地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZRDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第3期 vol.10 No.3 1999



软岩地区钻孔嵌岩灌注桩承载力确定的探讨
唐胜传　黄润秋
摘　要：　单桩承载力的确定，在桩基础的设计中占有重要地位。但在软岩地区由于地层岩性的不同，单桩承载力的实际工作性状与国家规范的规定之间不尽相同。根据实测资料对软岩地区的单桩承载力的确定方法进行探讨，综合考虑嵌岩段侧阻力与端阻力之间的相互协调对嵌岩段所能提供的承载力的影响，提出一种新的计算方法，并结合工程实例，进行验证。
关键词：　单桩承载力；嵌岩段；发挥性状；软岩地区
中图分类号：　TU473.1+1　　文献标识码：　A
STUDY ON BEARING CAPACITY OF 
ROCKSOCKETED PART OF ROCKSOCKETEDCAST
INPLACE PILE IN SOFT ROCK AREA
Tang Shengchuan　　 Huang Runqiu
(Institute of Engineering Geology, Chengdu University of Technology , Chengdu　610059)
Abstract：　The bearing capacity of single pile is important to the design of pile foundation.However, in soft rock area due to different stratum and lithotogic characters, there is something of variance between its practical working traits and specification of national regulation.Based on in-situ measurements a new calculational method of bearing capacity of single pile, which involved intercoordination between lateral resistance and bottom resistance, is raised in this paper. In addition, a case study is used to verify the new method.
Key words：　bearing capacity of single pile; rock-socketed part; working trait; soft rock area 
　　嵌岩钻孔灌注桩作为灌注桩的一种类型，与沉管灌注桩等其他成桩方法相比，具有桩径大、施工方便、快捷等特点，在工程中，尤其是在对单桩承载力要求较高的高层、超高层建筑工程中得到广泛的应用。
　　在钻孔嵌岩灌注桩的设计中，桩的承载力是首要确定的重要指标。尽管桩基础是国内外应用最广泛的一种基础形式,但由于它是一种非常复杂的力学体系,其工程设计方法至今仍然处于半理论、半经验状态之中。
　　《建筑桩基础技术规范 JGJ 94—94》(以下简称：《规范》)作为一个全国性的行业规定，在桩基础的设计、施工中有不可替代的作用。但由于我国各地区的地层岩性变化极大，在具体的工程实践中，发现江苏、浙江等软岩广泛分布地区的钻孔嵌岩灌注桩嵌岩段承载力的实际工作性状与《规范》中的规定有一定的出入。因此，在软岩地区对钻孔嵌岩灌注桩嵌岩段承载力的确定方法进行探讨，具有一定的实际意义。
1　《规范》对钻孔嵌岩灌注桩嵌岩段承载力确定的规定
　　《规范》中，对嵌岩段端阻力的计算如下：
　　　　　　　　　　　　　Qqy=Qrk+Qpk　　　　　　　　　　(1)
　　　　　　　　　　　　　Qrk=uζsfrchr　　　　　　　　　(2)
　　　　　　　　　　　　　Qpk=ζpfrcAp　　　　　　　　　(3)
式中，Qrk，Qpk 为嵌岩段总极限侧阻力、总极限端阻力标准值；u为桩身周长；frc为岩石饱和单轴抗压强度标准值，对于粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度；hr为桩身嵌岩（中等风化、微风化、新鲜基岩）深度，超过5 d(d为桩径)时，取5 d，当岩层表面倾斜时，以坡下方的嵌岩深度为准；ζs，ζp为嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数，与嵌岩深径比有关，按表1取值。
表1　嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数
Table 1　Coefficient of correction of lateral resistance and bottom resistance of pile segment inset into rock bed

嵌岩深径比(hr/d)0.00.51.02.03.04.0≥5
侧阻力修正系数ζs0.0000.0250.0550.0700.0650.0620.050
端阻力修正系数ζp0.5000.5000.4000.3000.2000.1000.000

　　　　注：当嵌岩段为中等风化基岩时，表中数值乘以0.9折减。
　　
　　可见，《规范》包含了以下规定：
　　(1) 将桩嵌岩段的端阻力和侧阻力极限标准的代数和作为嵌岩段的总阻力。
　　(2) 用岩石的单轴抗压强度作为侧阻力计算的基准值，未能对嵌固于不同力学性质岩体中的不同情况分别加以考虑。而事实上：当桩身混凝土强度高于桩周岩层时，破坏才发生在岩层中；当桩身混凝土强度小于桩周岩层时，破坏则发生在混凝土中。显然，这两种情况应分别加以讨论。
　　(3) 由表1中的端阻力修正系数可以看出，当嵌岩深径比hr/d≥5时，修正系数ζp取为零，即不考虑桩端阻力的承载作用。
2　《规范》规定在软岩地区存在的问题及本文的计算方法
　　将收集到的软岩地区测桩资料作成图，如图1至图4所示。
　

图1　嵌岩桩端阻力与嵌岩比关系图
Fig.1　Relationship between bottom resistance and socket ratio图2　嵌岩段总阻力与嵌岩比关系图
Fig.2　Relationship between total resistance of rock-socketed part and socket ratio

　　由图1和图2可以看出，在软岩地区即使在hr/d≥5时，单桩端阻力还是可以部分发挥作用。由图3和图4可以看出，嵌岩段的侧阻力与端阻力不能同时达到峰值强度，两者的峰值强度之间存在一“落差”。因此，在计算嵌岩段的承载力时，必须考虑到嵌岩段侧阻力与端阻力之间的相互协调。
　

图3　某嵌岩桩桩顶沉降与端阻力关系图
Fig.3　The curve of top settlement with bottom resistance图4　某嵌岩桩桩顶沉降与嵌岩段侧阻力关系图
Fig.4　The curve of top settlement with lateral resistance of rock-socketed part

　　考虑到以上所述的几点不足，并引入部分变形理论的思想，即岩土体所能提供的承载能力与其变形密切相关，其极限承载能力只有在变形达到一定的程度时才能发挥，且超过这一数值时，其承载能力又会下降。参考《规范》与式（1）至式（3）的形式，笔者建议采用下式计算嵌岩段的总阻力：
　　　　　　　　　　Qqy=η(ζsζguhrτr+ζdfrcAc)　　　　　　　　　(4)
　　式（4）与式（1）在形式上有相似之处，但所包含的指导思想却与式（1）有较大的差别，式（4）中右边括弧中的第一项表示嵌岩段提供的侧阻力，第二项表示嵌岩段提供的端阻力，括弧外的系数反映了在桩端沉降量较大时嵌岩段侧阻力与端阻力相互协调的程度。式(4)中的几项系数与桩顶沉降有直接关系，即式(4)中：
　　ζs为侧阻力修正系数，与桩端沉降及嵌岩比有关；
　　ζg为施工对侧阻力影响的修正系数，与施工工艺有关，表示桩体混凝土与基岩的接触程度；对于用正循环回转成孔的桩体而言，此值可取为0.85；
　　τr为单位侧摩阻力标准值：当桩体嵌固于软岩中时，可取此值为软岩单轴抗压强度的1/3；当桩体嵌固于硬岩中时，此值可取为桩身混凝土标号的1/4（香港工程师协会推荐）；
　　ζd为与沉渣厚度及桩端沉降有关的的端阻力修正系数，在实际的工程中因为沉渣厚度不能精确控制，故可按施工工艺和桩端沉降的不同而作出相应的规定；
　　η为表示桩端阻力与桩侧阻力发挥程度的修正系数，与桩端沉降有关。
　　以上各参数在不同的地区和不同的施工工艺下可取不同的值。上述建议中的取值，是根据笔者掌握的南京地区采用正循环法成孔的灌注桩的取值，具有地区性。
　　根据掌握的资料及有关嵌岩比与桩端沉降、桩端荷载、嵌岩段侧摩阻力发挥性状的关系，建议按表2采用侧阻力、端阻力的修正系数。
　　关于η的取值问题，一般说来：当桩端沉降在1～6 mm时，可取0.90；当桩端沉降大于6 mm时，可取为0.85 。
表2　侧阻力与端阻力修正系数表
Table 2　Coefficient of correction of lateral resistance and bottom resistance

桩端沉降 (mm)
嵌岩比 (hr/d)　　　　　侧阻力修正系数 （ζs）端阻力修正系数 （ζd）
1～33～66～10＞101～33～66～10＞10
0.00.0000.0000.0000.0000.5000.5500.6500.750
0.50.0940.1110.0880.0650.5000.5500.6500.750
1.00.2250.2440.2190.1700.4500.5000.6000.600
2.00.2750.3110.2620.2000.4000.4500.5500.550
3.00.2630.2890.2500.1900.4000.4000.4000.400
4.00.2500.2750.2380.1860.3000.3500.3500.350
5.00.2250.2440.2060.1600.2000.2500.3000.300
6.00.2060.2200.1880.1200.1000.1500.2500.250
7.00.1560.1880.1500.1100.1000.1500.1500.200
＞7.00.1250.1500.1130.0800.0000.0000.0000.000


3　计算实例
　　(1) 选取南京某高层建筑场地的桩基础为计算实例，桩基础嵌岩深度为6.5 m。嵌岩段岩层分别为：
　　① 强风化泥岩—粉砂质泥岩：　砖红、棕红色，以泥岩为主，夹泥质粉砂岩，用手捏岩芯易碎，遇水易崩解。埋深38.0～39.2 m，层厚1.0～5.4 m，在本计算剖面上取2.5 m，此层西厚东薄，饱和单轴抗压强度0.8 MPa；
　　② 中等风化粉砂质泥岩：　砖红、棕红色，层理较清晰，岩芯完整，粉质结构,泥质胶结，层状构造,遇水易软化。层顶埋深39.5～44.0 m，在本计算剖面上取4 m，饱和单轴抗压强度为0.98 MPa；
　　(2) 计算结果与对比
　　① 根据《规范》规定按式(2)进行计算，嵌岩段侧阻力为：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　Qrk=uζsfrchr
　　　　　　　　　　　　　　Qrk=376.8+646.2 = 1 023 （kN）
　　按《规范》规定，当嵌岩比hr/d≥5时，端阻力修正系数为0，即不考虑端阻力对桩总体承载力的贡献。
　　② 根据本文提出的计算公式计算承载力： 根据式（4）和本工程实际情况，查表2可得：　η= 0.9 ；ζs= 0.22 ；ζg=0.85 ；τr=1/3frcζd，本工程嵌岩段有两层力学性质不同的岩层，根据岩体力学性质的不同（即frc不同），τr分别取为不同的计算值。
　　计算结果： 　Qqy= 1 746.6 （kN）
　　由静载试验表明，此桩嵌岩段提供的总承载力为3 000 kN。
　　按《规范》中的式(2)计算所得此桩嵌岩段提供的总承载力为1 023 kN；按本文提供的式(4)计算所得的嵌岩段提供的总承载力为1 746.6 kN。两者的计算结果，都与试验结果有较大的误差，但相比较而言，本文所提供的计算式(4)所得的计算结果与实际情况更为接近。
4　 结论
　　（1） 在软岩地区，可以适当加深嵌岩比。当嵌岩比为7时，桩的端阻力仍能发挥其应有的作用；
　　（2） 在计算嵌岩段所能提供的承载力时，必须将嵌岩段的侧阻力和端阻力作为一个整体来考虑，即必须考虑两者之间的相互协调。
　　需要特别说明的是，有关这种承载力的计算与修正系数的取值问题，一般须进行大量的现场测试分析，并在此基础上作相应的统计才能得出较为符合实际的结果。由于受时间所限，修正系数仅是笔者根据所掌握的资料，并借用了一些前人的实测结果进行相应的统计而得出的，对软岩地区的嵌岩钻孔灌注桩的荷载情况较为符合。对其进一步的完善，尚有待于继续进行研究。
作者简介：　唐胜传，男，24岁，硕士。1996年毕业于成都理工学院水文地质与工程地质系，同年考入该系攻读硕士研究生。专业：地质工程。
作者单位:成都理工学院工程地质研究所，成都　610059
参考文献
［1］　桩基工程手册编委会. 桩基工程手册［M］. 北京: 中国建筑工业出版社,1995.
［2］　岩土工程手册编委会. 岩土工程手册［M］. 北京: 中国建筑工业出版社,1994.
［3］　中国建筑科学研究院. 建筑桩基技术规范(JGJ 94-94)［S］. 北京: 中国建筑工业出版社,1995.
［4］　明可前. 嵌岩桩受力机理分析［J］. 岩土力学,1998,19(1).
