荷载传 递关系。桩端处土也用非线性弹簧与桩端联系，这些非线性弹簧的应力一应变关系， 即表示桩侧摩阻力( 或桩端阻力) 与剪切位移之间的关系，这一关系称为传递函数。 传递函数法的基本微分方程为：d 2 9 d z 2 = 盯( z ) 彳e ，式中”为桩截面周长，彳、 e ，为桩的截面积及弹性模量。荷载传递法的关键在于确定传递函数：p - s ，根据求 解微分方程的途径不同可分为：位移协调法和解析法。 曹汉志( 1 9 8 6 ) p 3 j 提出了桩尖位移等值法，利用简化的传递函数来计算桩的荷 载一沉降曲线。方法是在桩的静荷载试验时，在桩身内埋设测试元件，实测桩身轴 力分布及沉降，由此得到实测的传递函数关系。 潘时声( 1 9 9 1 ) 1 3 4 j 假定传递函数是双曲线函数、指数函数和其它一些函数的组 合，利用分层积分法计算桩的位移、轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力和其它静力受 荷性能。推导出了一个运用简单积分的具体计算方法。 朱金颖( 1 9 9 8 ) 3 5 j 、陈龙珠等( 1 9 9 4 ) 1 3 6 】采用线弹性一塑性荷载传递函数，导出均 质地基和成层地基中桩的轴向荷载沉降曲线的解析递推公式，通过拟合实测p - s 曲线，得到桩一土系统的工程力学参数，由此计算得到桩身轴力及侧摩阻力分布曲 线。 传递函数法由于假定桩侧任意一点的位移只与该点的摩阻力有关，而与其它 点的应力情况无关，也即忽视了土的连续性，因此在理论上具有一定的局限性。 其实，传递函数法是以桩体为研究对象，传递函数中的位移是桩身位移，不考虑 土体的连续性就不能考虑由于桩侧摩阻力向下传递而引起的桩端土体压缩所产生 的桩端沉降。这样就不能准确的分析桩端及桩身下部受力与位移状况。 ( 2 ) 弹性理论法 弹性理论法以弹性连续介质模拟桩周土体的响应，使用在半无限体内施加荷 载的m i n d l i n 方程求解。m i n d l i n 给出了在均匀、各向同性的弹性半空间内作用单 位竖向荷载的情况下，半无限空间内任一点处的应力、位移的积分形式。弹性理 论法把土体看作线弹性体，用弹性模量e 。和泊松比。两个变形指标表示土的性 能。其中。的大小对分析结果影响不大，e 。是关键的指标。但是e 。很难从室内土 工试验取得精确的数值，在工程上大都需要从单桩试验结果反求其值，这使得弹 性理论法的应用受到限制。 弹性理论法杰出代表是p o u l o s 。p o u l o s ( 1 9 8 9 ，1 9 6 8 ) ，p o u l o s & d a v i s ( 1 9 8 0 ， 1 9 6 8 ) 和p o u l o s & r a n d o ( 1 9 8 3 ) 由m i n d l i n 基本解推导出积分形式的竖向位移影响 系数，引入桩身微分方程，从而得到桩周剪应力和桩端阻力的大小及分布形式。 为了把均质土中的分析方法应用到成层土中，p o u l o s ( 1 9 8 8 ) 建议根据土层厚度加 第一章绪论 1 2 权平均来计算弹性参数，同时也考虑了桩一土之间相对滑移的影响。b u t e r f i e d & b a n e r j e e ( 1 9 7 1 ) 等人在这方面也做了大量的工作，其理论比p o u l o s 法严格，对桩底 单元进行了细分，直接对桩单元进行计算。 g e d d e s ( 1 9 6 9 ，1 9 6 6 ) 从m i n d l i n 的应力基本解出发，并假定桩端阻力为均布、 桩侧摩阻力为梯形分布，考虑桩与桩间应力重叠效应，利用叠加原理求出群桩在 荷载作用下地基中应力及变形。黄绍铭( 1 9 9 1 ) 应用上述g e d d e s 解，考虑桩与桩周 接触土体沉降相等，确定桩侧摩阻力的分布公再用分层总和法求得桩的沉降。 杨敏等( 2 0 0 1 ，1 9 9 9 ) 3 7 1 认为实际工程中的天然地基并非是均匀的弹性体，其 组成往往是成层状构造，因此采用m i n d l i n 课题的解答来求解实际桩基础的应力 与变形问题，可能会产生较大的误差。根据弹性层状理论运用矩阵递推方法讨论 分析了多层地基内部作用一集中荷载时的广义m i n d l i n 课题解。同时运用广m i n d l i n 解对轴向荷载作用下分层地基中单桩进行分析，发现在均质地基中的结果p o u l o s 的弹性理论法的结果相当吻合；对于分层地基中的单桩与p o u l o s 弹性理论法的结 果有较大的差异。 弹性理论法也有其理论上的缺陷，在应用m i n d l i n 公式时忽视桩的存在产生的 影响，认为荷载是作用于未设桩时的理想均质、各向同性弹性半空间体内；其次， 在考虑土非均质时，不得不采用一些近似的假设；最后，由于假设土体应力一应变 关系为线弹性，分析桩的非线性受力特性存在困难。 ( 3 ) 剪切变形位移法 剪切变形位移法是c o o k e ( 1 9 7 4 ) 提出的摩擦桩的荷载传递物理模型，认为桩 沉降时周围土体随之发生剪切变形，剪应力从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围 土体中，假定桩侧上下土层之间没有相互作用，离开桩身距离相等处的剪应力是 相等的，而且剪应力的大小与其距离成反比的假定。这些假定被c o o k e ( 1 9 7 9 ) 等用 单桩和群桩试验成果所证实。 r a n d o l p h 等( 1 9 7 9 ，1 9 7 8 ) 进一步发展了该方法，使之可以考虑桩身的压缩以 及桩长范围内的轴向位移与荷载的分布情形。这种方法原理简单，基本假设合理， 但只适用于摩擦桩，而且在分析群桩时存在一定的困难。 ( 4 ) 有限元法 随着近代计算技术的发展和电子计算机的广泛使用，有限元法也被应用到桩 基分析中。有限元法就其本身来说，已是相当成熟，功能很强。在桩的分析方面， 用有限元法能有效地考虑土的非线性、非均匀性以及桩土界面特性等，甚至还能 用来分析土固结的时间效应和荷载的动力效应，因此在众多的计算分析方法中， 有限元法似乎应该由于它的这些优点而独占鳌头，但实际上，到目前为此，有限 元法主要还是用于单桩的分析和涉及不多的小群桩分析。主要原因有两个方面： 第一章绪论 1 3 一是桩基的沉降分析本身比较复杂，需要考虑和涉及的因素太多，在计算程序上 实现并非易事；二是要达到足够的计算精度，所划分的结点和单元数量很大，这 样计算矩阵太大，在内存有限的微机上难以实现，需要用大型计算机才能解题， 费用昂贵，因此目前在桩基分析中，特别是工程应用中有限元法还难以推广。 ( 5 ) 国家桩基规范方法 该方法属于实体深基础法，规范中建议对桩中心距小于或等于6 倍桩径的桩 基，其最终沉降计算可采用等效作用分层总和法。等效作用面位于桩端平面，等 效作用面积为桩承台投影面积，等效作用附加应力近似取承台底平均附加压力。 等效作用面积以下的应力分布采用同性均质直线变形体理论，并引入等效沉降系 数的概念，来反映m i n d l i n 解和b o u s s i n e s q 解之间的关系。 1 3 存在的问题 1 3 1 承载力计算方面 现行规范规定的单桩承载力计算方法虽然考虑了施工工艺对单桩承载力的影 响，对桩侧摩阻力和桩端阻力进行了深度的修正，从本质上来讲各方法是一样的， 都是把桩侧摩阻力和桩端阻力进行简单的叠加，只是在系数的取值上根据工程经 验有所区别。规范的计算结果比较安全而偏于保守，在理论上存在下述问题： ( 1 ) 单桩的承载力由桩侧摩阻力和桩端阻力组成，并同时达到极限，单桩极限 承载力标准值除以安全系数即得到承载力设计值。从理论分析和实测结果来看， 桩侧摩阻力和桩端阻力不是恰好同时达到极限，通常是前者先达到极限并产生滑 移变形直至后者达到极限，两者不同步。其实桩侧摩阻力沿桩身也不是简单的叠 加，桩身上部的侧摩阻力先于桩身下部摩阻力的发挥，对于超长桩尤其明显1 3 引。 ( 2 ) 桩侧摩阻力和桩端阻力的计算与桩一土体系的竖向变形毫无关系，也未规 定竖向变形的计算方法。这种算法在理论上是不完善的。 ( 3 ) 以往规范的制定是根据以前试桩的资料得来的，以前使用的基桩多为小直 径桩，桩长也较短，而目前长桩、超长桩十分普遍，尤其是大直径长桩使用率很 高，这种情况下上述规范中用于计算极限摩阻力、极限端阻力和单桩极限承载力 的方法是否适用值得研究。 因此，若干年来许多国内外学者都认为桩基的计算应建立在沉降的基础上更 为合理和可靠。 1 3 2 最佳嵌岩深度方面 第一章绪论 1 4 前面工程界和学术界各自得到的嵌岩深度可知，学术界倾向于存在有个最佳 的嵌岩深度。我们可以求得一个深度，使端阻力为零，但从经济和施工角度来看， 显然不合理、不科学；同时可求得一个使桩端岩层或桩身破坏时的嵌岩深度，但 不安全。最佳的嵌岩深度与众多因素有关，如地质条件、施工条件、经济条件等， 要经过综合考虑这些因数才得到最佳的嵌岩深度，所以所谓的最佳嵌岩深度只不 过是个相对概念，不同地质条件有最佳嵌岩深度不同，即使地质条件相同，其最 佳嵌岩深度也因施工因素而不一定相同。 1 3 3 单桩沉降计算中的一些问题 国内外现有建筑物沉降计算理论及计算公式比较多，对计算结果在工程上往 往不能令人满意，有些计算公式的沉降同实际沉降计算值相差相当大，要使理论 计算与实际结果一致尚有许多困难。这是由于土体和岩石的特性及工程相关因素 的复杂性造成的。 ( 1 ) 现有沉降计算理论大多数采用线弹性理论，但是地基土的特性复杂，其本 构关系难于符合线弹性理论。这是由于： 1 ) 地基土不是连续体，它是由土颗粒、水和空气组成的综合体； 2 ) 地基土不是线性变形体，应力与变形为非线性关系； 3 ) 地基土有明显的非均匀性； 4 ) 地基土为各向异性，由于土的沉积及形成竖向和水平方向的不一致； 5 ) 土体变形位移较大，采用弹性理论的误差是比较大的。 ( 2 ) 目前的数值模拟分析，只考虑了