岩基中桩墩基础的端部设计

岩基中桩墩基础的端部设计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。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800mm，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玻工程设计汁中分别根街据竖直荷声载、横向胀荷载采用锈相应的单砍桩承载力由计算式确收定其嵌岩僻深度，选僻取其中较伏大值作为脾控制深度服，并应满培足构造要败求。我国角现行规范阴中对嵌岩疤桩竖直单蜂桩承载力绍提出了两糕种计算模破式，一种炕是建筑地指基基础规集范喂(GBJ表7犬—柳89瞧)棚的计算模左式：只计服算基岩端台阻力，嵌苍岩深度按趋构造要求蒙确定，不投小惰于驳0.5彩m俩，要求桩构底以下三齿倍桩径范榴围内无软令弱夹层、析断裂带、初洞隙分布赤；在桩端陕应力扩散洗范围内无蜂岩体临空宣面，当桩聪底直接置院于基岩，苹其间无虚哥土存在时叼其岩石地钳基承载力拳，可采用揉岩基载荷智试验方法梦确定，也改可采用岩责石饱和单灭轴抗压强遭度标准值鸽乘以考虑澡岩石风化恶程度等影爽响因素的减折减系数盲。第二种询是建筑桩采基技术规派范蝇(JGJ翼9剃4孟—挖94们)溉的计算模年式：不仅沈考虑计算饥嵌岩段端吊阻和侧阻忍力，而且窜还计算桩运身周围覆软盖土层侧结阻力。点图绕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δ小于桩侧压力扩散角θ，根据文献［1］，θ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，θ=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8～10)，桩土间相对位移很小，一般不足5mm，而粘性土发挥极限侧阻力对应的相对位移一般为5～7mm，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=6000kPa，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们当覆盖土亚层很薄，偷横向荷载皆较大时，择还需将桩邀端嵌入基渡岩一定深领度，以保守证桩基的具稳定性。爆计算时如晒不考虑覆及盖土层的版作用，嵌唱入基础的稿深度则与涉嵌固帮处雪(驴完整岩石莫面馒)晒的内力及亚岩石强度舌有关，根摆据文献蛾［渴3僚］嵌岩深舟度桐(h未)待一般有两街种近似计朱算方法，恭第一种方黑法：不考铸虑水平剪芽力飞Q暖作用，假湾设嵌固处芬的弯矩由冶嵌入段侧和壁岩层承腥担，桩底开不考虑抵衫抗弯矩，薄如私图岭2呜所示，要粥求宣：芒σ呆max啦≤养KC犹B娇；式瓣中唱K给为水平方宜向与竖向座岩石强度购之比拜，切K=0.辈5掩～抢1.子0控；误C塌为考虑裂晚隙影响的争折减系数妖，涝C限≈泻0.暖5客；钩R桐为坟d=线7警～摄10c慧m伶、试件天高循≈摔d(泰d脸为桩宫径炊)哥，天然湿开度条件下拔岩石单轴组极限抗压牢强将度淘(kPa撞)尝。由静力言平洽衡凝(守∑毅M=0误)瓜得：午图劲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h＜2.5/α的刚性桩，可按如图4假设计算，图中ω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：掉式中时：盗舟h恨—死—取桩顶覆盖阳土层以下被桩的总深葵度裤C肉0雄—抹—绘岩石地基我弹性抗力识系数严m世—福—锐桩周土体朝的侧向比雾例系数控b送0溪—魔—她桩的计算衡宽度饮W犹—富—是基底截面泪模量博图磁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(JGJ72—90)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，JGJ72—90规定桩身长度小于6m时，不宜计算桩身摩阻力；桩身长度超过6m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640KPa，相应沉降量为2.0mm；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，P～S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=300mm，桩长分别为450mm、500mm；相应P～S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)p～s曲线；(b)底部脱空嵌岩桩4锚杆的应用市锚杆过去洞多用于岩膊土边坡工属程，当今惑也是高层芽建筑在岩资基中各种皇基础形式苗的一种很余好的辅助柴措施，如酷《钢筋混厅凝土高层艰建设结构纯设计与施拳工规程哥》谅(JGJ队3仍—亡91气)形明确规定肆当基础落戏在岩石上椒时，可不土设地下室条，但应采领用地锚等末措施；又净如当地下牵室埋深小忽于构造要姻求时，可傍在支立于理岩面的基拜底加设锚动杆或其它针锚固措施鹿，锚固于枪完整基岩赠内。锚杆晋用于岩基毛中桩墩基盯础主要有感两种目的诵，一种是丘为了承受盆由横向荷复载产生的昨上拔力；壳另一种是析是为了改引善基岩受锁力条件，磁保证桩基扰稳定，分话别讨论如德下。好当横向荷峰载很大，伟覆盖土层殃很厚，鸡按趁m纲值法计算晃，桩入土窃深度不能继满足要求萍。如果不亏考虑覆盖访土层作用船，采用将铲桩端嵌入份完整岩石叫内又无条纽件，如前观所述石笋昼地基情况垄，则可采恰用锚杆。殖锚杆设计帮计算可按弄《建筑地告基基础设你计规范》厕执行，据灭资料路［壮4属］介绍，守按计算锚依杆在岩层骑中所需的熔锚固长度娱一般只需蜻要昌2嚼m联就能满足留要求。但报在实施时毫，为了保西证岩层中零锚杆的可眨靠性，须逆防个别被肥裂隙分割委的岩块承谢受拉力后浇发生松动株。因此，难建议应使启用灌浆锚箱固段达到突岩层内尊部周(朗除去表面斑风化叨层李)提的深度不波小鲁于督4袍m吼。调在岩溶地碍区，地面丝以下岩面踪起伏，石厚笋体形复玉杂，桩端始嵌入石笋述中的位置关不同，岩冷体内部各粗处应力状趟态也不同重，个别处少还可能出冒现拉应力茄。如果在顺桩底采用肉锚杆穿过忙拉应力区闯伸入到较手深的基岩声内，就可贸改善岩体愤受力状态仅，通过锚暑杆施工钻劫孔过程，汽还可查明培在桩底岩凳体内是否梅有软弱夹宾层溶洞。抢当桩端处役于石笋坡反面时，采社用锚杆可颜防止桩端昆滑移以及率桩底顺坡钞面岩层曲歌折破坏。嚷5丧赠结论及讨查论创工程试验影证明葡［剩1栗］串，当岩面以较平整，宾桩的嵌岩乒深度超甩过织2带倍桩径时前，桩侧嵌真固力约占鲁总荷耀载撇50亦%凉以上。随弊着嵌固深柄度增加，狭承载力也默随之增大框。但嵌固衬深度超匙过控3悟倍桩径以爪上，承载罚力增长不务大，则嵌跪固深度不琴宜过大。营另外，在壮进行桩端赌设计时，准不仅要考民虑荷载大排小、性质帝、地质条蕉件、施工件条件，还畏应注意经维济效果。丢如果处理嫂不当，不麦仅给施工莫造成困难架，还将使料造价大大悠提高，据另深圳对数茂个工程概仰略统计蒜［轰5婚］宝，嵌入岩裳层深度占免桩长比例揪每增久加舒10皱%勤，每米桩根长平均造即价约增康加华40所%旁。如果采胸用人工挖皂桩，是不颠宜采用加只深嵌岩深环度来提高蒜桩基承载庸力的。逃关于嵌岩沸桩嵌岩深拿度构造要越求超，禽GBJ周7标—尿8坟9福与激GBJ9久4叼—嚼9恐4篮也不完全夹相同。前牺者要求嵌兄岩深度大物于屯0.5蝶m许，且要求驱桩底以下蒙三倍桩径丰范围内岩元石比较完基整且无临管空面。后变者要求当绢岩面较为论平整，且池上覆土层施较厚时宜穷采枕用马0.2赔m钻或不小边于型0.2虑m斧，石笋密拨布地区应大全断面嵌拴入基岩。奉由于人工行挖孔桩能殊直接检查雕孔底情况离，笔者常妇按后者要待求，嵌岩罩深度取历为匙0.2膛m逼，对于钻捏孔线桩待(酱尤其是水煤下哭)杏笔者认为霞采用前者胡要求的构盲造深度较伪妥。劣图福6凤吨层状块体施地基内的纺最大压应菠力图杏(a拿)旨均匀介质裁；违(b冲)玻α补=45绳°仍；扇(c躁)友α世=30班°弦；达(d检)档α灾=90°世对重要的圣高层建筑概，荷载较盒大须查明兰石然笋咐(肿芽廊)晶体形及分提布情况，沙必要时可妹挖除石笋紫周围覆盖塌土层充填剧混凝土，锻或凿平石腿笋，将地禾下室底板裁直接放在娘岩面上，姜在覆盖土误层很薄的艳情况下，宣这也是工斥程上常见收用的方案恋。屠在分析桩稳底溶洞顶扶板稳定性家时，须注胡意层状岩肌体一般为塌横观各向阴同性，与柳均质各向锈同性弹性紫理论的分税析结果是撤不同的，句扎西耶夫仙研究了倾倚斜层状岩霉基在其层载理面方向索与荷载方两向的夹株角挣α睛不同时的构应力分布俗特性斜［束6然］洞如检图渔6交。为说明趋岩溶分布屈的不利影陪响，现取握图钱6(d取)榨α半=蹦0营时极端情酿况讨论：孙由图可知西，所有应熔力都直接梯沿层面方奇向传递，露一直传到俭岩层末端储，应力分述布图伸展谈很深。如休果层理面枯强度软弱组，沿水平盛方向扩散牌范围很窄糠，几乎在侍桩底面范卵围的岩层粥内。如果腿在此范围迫任何深度大处存在溶蝇洞或软弱惜夹层，或羞当沿水平政层理面方代向，岩层母完整性连搁续性较差缠时，则将私可能发生变冲切破坏什。因此，跟有时在桩捏端下三倍舌桩径范围看外有溶洞印，也可能脉是不安全屑的，因而孟重要工程右桩底须穿惭过溶洞支兰于完整基亭岩面。参考文献佩1轰弯黄求敢顺记.眨嵌岩桩承垃载力的试赏验研玻究融.记(各全国建筑颜桩基技术巩规范专题烈报看告鱼).19互90坑2灿礼杨世润忠册.丘岩石强风藏化哈槽魔(侨带赠)蹈中的桩墩榴基浙础尊.赞见：中国匆建筑学会强地基础学孩术委员著会撒199芝2割年论文岔集示(薄桩基础专林辑辰)漆.朋太原：山瞎西高校联畏合出版壶社掀.199辫2椅3往袜胡人礼编桌著常.父桥梁桩基戏础分析和狼设简计润.半北京：中经国铁道出架版社齐，盯1987歇4围吼曾国熙等南主胁编荷.俘地基处理唇手趋册枪.语北京：中季国建筑工衫业出版社墙，勇1994狂5蜜犁刘金砺主习编慧.拍桩基工程攀设计与施沸工技壤术狮.睁北京：中障国建材出姨版社华，泊1994恋6好梨华东水利鼓学院计编速.哑岩石力矮学粘.竟北京：水辰利出版社江，洒1981观(P27汇2范～葛273)俭BOTT给IOM角DESI娱GNO婚FTH币EPI宣L座E坡肿PIER烦FOUN六DATI担