岩基中桩墩基础的端部设计.doc

岩基中桩墩基础的端部设计要 针对岩溶地区较普遍的石笋(芽)地基、风化岩石地基地质条件，结合现行设计规范及已建工程试验资料，讨论垂直荷载作用嵌岩桩、横向荷载作用下嵌岩桩、扩底桩以及桩底加设锚杆等有关桩(墩)基础的端部设计问题。关键词 岩溶地区；岩基；墩端部；设计中国图书资料分类号TU470.3；TU473.1引 言山区的一般岩面离地面较近，覆盖土层不厚，工程中常采用变形小承载力高的基岩为持力层的大直径灌注桩基础(桩径大于800 mm，又称为墩)。为了提高单桩承载力，保证桩基的稳定性，常根据具体地质条件(如覆盖地层厚度及工程性质、岩石风化程度及地下水)、荷载性质、荷载大小和施工条件，将桩端嵌入较完整基岩内一定深度(嵌岩桩)，或将桩底面积扩大(扩底桩)，或在桩底加设锚杆锚进基岩一定深度。现行各有关设计规范对上述桩端形式相应的单桩承载力的确定，虽已提出计算模式，但各规范并不完全统一，同时各计算模式也难以全面考虑不同地质条件的影响因素。因此本文针对岩溶地区石笋(芽)地基嵌岩桩、风化带中碎裂结构基岩的扩底桩承载力计算及锚杆的应用等问题进行讨论。1 竖直荷载作用下嵌岩桩计算工程设计中分别根据竖直荷载、横向荷载采用相应的单桩承载力计算式确定其嵌岩深度，选取其中较大值作为控制深度，并应满足构造要求。我国现行规范中对嵌岩桩竖直单桩承载力提出了两种计算模式，一种是建筑地基基础规范(GBJ789)的计算模式：只计算基岩端阻力，嵌岩深度按构造要求确定，不小于0.5 m，要求桩底以下三倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、洞隙分布；在桩端应力扩散范围内无岩体临空面，当桩底直接置于基岩，其间无虚土存在时其岩石地基承载力，可采用岩基载荷试验方法确定，也可采用岩石饱和单轴抗压强度标准值乘以考虑岩石风化程度等影响因素的折减系数。第二种是建筑桩基技术规范(JGJ9494)的计算模式：不仅考虑计算嵌岩段端阻和侧阻力，而且还计算桩身周围覆盖土层侧阻力。图1两种计算模式的不同点是侧阻力是否计算。其共同点是：对岩面起伏不大的较完整基岩，均可采用岩石单轴抗压强度为计算承载力的计算参数。第二种模式是综合近十年来的大量模型与原型试验研究成果和工程应用经验提出的，比较符合实际；但是对岩溶地区石笋地基，由于岩体形状奇特多变，多为大小不等的石芽柱体，加之处于地表以下很难查明，如果桩端位于图1所示石笋部位，由于嵌入段桩侧孔壁岩体很薄，岩坡面与桩壁夹角小于桩侧压力扩散角，根据文献1，角可视为在平整岩基达到极限破坏时岩体破裂角，与岩石单轴抗压强度Rc有关，根据统计分析，=Rc/2.1；因此嵌入段桩侧石笋不能按照岩面平整岩体一样传递荷载，主要由桩底传递荷载，故石笋地基可不计入嵌岩段侧阻力。另外，由于山区覆盖土层不厚，桩径比较小(一般不大于810)，桩土间相对位移很小，一般不足5 mm，而粘性土发挥极限侧阻力对应的相对位移一般为57 mm，因此，桩侧土的侧阻力不能充分发挥则可以不计。综上所述，石笋岩基的嵌岩桩竖向单桩承载力可采用第一种计算模式，即不计桩侧阻力，只计桩端阻力；还有桩底石笋体横截面很小可能与桩底面大小相近，岩体受力状态与柱体受压状态相似，又根据已建工程试验结果及分析2，由载荷试验确定地基承载力设计值一般大于单轴抗压强度确定的地基承载力f=6000 kPa，在现场载荷试验加至67900kPa，基岩未出现 任何破坏迹象。因此，为安全起见，石笋地基不宜采用现场载荷试验确定地基承载力，岩石地基承载力按岩石饱和或天然湿度(泥质岩石)条件下单轴受压强度乘以折减系数计算比较安全可靠。2 横向荷载作用下嵌岩桩的计算当覆盖土层很薄，横向荷载较大时，还需将桩端嵌入基岩一定深度，以保证桩基的稳定性。计算时如不考虑覆盖土层的作用，嵌入基础的深度则与嵌固处(完整岩石面)的内力及岩石强度有关，根据文献3嵌岩深度(h)一般有两种近似计算方法，第一种方法：不考虑水平剪力Q作用，假设嵌固处的弯矩由嵌入段侧壁岩层承担，桩底不考虑抵抗弯矩，如图2所示，要求：maxKCB；式中K为水平方向与竖向岩石强度之比，K=0.51.0；C为考虑裂隙影响的折减系数，C0.5；R为d=710 cm、试件高d(d为桩径)，天然湿度条件下岩石单轴极限抗压强度(kPa)。由静力平衡(M=0)得：图2图3第二种方法是近似考虑嵌固处(完整岩石面)水平剪力Q所引起弯矩的影响，图3所示。当M和Q同时作用时，可在h/2处施加一对大小相等、方向相反的水平力Q和附加力Qh/2，则总力矩为M+Qh/2。参照第一种近似法，则得：以上两种近似法均未考虑桩底作用，也未考虑剪力Q作用对嵌入段侧壁岩层产生的均匀压力，对于完整岩石，岩面较平，嵌入段侧壁较厚是安全的；但对图1石笋处的嵌岩桩，因侧壁可能很薄(不易查明)，可能不能承担弯矩M的作用，更不能承担弯矩、剪力同时作用。由上述，则对石笋地基的横向荷载作用下的嵌岩深度不能盲目的采用上述两种近似方法。为安全起见，建议考虑桩侧覆盖土层及嵌岩段岩石作用，采用m值法计算，对于h2.5/的刚性桩，可按如图4假设计算，图中为基底中心A点转角，PA为嵌入段底部桩侧岩层水平阻力，依据MA=0，可得：依据x=0，可得PA，因石笋处嵌入段侧壁岩层可能很薄，不能承担PA，故令PA=0，即得：因此：式中： h桩顶覆盖土层以下桩的总深度C0岩石地基弹性抗力系数m桩周土体的侧向比例系数b0桩的计算宽度W基底截面模量图4这种方法确定深度，除非覆盖土层很厚，m值很大，否则难满足要求，只得加大嵌入石笋内一定深度，这样显然不经济。3 扩底桩设计扩底桩一般用于基岩承载力低于桩身材强度的中风化、强风化岩石地基。扩底端(扩大头)底面有锅底形及平底形，前者可以减小地基沉降量；但因岩石地基沉降变形小，同时为方便施工，一般采用平底坑，其单桩承载力也有两种计算模式，即一种只计算端阻力，或按浅基础设计；另一种不仅考虑端阻力，同时也考虑扩大头变截面以上的桩侧岩土阻力。工程实践及试验研究表明，大直径扩底桩受力机理不同于等截面桩，也不同于浅基础，因而后一种计算模式比较符合实际。近期颁布的建筑桩基础规范及高层建筑岩土工程勘察规程(JGJ7290)均采用后一种模式。如前所述，当覆盖土层不深、桩长较短时，桩侧覆盖土层侧阻力不易发挥，可以不计，JGJ7290规定桩身长度小于6 m时，不宜计算桩身摩阻力；桩身长度超过6 m可以计算桩身摩阻力，但宜扣除两倍扩大头斜面高度段的摩阻力。工程实践试验证明对于中等风化岩石，可根据岩石单轴极限抗压强度计算端阻和侧阻；对于强风化岩层，由于岩土范围太广，上至中风化岩石下限，下至松散残积土，抵抗变形能力及承载能力变化也较大。如图5为一组不同风化程度白云岩，岩基载荷试验荷载P与沉降变形S关系曲线2，1、2线试点基岩为碎块及白云砂混合(挖掘取样分析各约50%)，比例界限平均为640 KPa，相应沉降量为2.0 mm；3线试点基岩裂隙闭合，岩块面显白砂；4线试点基岩为接近中风化，裂隙闭合，有一定结合力，用手可拆开，可挖掘；3、4两试点均加载至3000KPa，PS曲线仍呈线性关系，未见破坏。从上述试验结果说明，风化岩基套用松散碎石类土的经验值不一定恰当，宜采用现场载荷试验确定。该工程选择风化程度与4试点相近的基岩为持力层。试验证明，桩受力后扩大头斜面与相连的土层脱开，因此为了确定地基侧阻力与端阻力，该工程在试点3处，如图5(b)，采用底部脱空嵌岩桩求其平均摩阻力。桩径D=300 mm，桩长分别为450 mm、500 mm；相应PS曲线为图5中5、6线，可以看出长桩的摩阻力大于短桩的摩阻力。因此按短桩的比例界限(Pr=120KPa)作为强风化岩层侧阻力的标准，相应S=3.8mm相应的P值(P=2000KPa)作为端阻力标准值。这样按4点要求确定持力层，按3点经验确定端阻力、侧阻力进行设计，未作变形计算，多个实际工程证明是安全可行的。因此对于强风化基岩，采用现场载荷试验确定端阻力和摩阻力比较安全可靠。图5(a)ps曲线；(b)底部脱空嵌岩桩4 锚杆的应用锚杆过去多用于岩土边坡工程，当今也是高层建筑在岩基中各种基础形式的一种很好的辅助措施，如钢筋混凝土高层建设结构设计与施工规程(JGJ391)明确规定当基础落在岩石上时，可不设地下室，但应采用地锚等措施；又如当地下室埋深小于构造要求时，可在支立于岩面的基底加设锚杆或其它锚固措施，锚固于完整基岩内。锚杆用于岩基中桩墩基础主要有两种目的，一种是为了承受由横向荷载产生的上拔力；另一种是是为了改善基岩受力条件，保证桩基稳定，分别讨论如下。当横向荷载很大，覆盖土层很厚，按m值法计算，桩入土深度不能满足要求。如果不考虑覆盖土层作用，采用将桩端嵌入完整岩石内又无条件，如前所述石笋地基情况，则可采用锚杆。锚杆设计计算可按建筑地基基础设计规范执行，据资料4介绍，按计算锚杆在岩层中所需的锚固长度一般只需要2 m就能满足要求。但在实施时，为了保证岩层中锚杆的可靠性，须防个别被裂隙分割的岩块承受拉力后发生松动。因此，建议应使用灌浆锚固段达到岩层内部(除去表面风化层)的深度不小于4 m。在岩溶地区，地面以下岩面起伏，石笋体形复杂，桩端嵌入石笋中的位置不同，岩体内部各处应力状态也不同，个别处还可能出现拉应力。如果在桩底采用锚杆穿过拉应力区伸入到较深的基岩内，就可改善岩体受力状态，通过锚杆施工钻孔过程，还可查明在桩底岩体内是否有软弱夹层溶洞。当桩端处于石笋坡面时，采用锚杆可防止桩端滑移以及桩底顺坡面岩层曲折破坏。5 结论及讨论工程试验证明1，当岩面较平整，桩的嵌岩深度超过2倍桩径时，桩侧嵌固力约占总荷载50%以上。随着嵌固深度增加，承载力也随之增大。但嵌固深度超过3倍桩径以上，承载力增长不大，则嵌固深度不宜过大。另外，在进行桩端设计时，不仅要考虑荷载大小、性质、地质条件、施工条件，还应注意经济效果。如果处理不当，不仅给施工造成困难，还将使造价大大提高，据深圳对数个工程概略统计5，嵌入岩层深度占桩长比例每增加10%，每米桩长平均造价约增加40%。如果采用人工挖桩，是不宜采用加深嵌岩深度来提高桩基承载力的。关于嵌岩桩嵌岩深度构造要求，GBJ789与GBJ9494也不完全相同。前者要求嵌岩深度大于0.5m，且要求桩底以下三倍桩径范围内岩石比较完整且无临空面。后者要求当岩面较为平整，且上覆土层较厚时宜采用0.2m或不小于0.2 m，石笋密布地区应全断面嵌入基岩。由于人工挖孔桩能直接检查孔底情况，笔者常按后者要求，嵌岩深度取为0.2 m，对于钻孔桩(尤其是水下)笔者认为采用前者要求的构造深度较妥。图6 层状块体地基内的最大压应力图(a)均匀介质；(b)=45；(c)=30；(d)=90对重要的高层建筑，荷载较大须查明石笋(芽)体形及分布情况，必要时可挖除石笋周围覆盖土层充填混凝土，或凿平石笋，将地下室底板直接放在岩面上，在覆盖土层很薄的情况下，这也是工程上常见用的方案。在分析桩底溶洞顶板稳定性时，须注意层状岩体一般为横观各向同性，与均质各向同性弹性理论的分析结果是不同的，扎西耶夫研究了倾斜层状岩基在其层理面方向与荷载方向的夹角不同时的应力分布特性6如图6。为说明岩溶分布的不利影响，现取图6(d)=0时极端情况讨论：由图可知，所有应力都直接沿层面方向传递，一直传到岩层末端，应力分布图伸展很深。如果层理面强度软弱，沿水平方向扩散范围很窄，几乎在桩底面范围的岩层内。如果在此范围任何深度处存在溶洞或软弱夹层，或当沿水平层理面方向，岩层完整性连续性较差时，则将可能发生冲切破坏。因此，有时在桩端下三倍桩径范围外有溶洞，也可能是不安全的，因而重要工程桩底须穿过溶洞支于完整基岩面。参考文献1 黄求顺.嵌岩桩承载力的试验研究.(全国建筑桩基技术规范专题报告).19902 杨世忠.岩石强风化槽(带)中的桩墩基础.见：中国建筑学会地基础学术委员会1992年论文集(桩基础专辑).太原：山西高校联合出版社.19923 胡人礼编著.桥梁桩基础分析和设计.北京：中国铁道出版社，19874 曾国熙等主编.地基处理手册.北京：中国建筑工业出版社，19945 刘金砺主编.桩基工程设计与施工技术.北京：中国建材出版社，19946 华东水利学院编.岩石力学.北京：水利出版社，1981(P272273)BOTTIOM DESIGN OF THE PILEPIERFOUNDATION IN ROCKBEDHuangZhihong Yang Shizhong(Department of Civil Engineering,GUT,Guiyang 550003)ShuaiBin(Guizhou Tyre Ltd,Guiyang 550003)Abstract In view of the geological conditions of rocky shoots and decomposed rock ground typical of karst areas, co