岩石地基基础设计研究

岩石地基基础设计研究

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岩石地基基础设计研究

TheRockGroundBaseDesign

■刘昌忠

摘要:本文对岩石地基承载力特征值和基础的受力机

理进行了分析研究,提出了挖孔桩基础桩身的最小长1岩石地基和基础

度值.并且提出了在岩石地基上采用挖孔桩基础代替

扩展基础建造框架排架建筑物和构筑物的设计新理

.…………….地面上的建筑物和结构物都是由结构构件连接而成的结构体系来念

:

这样能充分发挥岩石地基的较高的承载能力.节J-…±…:水

省人力资源和自然资源.降低工程费用支承的.将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分是基

关键词:岩石地基:特征数值:扩展基础:孔桩基础,支承基础的土体或岩体则称为地基.

构成天然地基的物质不外乎是地壳中的岩石和土.具有一定连续性

Abstract:Thisartic1eaIlalyzedtheloadin2dintchamcter的原生成岩石,称为基岩:而覆盖在基岩之上的由各种成因而形成的松

numericalvalueoftherockgroundandtheforcemecha-散沉积物,则称为覆盖土.覆盖土地基和岩石地基的物理性质和承受建

nismofthebase.Ithasproposedtheminimumlength筑物的全部荷载作用下的受力机理是不相同的.建筑物的作用使地基原

valueofthepileoftheexcavatingpilebase,andalso有的应力状况发生了变化,这就必须用力学的方法来研究在荷载作用下

proposedanewdesigntheorythatusingtheexcavating地基土的变形和强度问题.

pilebasereplacetheextensionbasetoconstructabuild一基础所支承的上部建筑物和构筑物的结构类型多为框架结构,排架

i”gofthefram.rowand.仃um陀.whiheonherock结构

,

剪力墙结构,混合结构等.框架结构,排架结构和剪力墙结构都能

gr0u”d?I”hiayianfull..nh.high.rl.di”g一将上部的竖向力

,

水平力和弯矩传递给基础.混合结构也能够将上部的

bi¨ty.fh.rokgr.nd,..hm”reS.rc.nd”一竖向力和水平力传递给基础

,但一般不能将上部的弯矩传递给基础混

m...rc..’”dred.theprojectexpenses合结构传递给基础的水平力一

般不会太大,能被竖向荷载在基础项面所K

eywords:rockground;characternumericalvalue;ex--].

tensionbase:excavatingpilebase

产生的比较大的水平摩擦阻力所克服.

基础结构的类型是多种多样的.基础设计时要选择能适应上部结

收稿日期:2(一1(卜26构,满足地基基础设计的基本要求以及技术上,经济上合理的基础结构

中图分类号:TU471.6方案.通常把埋置深度不大,容易开挖施工的基础称为浅基础.把浅层土

文献标识码:A质不良,而必须把基础置于深处的,称为深基础.浅基础,多采用扩展基

文章编号:1671—91()7(2005)12一()()37—04础的型式.一般建筑物和构筑物的深基础,多采用桩基础的型式.桩基础

有时采用扩大端部的型式,称之为扩底桩基础,以增大基础的承载能力.

2岩石地基承载力特征值

我国多山和丘陵,山地和丘陵的岩石埋藏较浅,有的出露在地表.

作者单位:四川省自贡市轻工业设计研究院石佃¨,F墨,具承戟/J『苛,木化搜儇化看囱』主任很小,买

际上可以认为是不可压缩的.因此,岩石地基是良好的地基

:.:.西,方土木建GB50007—2002《建筑地基基础设计规范》(k2T~,为地基规筑学会第届学术交流大会发言文章一

范)规定了岩石地基的载力特征值的定妄基规范5.:

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与

技

岩石地基承载力特征值.可按本规范附录H岩基载荷试验方体中桩的”深度效应”问题和桩端阻力和桩侧阻力的临界深

术法确定.对完整,较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值,度”问题,只存在和岩石类别,风化程度,岩石构造,岩石性质

可根据室内饱和单轴抗压强度按下式计算:等有关的问题.

f=.f(5.2.6)扩底桩桩端岩石承载力特征值和一般桩端岩石承载力

式中fa-岩石地基承载力特征值(kpa);frk-岩石饱特征值是一样的,和岩石地基承载力特征值也是相同的,挖

和单轴抗压强度标准值(kpa),可按本规范附录J确定:孔扩底桩桩端岩石承载力特征值可以按岩石地基承载力特

一

折减系数.根据岩体完整程度以及构面的间距,宽征值取用.

度,产状和组合,由地区经验确定.无经验时,对完整岩体可现在有部分岩土工程师和结构I程师的认识中存在着

取0.5;对较完整岩体可取0.2～O.5:对较破碎岩体可取个误区,以为岩石地基承载力特征值要比挖孔桩端岩石承

0.1～0.2.载力特征值小得多,相差少则三,四倍,多则六,七倍.这就使

地基规范8.5.5规定,单桩竖向承载力特征值的确定应扩展基础采用的岩石地基承载力特征值未达到应有的数值

符合下列规定:而取用数值过小,扩展基础底部面积设计过大,造成不必要

初步设计时,单桩竖向承载力特征值可按下式估算:的浪费..

Ra=qp.AD+Up∑qf’(8.5.5-1)

式中,R.一单桩竖向承载力特征值;qq一桩端端阻3岩石地基上的人工挖孔桩基础

力,桩侧阻力特征值:Ap一桩底横截面面积:u.一桩身周边

长度:f一第1层岩土的厚度.桩是竖直或者微倾斜的基础构件

.

它的横向尺寸比长度

当桩端嵌入完整及较完整硬质岩中时,可按下式估算单小得多有人给桩下了一个简单的定义

,即垂直或微斜埋

桩竖向承载力特征值:置于土中的受力杆件

.桩的上述定义包含了桩的三要素设

RaqpaAn(8?5?5-2)置方向

,包围介质,结构特征.桩基础也是一种历史悠久的

式中,q舯一桩端岩石承载力特征值.基础

,桩基础则是通过桩侧摩阻力和桩端端阻力将上部荷载

嵌岩灌注桩……桩端岩石承载力特征值,当桩端无沉渣传递到地基深部的承载力较高的土体层中或岩体层中

时,应根据岩石饱和单轴抗压强度标准值按本规范5.2.6条桩和墩的词义解释有所不同

,但对于工程上桩和墩.技

确定?或按本规范附录H用岩基载荷试验确定.术文献有它自己的解释

.《基础工程手册》指出钻孔墩和桩

地基规范条文说明8.5.5解释说,对于嵌入破碎岩石和的功能一

样,这两类基础间的主要区别在于施工方法不同

软质岩石中的桩,单桩承载力特征值则按8.5.5-l式进行估桩的设置通常是将结构构件打人或振入土中

,而使土受挤

算.而此时其中的q∞也就成为表示桩端岩石承载力特征值压

.墩基的设置则是先挖好或钻好一个井孔,然后将混凝土

的符号.~ATL@

.井孔底部可使之扩大,从而形成一种所谓t大头

岩石地基承载力特征值是按照岩基载荷试验方法确定墩lIl

.《地基及基础》指出墩基是在就地开出的坑孔内浇灌

或根据室内饱和单轴抗压强度标准值计算确定:嵌岩灌注桩混凝土而成的深基础

.《地基及基础》还指出至于从荷载传

桩端岩石承载力特征值是根据室内饱和单轴抗压强度标准递性质来看

,墩基和桩基并无本质的差别这两类基础的最

值计算确定或按岩基载荷试验确定.就是说,桩端岩石承载大区别

,只在于施工方法有所不同而已.《桩基础设计与计

力特征值和岩石地基承载力特征值都是按岩基载荷试验方算》指出

,对于端承型大直径桩又称为墩.因此,桩基础和墩

法或者都是根据室内饱和单轴抗压强度标准值计算而确定基础在本质上并没有区别

,墩基础只是桩基础的一种特殊型

的.因此,岩石地基中同层次,同位置的桩端岩石承载力特征式

.挖孔墩基础就是一种短而粗的挖孔桩基础.文章以下所

值和岩石地基承载力特征值是相,同的.涉及到的挖孔桩基础就包括挖孔墩基础岩石地基上的挖孔

.三竺!灌注桩也称为嵌岩灌注桩,简称为嵌岩桩.承载力与基础埋深和底面尺寸无关”[“.岩石地基的桩端承.

载力特征值和桩端埋置深度,桩端尺寸无关.不存在天然土人工挖孔灌注桩(以下简称挖孔桩)基础广泛应用于各

种建筑中.挖孔桩基础施I时,对周围环境影响小,可采用扩

38重庆建筑2005/12

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大底部的型式,能充分发挥桩端土的承载力,单桩承载力破碎岩石或软质岩的桩,按一般桩来计算桩进入持力层的

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高,桩身刚度大,抗震性能好,设计计算简单,可对桩底处进深度,根据地质条件,荷载及施工工艺确定,宜为桩身直径

术

行检查,施工方便,可靠性高,经济合理.挖孔桩的优越性显的1～3倍.显然,嵌岩灌注桩嵌入岩石的深度满足地基规范

着,为广大结构工程师,岩土工程师,开发商,承包公司以及相应条文的规定时,桩基础端部的岩石就能充分发挥它的

建设主管机关所共识.竖向承载的能力.

挖孔桩基础可用在单层建筑的排架结构,多层和高层硬质岩体强度超过桩身混凝土强度.设计桩基础时以

建筑的框架结构以及剪力墙体结构中,也常用在多层混合桩身强度控制,单桩的竖向承载力由桩端处的岩石阻力来

结构中.框架,排架或框排架的柱子端部为固定支座,多采承受,无需考虑桩侧阻力和嵌岩段侧阻力.破碎岩石或软质

用一柱一桩的结构型式.剪力墙体结构和混合结构的基础岩石的强度低于桩身混凝土强度.可采用扩大桩端的型式

梁下也可设置单独桩基础.挖孔桩基础除承受竖向荷载外,来增大单桩的承载力:单桩的竖向承载力由桩端处岩石阻

还承受水平力和力矩的作用.力和嵌岩段的岩石侧阻力,土层侧阻力共同组成.

设计挖孔桩基础时,要进行基础埋置深度和承载力的地基规范8.2.4条对现浇基础的柱子主钢筋的锚固长

计算,可不进行变形计算,一般情况下也不必进行稳定性的度提出了要求,8.2.5条对预制钢筋混凝土柱插入杯口基

计算.础的深度作出了规定.地基规范8.5.2条规定,对于大直径

挖孔桩基础进入持力层的深度,桩身的最短长度的确灌注桩,当采用一柱一桩时,可设置承台或将桩与柱直接连

定等都是极其重要的问题.有关规范均未对挖孔桩基础桩接.结构措施在70页中规定,”一般情况下挖孔桩应设置

身的最小长度做出规定.《全国民用建筑工程设计技术措承台或桩帽”.作为嵌岩灌注桩基础特殊型式的嵌岩灌注扩

施——结构分册》(以下简称《结构措施》)在67页里规定,人底桩基础也要遵守上述地基规范和结构措施》的相应规

工挖孔桩的最小桩长为6m或为桩端扩大头直径的3倍数定

值,二者中取数值较大的.此规定对于土体地基是合适的.岩石层上有覆盖土层时,嵌岩桩基础桩身长度为桩身

根据《结构措施》中有关条文规定,能够得出岩石地基人工进入岩石持力层的深度加上覆盖土层的相应厚度的总和.

挖孔桩的最小桩长为800x5≤4000,即可以小于4m.这就岩石层上没有覆盖土层的挖方区,如果承台底面就是岩石

和《结构措施》在前面对人工挖孔桩的最小桩长的规定是不项面层或者岩石层时,嵌岩桩基础进入岩石持力层的深度

～

致的.可以说,《结构措施》中关于人工挖孔桩的最小桩长就是桩身的长度.没有覆盖土层的岩石中的桩身长度,这就

的规定是不严密的,它对于岩石地基来说是不符合实际情是所要探讨的嵌岩桩基础桩身的最小长度.

况的.嵌岩桩周边嵌入较完整的中风化硬质岩体的深度为1

确定岩石地基挖孔桩身的最短长度,首先要考虑竖FM倍桩身直径和嵌岩桩进入破碎岩石或软质岩石的深度为1～

荷载大小,岩石的地质状况,桩身混凝土抗压强度,其次还3倍桩身直径,且不小于12O0～1400mm时.按地基规范的规

要考虑桩身的嵌岩部分的受力机理,上部水平力和力矩的定,桩端部岩石的阻力已经能充分发挥出来.从而满足相应

作用,以及相应的构造要求等因素.嵌岩桩的竖Fq承载力的要求.这时,根据相应岩石的地质报

地基规范8.5.2条规定,嵌岩灌注桩周边嵌入完整和告,可以确定嵌岩桩端部的阻力状况.能够计算桩端部进入

较完整的未风化,微风化,中风化硬质岩体的最小深度,不持力层的深度,从而确定桩身的长度.

宜小于0.5m.地基规范条文说明8.5.2条解释道,桩端进入嵌岩桩嵌入岩石的深度为1～3倍桩身直径,且不小于

12h0I’IgqII’IgaI-12hit巳[tI_II-巳

与

技

1200～1400mm~,其桩体属于长径比为1N3的短粗嵌岩桩JGJ3一一91《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》第术

体.嵌岩桩桩身混凝土柱体为接近于长细比为1的受压柱六章第六节的有关规定进行处理.

体.其混凝土抗压极限强度为立方抗压强度或接近于立方抗

压强度.混凝土的立方抗压强度要高于高宽比为3～4的混凝4岩石扩展基础与嵌岩桩基础

土轴心抗压强度或棱柱受压强度.就是说,在嵌入岩体深度

为1～3倍桩身直径,且不小于1200～1400mm~,嵌岩桩的桩岩石地基上采用的基础

,主要有扩展基础,预制桩基础,

身混凝土抗压强度是最高的,其桩身的竖向承载力是最大灌注桩基础等类型

.扩展基础将上部结构传来的荷载向基础

的.这时,嵌岩桩在岩体中的受力机理,和预制混凝土柱插入侧边扩展

,起到压力扩散的作用.多用在地基为土体的浅基

杯口基础一定深度内,并在柱子与杯壁之间用高标号混凝土础中

,也常用在岩石地基中

填充密实的状况类似,桩体端部与岩体连接形成一个受力整扩展基础可用于岩石的埋置深度小于5m的地层中

:预

体.岩体把桩端固定并成为上部柱的固定支座,桩身嵌入岩制桩基础多用于岩石的埋置深度为10～

50m的地层中机械

体的深度也能满足上部柱子主筋在基础中的锚固长度所需钻孔灌注桩基础在岩石的埋置深度为lO～

50m的地层时还是

求的尺寸.比较适宜的

:人工挖孔灌注桩基础可用于岩石的埋置深度为

这种短粗的嵌岩桩能够满足文献总结的,不要采用长度4N40m的地层中也可用于岩石的埋置深度小于4m的地层

小于基础宽度的(浮桩)摩擦桩的桩基设计的原理.这种短中

.

粗的嵌岩桩也能满足地基规范,桩基规范及其它相应规范关嵌岩桩基础端部岩石承载力特征值和扩展基础岩石地

于挖孔桩构造的有关规定.它能承受上部结构的框架,排架基承载力特征值是相同的

.

它们的受力机理和特点却不相

樟子传来的竖向荷载,水平荷载和力矩的共同作用,满足框同,它们对上部结构所起的作用也不同

架,排架柱子端部为固定支座的要求.基础是结构的支座

,支座的计算简图决定于基础的构

因此,嵌岩桩周边嵌入完整和较完整的未风化,微风化,造

.要使基础成为数量众多的框架和排架结构的柱子端部的

中风化硬质岩体的最小深度为1倍桩墩身直径和桩体端部固定支座

,就要求基础在受到竖向荷载,~--T-力和力矩的共

嵌入破碎岩石或软质岩石的最小深度为1～3倍桩身直径,且同作用时不产生较大的不均匀沉降和转动

在轴心受压或小偏心受压时不小~1200mm,在大偏心受压岩石地基的压缩性很小

,甚至认为是不可能压缩的,嵌

时均不小于14OO的前提下,这时,嵌岩桩桩身的长度就是桩岩桩在竖向荷载作用下沉降很小

,满足固定支座对沉降量和

的最短长度.这就是说,嵌岩桩的最小桩身长度可取为1信沉降差的有关要求

.嵌岩桩在嵌入岩体内的深度为1～3倍墩

桩身直径长,且不小于1200～1400mm.身直径

,

且不小于1200～1400mm时,桩身混凝土和岩体浇灌

按《地基规范》公式(8?5.5-2)估算嵌入完整和较完整成为一个受力整体

,桩基础不会发生转动嵌岩桩对上部柱

的未风化,微风化,中风化硬质岩石的嵌岩桩单桩竖向承载子起着固定的作用

,是上部框架,排架柱子的固定支座.满足

力特征值,此时不计算土层侧阻力和嵌岩侧阻力:按上述公结构计算简图中柱子的支座是固定端的要求

式(8?5?5-I)计算嵌入破碎岩石和软质岩石中的单桩承载岩石地基上的扩展基础顶部与上部结构柱子的下端浇

力特征值,此时要计算土层侧阻力和嵌岩侧阻力.灌成整体

,基础顶部和柱子下端禾会发生相对位移和转动

嵌岩桩基础的构造还要符合地基规范和其它相应结构扩展基础侧面和岩石坑壁间有很大的空间

.其空间一般采用

设计规范的有关规定.嵌岩桩基础的构造设计还可参照天然土回填夯实

.扩展基础受力矩作用时,基础发生了转角.

li40重庆建筑2005112

[n0ngqingar[hi11:e[11:ure

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与

技

其值=M/Ic.其中I为基础底部面积对其形心的惯性矩,5结论和建议术

c为土壤的非均匀压缩系数.岩石地基承载力很高,其基础

底部面积不大,甚至还很小,相应的惯性矩I就很小.岩石地5

.1岩石地基上的人工挖孔桩基础,其最小桩身长度可

基压缩性很小,而相应的C值就比较大.在力矩作用下,基础取为l倍桩身直径长

,且在大偏心受压时不小~-1400mm.在

周边的回填土不能阻止基础的转动趁势,基础就会发生转轴心或小偏心受压时不小~-1200mm

.当然,其最大桩身长度

动,其转动角度比较大.这时,部分甚至大部分基础的底面一般不超过4Om

就会脱离岩石表面.基础不能把上部柱子端部进行有效的固5

.2在丘陵,山地建造建筑物和构筑物时.多遇岩石地

定,不能作为柱子的固定支座,不能满足上部框架,排架结构基

.在岩石地基上建造框架,排架结构的建筑物和构筑物时.

计算简图中对支座构造的要求.可以采用这种短而粗的嵌岩桩基础代替扩展基础

.这样就能

一

般排架结构的基础,要求有足够大的底面积,才能承充分发挥岩石地基的高承载能力

,节省人力资源和自然资

受上部结构传来的全部荷载.同样认为,框架结构的基础源

,降低工程费用.

也要有相当大的底面积,才能承受上部结构传递来的竖向荷

载和力矩共同作用的全部荷载.岩石地基上的扩展基础要能

够把上部柱子的端部进行有效的固定.成为上部结构的固定

支座,就要加大基础的底面积,加深基础的埋置尺寸.使基础

在受到上部结构传来的力矩的作用时不产生较大转动这

样,就没