史艷 趙衛(wèi)冬

摘? 要：各行業(yè)對嵌巖樁的計算規(guī)定各異，為詳細區(qū)分其計算差異和適用特點。通過對比研究建筑、公路、鐵路的嵌巖樁承載力規(guī)范計算方法。系統(tǒng)總結差異原因，分析嵌巖樁軸力曲線圖，闡述歸納嵌巖樁基受力基本原理，提出采用增大嵌巖段阻力的方法計算承載力?？捎糜谇稁r樁基設計計算參考和工程分析。

關鍵詞：嵌巖樁;承載力;軸力曲線;承載力計算

Abstract： The calculation rules of rock-socketed piles vary from industry to industry.Through the comparative study of the method of the bearing capacitycalculation for building， highways and railway rock-socketed piles， the reasons for the differences are summarized systematically， the axial force curves of rock-socketed pile are analyzed， the basic principle of rock-socketed pile foundation is summarized， and the method of increasing rock-socketed resistance is put forward to calculate the bearing capacity， which can be used as reference for design calculation and engineering analysis of rock-socketed pile foundation.

1 概述

樁基礎作為深基礎的一種類型，將上部荷載傳遞到一定深度的持力層。通常均能獲得較大的承載力和較小的沉降變形。廣泛應用在高層建筑基礎、公路、鐵路橋梁基礎以及邊坡治理、地基處理等領域。當基巖埋深較淺通常采用嵌巖樁能獲得非常好的經濟效益，樁長較短時基本都是端承樁。嵌巖樁設計中樁基承載力計算分析是首要任務，特別是基巖較深的長樁，是否充分考慮苫布土層的側摩阻力尚有爭議，對比建筑、公路、鐵路規(guī)范對嵌巖樁的計算存在較大差異。因此其設計工作需要對其原理有深入理解，解析其差異本質和內涵，才把握樁基設計計算要點。

2 規(guī)范計算方法的異同

建筑樁基規(guī)范[1]是將嵌巖樁承載力分為兩個部分，第一部分為巖層以上樁側摩擦阻力，第二部分為嵌巖部分的全部樁阻力包含入巖段樁側阻力和端阻力，計算公式如下。

該計算式中，嵌巖部分采用巖石飽和單軸抗壓強度與面積來表征，文獻[1]中的中和調整系數(shù)為0.6～1.7。土層則全厚度范圍考慮了樁側摩阻力，同時規(guī)范條文和相應條文說明并未明確是否考慮大直徑效應的折減，對于該樁采用后注漿灌注樁也未考慮土層樁側承載力提高效應。從原理上分析嵌巖樁的土層側阻力發(fā)揮受樁土相互作用的影響，嵌巖樁較短時土層側阻力發(fā)揮較小，長樁則可以充分利用土層側阻力。另外單樁直徑大于800mm時由于挖鉆孔必然導致樁孔周圍土體應力的釋放和松弛，從原理上或安全角度必須考慮大直徑對樁側摩阻力的折減效應才符合實際。同樣樁端后注漿可能存在漿液上升至土層導致樁側阻力提高。從受力特點分析嵌巖樁并非完全端承樁，主要取決于樁長和相應基巖和土層的強度參數(shù)。短樁主要由樁端承擔荷載，這是由于混凝土彈性模量很大，豎向壓縮量很小，這就導致樁與土體沒有相對移動的趨勢或很小，這必然導致樁側摩阻力無法發(fā)揮。對于長樁則由于樁身壓縮不可忽略導致距樁端較遠處樁側阻力可以充分發(fā)揮，從這個角度分析土層樁側阻力是否計算、如何計算應該具體問題具體分析。

準確計算分析嵌巖樁承載力應考慮樁長、樁端與樁頂荷載比，計算樁身壓縮量，來確定側摩阻力的計算深度。即嵌巖樁應確定一個樁測阻力計算的臨界深度H，該點為樁側壓縮位移能夠引起土層側摩擦力發(fā)揮的臨界點，樁側土層摩阻力的計算深度為H且應小于土層厚度。嵌巖短樁由于主要荷載由樁端承擔，樁側分擔比例很小，無論是樁側阻力的折減或是注漿后提高對于整個樁的承載力影響是較小的。從簡化計算的角度主要考慮樁端承載力。因此規(guī)范方法對于研究短樁承載力，主要研究嵌巖部分阻力而不過多深究占比小的樁側阻力不會引起較大的誤差。對于嵌巖長樁并非完全端承樁，大概率為嵌巖摩擦樁或摩擦嵌巖樁[1]。樁側土層分擔了相當一部分荷載。這時完全按照式（1）計算承載力而不考慮成樁工藝或樁長的影響將引起較大誤差。

式（2）與式（1）相同之處在于都是考慮土層樁側阻力和嵌巖部分的阻力，式（2）僅是將嵌巖阻力分為樁側阻力和樁端阻力，其內涵是一致的，表達形式有所區(qū)別。兩計算式的最大區(qū)別在于樁側阻力的發(fā)揮受樁端影響，即土層樁側阻力受樁端巖石飽和單軸抗壓強度的影響，巖層樁側、樁側阻力受巖石完整程度的影響，分別用相應的調整系數(shù)來體現(xiàn)，如表1、表2。

樁端巖石飽和單軸抗壓強度越高土層樁側摩阻力越小。這是因為樁端巖石強度越高越不容易壓縮，相應的樁側對土層的相對位移越小。樁側承載力得不到發(fā)揮，這時樁側承載力絕大部分只是一種安全儲備。反之樁端巖石強度越低則容易壓縮樁側承載力能夠充分發(fā)揮，規(guī)范取值0.8。但對于不同的巖石類型也可能存在相同的飽和單軸抗壓強度，而變形模型E差異較大。該情況下土層樁側阻力調整系數(shù)采用frk和E雙參數(shù)指標確定β1，則更具有一般性和普適性。實際樁基可認為是以樁端為固定點的受壓柱，離底面越遠樁側與土層相對位移越大。即樁側土層承載力發(fā)揮也非均勻分布，從臨界點沿豎向逐漸增大到一定程度后保持不變。同時還與土層性質有一定關系。公路規(guī)范土層折減系數(shù)所有土層均為唯一值是一種簡化的算法。該方法同樣對于短樁而言樁端承當了較大的荷載，樁側分擔荷載較小，即便樁側計算誤差較大也不至于引起整樁承載力的過大偏差，同時讓計算更為簡潔，對于長樁考慮了樁端巖石強度的影響，計算結果理論上比建筑規(guī)范更為準確。土層樁側阻力系數(shù)的調整同樣未考慮樁長的影響，短樁則可忽略該影響，長樁的影響與上述建筑規(guī)范的分析一致。

公路規(guī)范對巖層樁側、樁端承載力調整主要是考慮巖石完整程度的影響，樁底基巖完整程度越差，基巖的樁側摩阻力和樁端阻力均減小。其原理是嵌巖樁多為灌注樁，嵌巖部分的完整程度直接決定了清孔程度和混凝土與巖石的結合程度，另一方面裂隙越多越破碎則容易產生沉降，則越不利于嵌巖段承載力發(fā)揮。在決定嵌巖段承載力調整系數(shù)時巖石強度并非決定性作用。

鐵路規(guī)范[3]，對于嵌巖樁的承載力計算與上述分析區(qū)別在于直接忽略了土層承載力的作用，而僅考慮樁端巖石承載力。樁端嵌入巖石面一定深度時計算巖石對樁側和樁端的阻力，樁端支撐與巖石表面則僅計算樁端承載力。這種計算最為簡便，對于短樁并不會有過大的計算誤差，對于長樁特別是基巖為非堅硬巖，必然是大幅度的低估了嵌巖樁的承載力，造成一定的浪費。

對于公路、鐵路一般設計使用年限為100年，一般建筑物的設計使用年限為50年。從耐久性或可靠度分析，設計使用年限越長相應的安全儲備或安全系數(shù)越大，即鐵路、公路應趨于保守，而一般建筑物則可充分考慮嵌巖樁的承載力。

3 嵌巖樁的受力分析

規(guī)范方法差異在于側阻力的計算，精確分析樁基承載力必須研究樁土共同作用，樁側阻力的發(fā)揮不僅與土的性質有關，還與樁土相對移動趨勢密切關聯(lián)。樁土荷載傳遞計算有理想彈塑性模型[4]，即認為在樁土從靜止到相對滑移階段，摩擦力從零開始線性增長，達到土的極限摩擦力后則維持不變。較為準確的樁土作用力大多學者認為這一關系成雙曲線增長[5]。趙明華[6]通過算例對比了雙曲線結果較為接近實測值，但計算較為復雜，沒有得到普及應用。鑒于此，我們通過分析彈塑性和雙曲線模型，結合兩者優(yōu)勢，將樁側土層阻力增長分三個階段考慮。如圖1在巖層上AB之間由于樁的壓縮量不足以引起樁側阻力發(fā)揮，柱軸力保持不變;BC之間由于樁的壓縮量逐漸積累，樁側土阻力成雙曲線函數(shù)加速增長，表現(xiàn)為樁側阻力的非線性快速增長段F2→F3;在C點以后則由于樁側阻力已經達到極限值，則樁軸力成線性增長F3→F4。

其中k為承載力提高系數(shù)，若能從某一場地的試樁資料直接測定k，則可直接用于設計。若不能直接取得，樁側增大系數(shù)k必然是土層厚度L、巖層變形模量E、土層強度（c，？漬）等的函數(shù)，即k=f（L，E，c，？漬…），通過積累足夠的資料即可確定這一關系，或通過原位試驗來直接測定，嵌巖樁的承載力確定即可簡化為巖石段樁阻力乘以增大系數(shù)。對于工程應用也可以通過多因數(shù)，采用查表的方式確定，這就需要有相對多的工程資料和測試資料的積累，目前我們通過研究提出這一方法，但我們的實測資料尚少，還不足以直接給出查表確定參數(shù)的條件，或者沒有普遍適用性。

定性分析系數(shù)k有以下幾點，樁端變形模型越小、土層越厚、土層抗剪強度越高則土層內樁側摩阻力發(fā)揮越充分，及系數(shù)k越大，反之則k越小。當土層為濕陷性土、欠固結土，或因地面堆載，地下水位下降引起土層沉降導致樁側承受負摩阻力時k可以小于1。土層為一般正常固結土則樁相對于土層下沉，系數(shù)k大于1。甚至也可以將可靠度、耐久性等因素綜合考慮在該系數(shù)中。

4 結束語

通過建筑、公路和鐵路嵌巖樁的規(guī)范計算方法對比分析，得出鐵路規(guī)范最保守，公路規(guī)范則在原理上最為接近實際。三個行業(yè)規(guī)范均側重樁端承載力而對計算做了簡化處理，對于短樁具有很強的適用性，對于長樁鐵路規(guī)范可能存在一定的工程浪費。分析嵌巖樁受力特點結合樁土共同作用，結合兩種樁土共同作用模型繪制樁軸力圖。提出確定嵌巖樁承載力為增大k倍的嵌巖段的總阻力。從勘察、試樁資料、工程積累或直接測定得出土層側阻力增大系數(shù)k。也可以從多因數(shù)角度研究不同條件下的k值，以供查表使用，目的在于盡可能全面考慮各種因素對嵌巖樁承載力的影響，但不至于計算過于復雜。

參考文獻：

[1]JGJ94-2008.中國建筑科學研究院.建筑樁基技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]JTG3363-2019.中交公路規(guī)劃設計院有限公司.公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2019.

[3]TB10093-2017.中國鐵路設計集團有限公司.鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范[S].北京：中國鐵路出版社，2017.

[4]朱百里.計算土力學[M].上海：上?？茖W技術出版社，1990.

[5]胡黎明，濮家騮.土與結構物接觸面物理力學特性試驗研究[J].巖土工程學報，2001（23）：431-435.