1、2022-8-13桥梁嵌岩桩承载力研究桥梁嵌岩桩承载力研究 龚维明龚维明 教授教授 2022年年8月月13日日土木工程学院土木工程学院2022-8-131.1.前言前言 传统观念一直把嵌岩桩作为端承桩来设计，完全不传统观念一直把嵌岩桩作为端承桩来设计，完全不考虑其桩侧阻力。考虑其桩侧阻力。大量的实测资料表明，嵌岩桩即使是在无覆盖层条大量的实测资料表明，嵌岩桩即使是在无覆盖层条件下或长径比件下或长径比L/d5L/d5的短桩，也并非一律是端承桩。的短桩，也并非一律是端承桩。忽视上覆土层侧摩阻力和嵌岩段岩层侧摩阻力，把忽视上覆土层侧摩阻力和嵌岩段岩层侧摩阻力，把桩端嵌入微风化程度以上的基岩，套用规范
2、盲目加桩端嵌入微风化程度以上的基岩，套用规范盲目加深嵌岩深度或扩大桩端尺寸，无助于调动基岩的承深嵌岩深度或扩大桩端尺寸，无助于调动基岩的承载能力，却造成浪费并增加施工的难度。载能力，却造成浪费并增加施工的难度。2022-8-131.1.前言前言 随着对嵌岩桩承载性状的深入研究，人们逐渐认随着对嵌岩桩承载性状的深入研究，人们逐渐认识到，嵌岩桩的侧阻力不可忽视，有时甚至成为识到，嵌岩桩的侧阻力不可忽视，有时甚至成为平衡外荷载的主要反力，即嵌岩桩也可能成为摩平衡外荷载的主要反力，即嵌岩桩也可能成为摩擦桩或端承摩擦桩。擦桩或端承摩擦桩。由于嵌岩桩受力机制复杂，现阶段尚未认识清楚，由于嵌岩桩受力机制复杂
3、，现阶段尚未认识清楚，导致了设计人员设计过于保守。导致了设计人员设计过于保守。2022-8-132.2.嵌岩桩的定义嵌岩桩的定义 岩石为颗粒间连接牢固、呈整体或具有节理裂隙的岩体。岩石为颗粒间连接牢固、呈整体或具有节理裂隙的岩体。岩石的风化程度分为未风化、微风化、中等风化、强风化、岩石的风化程度分为未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化全风化5 5个等级。个等级。国外学者多认为：只要桩端嵌入岩体中，不论岩体的风化国外学者多认为：只要桩端嵌入岩体中，不论岩体的风化程度如何、坚硬性如何，都称为嵌岩桩。程度如何、坚硬性如何，都称为嵌岩桩。国内：国内：建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范规定桩端嵌入中等
4、风化程度规定桩端嵌入中等风化程度以上岩层的桩称之为嵌岩桩。以上岩层的桩称之为嵌岩桩。公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范隐含的定义是：桩端嵌隐含的定义是：桩端嵌入微风化岩或新鲜基岩中的桩称之为嵌岩桩。入微风化岩或新鲜基岩中的桩称之为嵌岩桩。本研究认为：桩端支承于本研究认为：桩端支承于中等风化中等风化程度以上岩层的桩就可程度以上岩层的桩就可称其为嵌岩桩称其为嵌岩桩,不包括嵌入全风化、强风化岩情况。不包括嵌入全风化、强风化岩情况。2022-8-133.3.嵌岩桩承载力的现行计算方法嵌岩桩承载力的现行计算方法 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范规定当桩端嵌入规定当桩端嵌入“完整
5、完整及较完整的硬质岩及较完整的硬质岩”中时，按下式估算承载力：中时，按下式估算承载力：1)1)只计桩端阻力只计桩端阻力 规定规定“桩周边嵌岩最小深度为桩周边嵌岩最小深度为0.5m”0.5m”以确保桩端以确保桩端与岩体面接触。与岩体面接触。对于嵌入破碎岩和软质岩石中的桩，单桩竖向承对于嵌入破碎岩和软质岩石中的桩，单桩竖向承载力按摩擦桩计算。载力按摩擦桩计算。2022-8-13 公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范对单桩容许承对单桩容许承载力按下式计算：载力按下式计算：2 2）只计嵌岩部分的侧阻力和端阻力）只计嵌岩部分的侧阻力和端阻力 h hr r桩嵌入基岩深度，不包括风化层；桩嵌
6、入基岩深度，不包括风化层；R Ra a岩石天然湿度的单轴抗压强度岩石天然湿度的单轴抗压强度;c c1 1、c c2 2 根据清孔情况、岩石破碎程度定的系数根据清孔情况、岩石破碎程度定的系数 2022-8-13 铁路桥涵设计规范铁路桥涵设计规范规定，嵌入新鲜岩石层内规定，嵌入新鲜岩石层内的桩轴向容许承载力：的桩轴向容许承载力：R R岩石试块单轴极限强度；岩石试块单轴极限强度；h h自新鲜岩面（平均高程）算起的嵌入深度；自新鲜岩面（平均高程）算起的嵌入深度；c c1 1、c c2 2据岩石层破碎程度和清孔情况规定。据岩石层破碎程度和清孔情况规定。2022-8-13建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范（
7、征求意见稿）（征求意见稿）按下式计算：按下式计算：3 3）考虑土层的侧阻力、嵌岩段侧阻力和端阻力）考虑土层的侧阻力、嵌岩段侧阻力和端阻力 2022-8-134.4.嵌岩桩承载力计算方法嵌岩桩承载力计算方法 通过通过151151根试桩，提出嵌岩桩承载力计算方法根试桩，提出嵌岩桩承载力计算方法 单桩轴向受压承载力容许值（kN）。桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，按表5.3.4采用；桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积:121112mnaprkiirkisiikiiRc A fuc h ful
8、 qaR1cpA2022-8-13 桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa），黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，当小于2MPa时按摩擦桩计算；根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数，按表5.3.4采用；各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；桩嵌入各岩层部分的厚度（m），不包括强风化层和全风化层；m 岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端 确定：当2MPa 15MPa时，；当15MPa 30MPa时，；rkf2icuihsrkfrkfs0.8rkfs0.5s0.22022-8-13 各土层的厚度（m）；桩侧第i层土的侧阻力标准值（kPa
9、），宜采用单桩摩阻力试验值，当无试验条件时，对于钻（挖）孔桩按本规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按本规范表5.3.3-4选用；n 土层的层数，强风化和全风化岩层按土层考虑。ilikq2022-8-13 嵌岩桩上覆土层侧阻力值嵌岩桩上覆土层侧阻力值QsQs采用下式表示：采用下式表示：1 1）土层侧阻系数分析）土层侧阻系数分析 q qsksk土层极限侧阻力标准值的加权平均值；土层极限侧阻力标准值的加权平均值；q qsiksik第第i i层土的极限侧阻力标准值；层土的极限侧阻力标准值；h hs s土层厚度；土层厚度；U U嵌岩桩穿越土层部分的截面周长。嵌岩桩穿越土层部分的截面周长。2022-8-1
10、3 上覆土层发挥系数上覆土层发挥系数ss采用下式计算：采用下式计算：嵌岩桩上覆土层侧阻力由土层极限侧阻力和发挥嵌岩桩上覆土层侧阻力由土层极限侧阻力和发挥系数决定。系数决定。土层极限侧阻力通常有勘察报告提供。土层极限侧阻力通常有勘察报告提供。土层侧阻发挥系数受桩长、桩径、成桩工艺响。土层侧阻发挥系数受桩长、桩径、成桩工艺响。2022-8-13（1 1）挖孔嵌岩桩）挖孔嵌岩桩 依据依据2929根试桩根试桩,可求得具有可求得具有95%95%保证率的土层侧保证率的土层侧 阻系数阻系数 2022-8-13（2 2）钻孔嵌岩桩）钻孔嵌岩桩 依据软岩嵌岩桩依据软岩嵌岩桩2626根试桩，可求得具有根试桩，可求
11、得具有95%95%保证保证率的土层侧阻系数率的土层侧阻系数 依据依据硬岩嵌岩桩硬岩嵌岩桩7 7根试桩，根试桩，可求得具有可求得具有95%95%保证率保证率的土层侧阻系数的土层侧阻系数 2022-8-13 由上述计算结果，可以保守估计覆盖土层的侧阻由上述计算结果，可以保守估计覆盖土层的侧阻力发挥系数；力发挥系数；当当Ra15MPaRa15MPa时，时，ss=0.8=0.8；当当RaRa15153030时，时，ss=0.5=0.5；当当Ra 30MPaRa 30MPa时，时，ss=0.2=0.2。2022-8-13 参照参照公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范采用相同采用相同的系数
12、的系数c c1 1和和c c2 22 2）嵌岩段侧阻和端阻系数分析）嵌岩段侧阻和端阻系数分析 2022-8-13 注：（1）当入岩深度小于或等于0.5m时，乘以0.75的折减系数，0；（2）对于钻孔桩，系数 、值应降低20采用；桩端沉渣厚度t应满足以下要求：d 1.5m时，t 50mm；d 1.5m时，t 100mm；（3）对于中风化层作为持力层的情况，、应分别乘以0.75的折减系数。1c2c1c2c1c2c2022-8-135.5.结论结论 结合国内外研究资料可以认为：结合国内外研究资料可以认为：1 1 桩端支承于桩端支承于中等风化中等风化程度以上岩层的桩就可称为程度以上岩层的桩就可称为 嵌
13、岩桩嵌岩桩,不包括嵌入全风化、强风化岩情况。不包括嵌入全风化、强风化岩情况。2 2 非嵌岩部分的侧摩阻力不可忽视。非嵌岩部分的侧摩阻力不可忽视。3 3 不同成孔方式的嵌岩桩，其承载性能也有差异。不同成孔方式的嵌岩桩，其承载性能也有差异。4 4 按基岩性质将桩分为软岩嵌岩桩和硬岩嵌岩桩。按基岩性质将桩分为软岩嵌岩桩和硬岩嵌岩桩。2022-8-13二、支承在基岩上或嵌入基岩内桩二、支承在基岩上或嵌入基岩内桩的受压承载力容许值计算的受压承载力容许值计算 资料：安阳地区通化大桥Sz2号采用钻孔灌注桩试桩，桩径为1m，桩长60.5m，桩身混凝土强度等级C40，地质情况为：淤泥质土，埋深0-39.7m；粉
14、质粘土，埋深-39.7-59m；全、强风化基岩，中风化凝灰岩。桩嵌岩持力层为中风化凝灰岩，岩层较完整，深度1.5m，岩石饱和单轴抗压强度标准值10MPa。2022-8-13 计算公式 上述公式中参数取值如下：为清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，查表取。为根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数，查表取。mna1prk2iirkisiiki=1i=112Rc A fuc h ful q1c0.75 0.60.452ic0.75 0.60.452022-8-13 为桩嵌入各岩层部分的厚度（m），取1.5m，不包括强风化层和全风化层。为岩石饱和单轴抗压强度标准值取
15、10，粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，当小于2MPa时按摩擦桩计算。为覆盖层土的侧阻力发挥系数，由于2MPa 10MPa15MPa，取0.8。为各土层的厚度，本例分别取39.7m,20.9m；实际工程中应严格取承台底面或局部冲刷线以下的土层厚度。ihrkfrkfsrkfil2022-8-13 为桩侧第i层土的侧阻力标准值（kPa），宜采用单桩摩阻力试验值。由于无试验条件时，钻（挖）孔桩按表选用，土层取20 kPa，土层取55kPa。结合上述参数可以求解嵌岩钻孔桩单桩承载力如下：*桩身自重标准值与置换土重标准值（当桩重计入浮力时，桩身自重标准值与置换土重标准值（当桩重计入浮力时，置换土重也
16、计入浮力）的差值作为荷载考虑。置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑。ikq 2a0.45 3.142 1.0/4 10000 3.142 1.0 0.45 1.5 10000 0.5 0.8 3.1421.0(20 39.7 55 20.9)27185.84RKN2022-8-13三、当河床岩层有冲刷时，桩基嵌三、当河床岩层有冲刷时，桩基嵌入基岩的有效深度计算入基岩的有效深度计算 资料：宁川某水文站超声波水位计水位塔基础圆形灌注桩打在岩石上时，为保证水位计的安全，需对桩基入岩深度进行有效计算。书中采用的计算公式 Hrk0.066Mhfd2022-8-13 为在基岩顶面处的弯矩（kNm），本例中取600 kNm。为岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa），粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，本例取4000kPa。d为桩身直径，取 0.8m。为系数，0.51.0，根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值；节理不发育的取大值。本例中岩层发育较好取0.5。HMrkf2022-8-13 结合上述参数可以求解灌注桩有效嵌固深度：6002.382.40.50.066 0.5 4000 0.8hmmm
