劉友萬

（陜西省何家塔煤礦，陜西榆林719300）

斯里蘭卡地區(qū)由于受沖積地質作用小，基巖埋藏深度淺，同時基巖的完整性好，抗壓強度較高，使得嵌巖灌注樁基礎在當地的橋梁工程、房建工程等領域得到了廣泛的運用。但由于現(xiàn)行的歐洲規(guī)范（EC7）、英國規(guī)范（BS8004），以及其他國際通用的規(guī)范，對嵌巖灌注樁嵌巖區(qū)域承載能力的計算參數選取沒有給出統(tǒng)一和明確的規(guī)定，導致在嵌巖灌注樁的承載能力設計上存在很強的經驗性。

本文結合科倫坡港南集裝箱碼頭和龍喜國際佛教大學兩個項目灌注樁基礎的設計，對嵌巖灌注樁嵌巖區(qū)域承載能力計算和確定進行討論，并對嵌巖區(qū)域的承載能力設計參數選取進行總結，為后續(xù)項目樁基的設計工作提供參考。

一、嵌巖灌注樁承載能力設計方法及安全系數

樁基礎作為承擔建筑物或構筑物上部結構所傳遞荷載的作用主體，其設計應保證在設計年限內：⑴樁基礎自身有足夠的安全度，避免出現(xiàn)強度破壞而引起上部結構乃至整個結構的破壞；⑵地基有足夠的安全度，不至于出現(xiàn)地基失穩(wěn)，坍塌等失?。虎菢痘A不出現(xiàn)過大的變形，影響結構的正常使用。

1、承載能力設計方法

樁基礎的設計方法主要可以分為以下兩種設計方法：

⑴單一安全系數法。該方法最主要的特點是采用單一的設計安全系數，通過該系數綜合考慮了荷載、材料強度、地質條件等一切可變因素，以確保樁基礎的安全性。采用單一安全系數法在設計參數選取方面存在較強的經驗性，很難客觀地表達各項不利因素對設計的影響，但是，由于該方法在表達式上比較簡單，經過幾十年的發(fā)展，各個地區(qū)也總結出了可靠參數選取方法，因而，目前在樁基設計方面得到了廣泛而成功的運用。

⑵極限狀態(tài)設計法。極限狀態(tài)設計法是將設計分為幾個極限狀態(tài)，常見的為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，并在不同的極限狀態(tài)對荷載、材料強度（材料抗力）、施工工藝等因素采用不同設計安全分項系數進行考慮，在表達上較單一安全系數法更科學。但由于在設計統(tǒng)計上缺乏經驗，目前僅在少數國家和地區(qū)得到了應用，主要包括:以美國AASHTO規(guī)范為代表的荷載及抗力分項系數設計法和以歐洲EC7規(guī)范為代表的荷載和材料分項系數設計法。

2、安全系數

在樁基礎的設計過程中，通常采用對樁側極限摩阻力（Qsu）和樁端極限端阻力（Qbu）分別除以分項安全系數（Fs）和（Fb）確定樁的允許承載能力；同時對樁總的極限承載能力（Qsu+Q bu）除以綜合的安全系數（Fg）確定樁的允許承載能力；并選取兩種中的較小值作為樁的允許承載能力值。其具體表達式如下：

其中：

Pag——樁允許承載能力

Qsu——樁側極限摩阻力Qsu=×∑(fsu×AS)

i——覆蓋土層的層數

Qbu——樁端極限端阻力Qbu=fbu×Ab

fsu——每層覆蓋土層的單位樁側極限摩阻力

fbu——單位樁端極限端阻力

As——樁的樁身側面積

Ab——樁的樁端地面積

Fs——樁側摩阻力安全分項系數

Fb——樁端端阻力安全分項系數

Fg——樁的綜合安全系數

二、嵌巖區(qū)域荷載傳遞機理

相對于樁身土體部分的側阻承載力而言，樁嵌巖區(qū)域的承載能力的確定比較困難，具有較強的經驗性，其主要原因在于嵌巖區(qū)域的荷載傳遞機理比較復雜，同時影響該區(qū)域承載能力發(fā)揮的因素眾多。嵌巖樁嵌巖區(qū)域的承載能力主要可以分為嵌巖區(qū)域的樁側摩阻力和樁端端阻力。

在豎向荷載作用下，樁側摩阻力和樁端端阻力對荷載的分擔情況跟樁的嵌巖深度和樁徑比、樁身混凝土和基巖彈性模量的比值等因素有關。Osterberg和Gill等人對此進行了詳細的研究，并總結繪制了相應的荷載分布圖（圖1）。由圖可知，嵌巖部分的樁側摩阻力分布沿嵌巖位置的加深而減小，同時，當嵌巖深度和樁徑比大于4時，全部的荷載將由樁側摩阻力承擔，樁的端阻力不再發(fā)揮作用。

圖1 樁嵌巖部分樁側摩阻力分布圖

（引至 Osterberg,J.O.andGill,S.A.,Loadtransfer mechanismsforpiers socketed in hard soils or rock,Proceedings of the Ninth Canadian Symposium on Rock Mechanics,Montreal,Quebec,Canada,pp.235-262,1973.)

同時對于在豎向荷載作用下，對嵌巖樁嵌巖區(qū)域樁側摩阻力和樁端端阻力隨樁身位移的發(fā)展，前人也做了大量的研究，研究表明：嵌巖區(qū)域樁側摩阻力對樁身位移較樁端端阻力敏感，通常在樁身位移達到5mm時，樁側摩阻力就得到了充分的發(fā)展，而樁端端阻力的發(fā)展尚不足40%。由于在設計過程中，幾乎所有的設計規(guī)范對樁在荷載下的位移都有嚴格的控制，不允許樁基礎出現(xiàn)過大的豎向位移。因而,如果是采用濕作業(yè)方式施工，同時樁底的清孔得不到有效保證，即便是在嵌巖區(qū)域樁的樁端端阻力比樁的樁側摩阻力高出數倍甚至數十倍的情況下，在樁的設計時偏于保守的忽略樁端端阻力對荷載抵抗作用（Tomlinson,el1986)。但同時也有相關的規(guī)范（如英國規(guī)范BS 8004、香港規(guī)范DB 2004a），根據該地區(qū)長期的樁基荷載試驗結果，總結出了在保證足夠嵌巖深度前提下不同基巖的樁基嵌巖區(qū)域綜合承載能力的設計允許值，由于規(guī)范規(guī)定的嵌巖深度往往比較深，達到3倍的樁徑，使得設計偏于保守，不經濟。

三、嵌巖區(qū)域樁側摩阻力的確定

如上所述，嵌巖樁嵌巖區(qū)域樁側摩阻力在豎向荷載的作用下優(yōu)先得到發(fā)展，因而采用樁側摩阻力來設計嵌巖樁更趨于合理，使設計更加經濟，因為樁的嵌巖深度可以根據豎向荷載的大小由計算決定。

對于嵌巖區(qū)域樁側摩阻力的允許設計值的選取，不同的規(guī)范根據不同地區(qū)的樁基試驗經驗亦總結出了相應的數據：如香港地區(qū)的規(guī)范根據巖石的分類情況規(guī)定樁側的摩阻力的允許設計值介于0.5～1.0MPa之間；馬來西亞地區(qū)根據Neoh,Thorne等人的研究成果對樁側摩阻力的允許設計值進行的規(guī)定：石灰?guī)r為0.3～1.0MPa，砂巖為0.1uc q，頁巖為0.05uc q，對于uc q大于30MPa的花崗巖為1.0～1.5MPa，其中uc q為巖樣的無側限抗壓強度值。除了規(guī)范規(guī)定相應的嵌巖區(qū)域的樁側摩阻力的允許設計值以外，由Rosenbeng&Journeaux （1976）、Horvath（1978）、Williams&Pells（1981）等人提出的由半經驗公式確定的樁基嵌巖區(qū)域樁側摩阻力的方法，也在世界上多數地區(qū)（如歐洲、馬來西亞、斯里蘭卡-ICTAD規(guī)范）得到了廣泛的運用。該公式主要考慮了巖樣的抗壓強度和基巖的節(jié)理對摩阻力的影響，可簡單的表示為：uc sfq=××αβ式3

其中：

sf——嵌巖區(qū)域樁側極限摩阻力；

α——和巖樣無側限抗壓強度uc q有關的折減系數（圖2）；

β——和基巖節(jié)理間距有關的修正系數（圖3）；

ucq——巖樣的無側限抗壓強度

圖2 極限摩阻力和巖樣抗壓強度相關的修正系數α（引至Tom l i nson 2005）

圖3 極限摩阻力和基巖完整性相關的修正系數 β（引至Tom l i nson 2005）

對已由以上公式求得樁側摩阻力，在設計的工程中，應根據本文“安全系數”部分的要求，除以相應的安全系數。

對于科倫坡港南集裝箱碼頭項目辦公樓和龍喜國際佛教大學項目行政樓等建筑物的嵌巖灌注樁，在設計過程中，均采用僅考慮嵌巖區(qū)域樁端阻力的設計方法（經驗法），而未考慮樁側摩阻力對承載能力的影響。在這種情況下，樁的嵌巖深度，巖石端阻力均由個人經驗確定，使得樁的承載能力設計取值存在很大的差異，使得樁的安全性和經濟性很難得到準確的評估。

四、結論

由于目前斯里蘭卡地區(qū)的嵌巖樁基的設計經驗性很強，不同設計的設計成果差異性很大，可能造成樁基的安全性和經濟性得不到很好的保證；同時作為中國承包商，由于對斯里蘭卡的地質條件不熟悉，甚至知之甚少，在行使EPC和DB合同的設計時，樁基的設計將會存在很大的風險。

通過本文對樁基嵌巖區(qū)域承載能力計算的研究，可以得到如下結論：

1、對于濕作業(yè)的嵌巖灌注樁，樁端承載能力的發(fā)展需要樁體發(fā)生很大的位移，在設計時應謹慎考慮這部分承載力對荷載抵抗的作用。

2、采用經驗法確定樁基承載能力，使得樁基嵌巖深度的確定存在很大的隨意性，使得樁的安全性和經濟性很難得到保證。

3、為克服上述不確定性，推薦嵌巖灌注樁設計過程中，采用通過經驗公式計算嵌巖區(qū)域的摩阻力，同時通過打試驗樁驗證樁基的承載能力，保證設計的經濟合理性。