嵌岩灌注桩承载力

嵌 岩 灌 注 桩 的 竖 向 承 载 力 l一 、 概 述l 在 基 岩 埋 深 不 太 大 的 情 况 下 ， 常 将 大 直径 灌 注 桩 穿 过 全 部 覆 盖 层 嵌 入 基 岩 ， 成为 嵌 岩 灌 注 桩 。 （ 桥 梁 基 础 ， 高 层 建 筑 、重 型 厂 房 等 建 筑 物 基 础 ） 20世 纪 90年 代 后 ， 先 后 建 起 了 几 座 嵌 岩桩 高 桩 码 头 。 城 陵 玑 粮 食 码 头 、 泸 州 集 装 箱 码 头 等 ；重 庆 在 建 的 寸 滩 大 水 位 差 集 装 箱 码 头 也采 用 了 嵌 岩 灌 注 桩 （ d=1.6m， 1.8m） 。 港 工 嵌 岩 灌 注 桩 基 技 术 规 范 港 口 工 程 嵌 岩 桩 设 计 与 施 工 规 范 （ JTJ285-2000） 嵌 岩 灌 注 桩 的 优 点 可 以 充 分 利 用 基 岩 的 承 载 性 能 而 提 高 单桩 承 载 力 ； 单 桩 沉 降 很 小 ， 群 桩 沉 降 也 不 会 因 群 桩效 应 而 增 大 ， 群 桩 承 载 力 不 会 因 群 桩 效应 而 降 低 ， 且 建 筑 物 的 沉 降 在 施 工 过 程便 可 完 成 。 以 嵌 岩 灌 注 桩 为 基 础 的 建 筑 物 在 地 震 过程 中 所 产 生 的 地 震 反 应 也 比 其 它 基 础 形式 更 轻 微 ， 抗 震 性 能 更 好 。 工程实践中存在的一些不合理的处理方法 不 论 桩 的 长 径 比 L/d大 小 ， 一 律 把 嵌 岩 灌注 桩 作 为 端 承 桩 进 行 设 计 ， 包 括 单 桩 承载 力 的 确 定 方 法 ， 桩 身 配 筋 长 度 等 都 按端 承 桩 处 理 。 桩 端 不 适 当 地 增 加 嵌 岩 深 度 ， 或 不 适 当地 采 用 扩 底 ， 这 并 不 能 使 嵌 岩 和 扩 底 部分 的 承 载 力 得 到 有 效 利 用 ， 而 使 造 价 大大 提 高 。 二、嵌岩灌注桩的承载特性 荷 载 传 递 与 破 坏 性 状 的 试 验 研 究 上 图 a、 b分 别 为 嵌 入 强 风 化 岩 5d(d=0.6m)和 嵌 入 风 化 泥 质 砂 岩 3.7m， 新 鲜 泥 质 砂 岩2.0m（ d=1.0m） 的 嵌 岩 灌 注 桩 的 实 测 荷载 传 递 曲 线 。 无 论 是 嵌 入 强 风 化 岩 还 是 嵌 入 新 鲜 基 岩中 的 桩 ， 桩 身 轴 力 均 随 深 度 递 减 。 这 表明 ， 基 岩 以 上 覆 盖 土 层 的 侧 阻 力 在 桩 身受 荷 变 形 过 程 中 同 样 被 调 动 起 来 。 说 明 第 一 种 处 理 方 法 不 合 理 ！ 由 于 桩 侧 土 与 岩 层 强 度 的 不 同 ， 相 应 的 Q-Z曲 线 的 斜 率 dQ/dZ也 不 同 。 淤 泥 中 ， 斜率 较 小 ， 岩 层 中 斜 率 较 大 ， 前 者 的 侧 阻 力 较 小 ， 后 者 的 侧 阻 力 较 大 。 无 论 是 强 风 化 岩 还 是 新 鲜 基 岩 ， 其 桩 端总 阻 力 都 较 小 ， 特 别 是 随 着 荷 载 的 增 大 ，Qp/Q在 减 小 。 对 于 嵌 岩 桩 嵌 岩 段 桩 侧 阻 力 ， 实 测 与 有 限 元 分析 （ 见 后 ） 计 算 结 果 均 表 明 ， 其 侧 阻 力 发 挥 近地 表 处 （ 岩 面 处 ） 较 小 ， 并 随 着 深 度 增 加 而 迅速 增 大 ， 当 深 度 比 hr/d=0.5左 右 时 ， 增 至 最 大 ，随 后 又 随 深 度 逐 渐 减 小 。说 明 第 二 种 处 理 方 法 不 合 理 ！寸 滩 集 装 箱 码 头 桩 基 优 化 ！ 嵌 岩 桩 段 的 单 位 侧 阻 力 比 土 层 要 高 得 多 ， 对 于分 担 荷 载 起 到 极 其 重 要 的 作 用 。 侧 阻 力 相 对位 移 关 系 qs 曲 线 与 一 般 土 的 qs 曲 线 不同 ， 它 具 有 如 下 特 性 。 岩 石 桩 基 侧 阻 力 达 到 极 限 值 所 需 的 相 对 位 移 u小 于 土 层 所 需 的 u。 破 碎 岩 体 约 为 粘 性 土 的 1/2， 完 整 岩 体 约 为 粘 性 土 的 1/4； 完 整 基 岩 中 侧 阻 力 一 般 呈 脆 性 破 坏 ， qs由峰 值 减 小 到 某 一 残 余 强 度 qsr（ 近 似 于 碎石 类 土 同 桩 的 侧 阻 力 ） ；砼 与 岩 石间 有 粘 结力 沉 渣 形 成 一 个 可 压 缩 的 “ 软 垫 ” ， 这 一 软垫 的 压 缩 导 致 嵌 岩 桩 段 与 岩 体 间 、 桩 身 与土 体 间 产 生 相 对 位 移 ， 从 而 使 其 侧 阻 得 以充 分 发 挥 。 相 反 ， 桩 底 端 阻 力 往 往 由 于“ 软 垫 ” 作 用 或 由 于 桩 身 强 度 先 行 破 坏 而不 能 有 效 发 挥 出 来 ， 更 不 可 能 发 挥 到 桩 端以 下 岩 体 的 破 坏 。允 许 有 沉 渣 ， 但 要 控 制 厚 度 。 在 嵌 岩 灌 注 桩 设 计 中 不 要 盲 目 作 扩 大 头 。 当 桩 底 产 生 一 个 很 小 的 沉 降 后 ， 扩 大 头 侧 面 与 岩体 的 接 触 面 就 会 脱 离 ； 对 于 桩 端 岩 层 为 硬 质 岩 的 情 况 ， 用 低 强 度 的 混 凝土 代 替 高 强 度 的 岩 石 没 有 必 要 ； 根 据 桩 基 设 计 的 荷 载 与 沉 降 的 双 控 准 则 ， 在 允 许的 桩 顶 控 制 沉 降 条 件 下 ， 桩 侧 土 和 嵌 岩 段 的 侧 阻 力 还 没 有 达 到 极 限 值 。 由 于 端 阻 力 的 发 挥 总 是 滞 后 于 侧 阻 力 ， 因 此 企 图 扩 大 桩 底 来 提 高 端 阻 力 是 不 可 能 的 。 当 设 计 荷 载 大 ， 而 持 力 层 为 软 岩 或 风 化 程 度 高 的 极软 岩 时 ， 因 嵌 岩 桩 承 载 力 不 足 ， 常 常 需 要 扩 底 。 荷载传递与破坏性状的数值模拟 有 限 元 方 法 的 优 点 ： 能 考 虑 岩 土 的 非 线 性 、 层 状 体 系 及 桩 土之 间 的 非 线 性 相 互 影 响 等 因 素 ， 是 现 阶段 岩 土 工 程 数 值 模 拟 中 最 通 用 的 方 法 ； 能 够 模 拟 不 同 工 况 下 桩 基 的 荷 载 传 递 机理 与 破 坏 性 状 ， 具 有 极 高 的 经 济 性 。 在一 定 条 件 下 也 具 有 极 高 的 可 靠 性 。 成 功 运 用 有 限 元 法 进 行 嵌 岩 桩 荷 载 传 递 与破 坏 性 状 分 析 的 关 键 ： 计 算 范 围 的 确 定 （ 宽 度 ， 厚 度 ） ； 单 元 的 选 择 （ 桩 单 元 ， 土 单 元 ， 岩 体 单 元 ，土 桩 及 岩 体 桩 的 接 触 单 元 等 ） ； 网 格 划 分 的 （ 形 状 、 疏 密 ） ； 边 界 条 件 的 选 取 ； 岩 土 本 构 关 系 (屈 服 准 则 、 流 动 法 则 等 )； 计 算 参 数 的 选 取 ； 河海大学陈斌、卓家寿等 不 同 嵌 岩 深 度 桩 端 阻 力 随 着 嵌 岩 深 度 的 增 大 而 降 低 。 L/d=1.0时 ， Qp/Q=40% 50%； L/d=2.0 3.0时 ， Qp/Q=10% 30%； L/d 5.0时 ， Qp/Q 10%。寸 滩 国 际 集 装 箱 码 头 大 直 径嵌 岩 灌 注 桩 嵌 岩 深 度 的 优 化l这 说 明 嵌 岩 桩 确 实 存 在 深 度 效 应 ， 当 嵌岩 达 到 一 定 深 度 后 ， 继 续 增 加 嵌 岩 深 度 ，对 桩 的 承 载 能 力 的 提 高 已 不 明 显 ， 甚 至无 助 于 承 载 能 力 的 提 高 。 桩底沉渣的影响 当 l/d 3.0时 ， 桩 底 沉 渣 对 嵌 岩 桩 的 承 载力 影 响 较 为 显 著 ； 当 l/d 5.0时 ， 桩 底 沉 渣 引 起 的 承 载 力 的变 化 甚 微 ；l说 明 当 嵌 岩 深 度 较 大 时 ， 对 桩 底 沉 渣 的 限制 可 适 当 放 宽 ， 以 方 便 施 工 ； 但 对 于 嵌 岩深 度 较 浅 的 情 况 ， 则 应 注 意 桩 底 沉 渣 对 嵌岩 桩 承 载 力 的 削 弱 影 响 。 基 岩 强 度 的 影 响 随 着 桩 底 和 桩 侧 基 岩 强 度 比 的 提 高 ， 桩端 阻 力 迅 速 增 大 。 说 明 对 于 较 软 的 岩 层 ， 寻 求 强 度 高 一 点的 基 岩 作 为 嵌 岩 桩 的 持 力 层 ， 将 能 够 有效 地 提 高 嵌 岩 桩 的 承 载 力 。 同 时 也 应 该 注 意 ， 在 桩 侧 岩 层 和 桩 底 基岩 强 度 相 差 较 大 时 ， 可 能 会 使 嵌 岩 桩 的承 载 特 性 发 生 质 的 变 化 ， 在 设 计 中 应 正确 对 待 。 三、嵌岩桩侧阻、端阻分担荷载比 续 上 表 实验资料表明： 在 试 验 桩 中 ， 所 有 桩 的 桩 侧 阻 力 （ 两 部 分 ） 分担 荷 载 比 Qsu/Qu都 超 过 60%， 其 中 大 部 分 超过 80%。 这 说 明 ， 端 阻 力 分 担 荷 载 只 占 总 荷载 的 一 小 部 分 ， 属 于 摩 擦 桩 （ 或 端 承 摩 擦 桩 ） ； 桩 侧 阻 力 分 担 荷 载 比 随 长 径 比 L/d的 增 大 而 增大 ， 随 覆 盖 土 层 强 度 的 提 高 而 增 大 ； 当 桩 的 长 径 比 较 大 （ L/d 35） ， 而 覆 盖 土 层又 不 太 软 弱 的 情 况 下 ， 其 端 阻 力 分 担 荷 载 比 很小 （ 5%） ， 且 桩 的 破 坏 是 桩 身 压 坏 引 起 的 ； 嵌 岩 桩 的 Q-S曲 线 呈 缓 变 型 ， 无 明 显 的 破 坏 特 征 。 嵌岩桩的垂直承载性状可以归纳为以下几点： 岩 灌 注 桩 的 荷 载 传 递 和 破 坏 特 性 主 要 与 长 径比 ， 覆 盖 土 层 性 质 ， 嵌 岩 段 的 岩 性 和 成 桩 工艺 ,桩 身 的 施 工 质 量 有 关 。 对 于 L/d （ 15 20） 的 泥 浆 护 壁 钻 （ 冲 ） 孔嵌 岩 桩 ， 无 论 是 嵌 入 风 化 岩 还 是 完 整 基 岩 中 ，其 荷 载 传 递 都 具 有 摩 擦 桩 的 特 性 ， 即 桩 侧 阻力 先 于 出 来 ， 桩 端 分 担 的 荷 载 较 小 ， 属 摩 擦桩 。 对 于 短 粗 的 人 工 挖 孔 嵌 岩 桩 ， 端 阻 力 先 于 覆盖 土 层 的 侧 阻 力 发 挥 出 来 ， 且 端 阻 力 对 桩 的承 载 力 起 主 要 作 用 ， 属 端 承 桩 。 当 L/d 40， 且 覆 盖 土 层 不 属 于 软 土 层 ，嵌 岩 桩 端 的 承 载 作 用 较 小 ， 在 此 情 况 下 ，桩 端 嵌 入 强 风 化 或 中 风 化 层 即 可 ， 无 需嵌 入 微 风 化 或 新 鲜 岩 层 中 ， 也 无 需 扩 底 ，嵌 入 强 风 化 岩 层 中 的 桩 其 承 载 特 性 与 支承 于 砂 砾 层 中 的 桩 类 似 。 虽 然 大 部 分 嵌 岩 灌 注 桩 属 摩 擦 桩 ， 但 由于 桩 端 以 下 低 压 缩 性 持 力 层 ， 其 沉 降 较小 ， 且 嵌 岩 群 桩 的 沉 降 不 致 受 群 桩 效 应的 影 响 而 增 大 。 由 于 嵌 岩 灌 注 桩 的 嵌 岩 部 分 有 较 高 的 侧阻 力 和 端 阻 力 ， 其 单 桩 承 载 力 往 往 超 过相 同 截 面 的 土 中 摩 擦 桩 ， 桩 身 应 力 值 很高 。 因 此 ， 桩 身 强 度 同 桩 侧 土 层 、 岩 层强 度 一 样 ， 也 是 控 制 单 桩 承 载 力 的 重 要因 素 。 在 现 行 许 多 规 范 中 ， 关 于 嵌 岩 桩 承 载 力 的 计 算模 式 大 体 有 三 类 ： 一 是 只 计 桩 的 端 阻 力 ， 其 端 阻 力 的 确 定 方 法 是将 岩 石 饱 和 单 轴 极 限 抗 压 强 度 （ 新 鲜 基 岩 、 微风 化 、 中 风 化 岩 石 ） 乘 以 一 折 减 系 数 。 建 筑 地 基 基 础 设 计 规 范 为 桩 端 岩 石 承 载 力 标 准 值四、嵌岩灌注桩承载力的确定 ppK AqR pq 二 是 只 计 嵌 岩 部 分 的 侧 阻 力 和 端 阻 力 ，两 者 都 不 计 覆 盖 层 的 侧 阻 力 。 公 路 桥 涵 地 基 与 基 础 设 计 规 范 为 天 然 湿 度 的 岩 石 单 轴 极 限 抗 压 强 度 铁 路 桥 涵 设 计 规 范 aR )UhCAC(RP 21 aRUhCACP )( 21 这两种计算模式值得进一步探讨。 三 是 综 合 考 虑 嵌 岩 灌 注 桩 的 长 径 比 、 覆 盖土 层 性 状 、 嵌 岩 段 及 桩 底 岩 性 、 施 工 工 艺等 因 素 ， 按 桩 周 土 总 侧 阻 力 、 嵌 岩 段 总 侧阻 力 和 总 端 阻 力 三 部 分 合 成 单 桩 极 限 承 载力 。 这 种 计 算 模 式 体 现 了 我 国 90年 代 嵌 岩 桩 的最 新 研 究 成 果 和 设 计 思 想 ， 也 代 表 了 嵌 岩规 范 方 法 的 国 际 先 进 水 平 。 建 筑 桩 基 技 术 规 范 JGJ94-2008 pkrkskuk QQQQ siskisisk LqUQ rrcrrk hfUQ prcppk AfQ 港 口 工 程 嵌 岩 桩 设 计 与 施 工 规 程JTJ285 2000 嵌 岩 桩 的 承 载 力 应 根 据 不 同 受 力 情 况 ，分 别 按 桩 身 结 构 强 度 和 地 基 对 桩 的 支 撑能 力 进 行 计 算 。 嵌 入 中 等 风 化 岩 的 单 桩 轴 向 抗 压 承 载 力 ，宜 根 据 静 载 试 验 确 定 。 cckcd QQ 抗 压 极 限 承 载 力 标 准 值 分 项 系 数 1.6-1.7 不 做 静 载 试 验 的 工 程 ， 单 桩 轴 向 抗 压 承载 力 设 计 值 ， 可 按 下 式 计 算 ： cR rcprrcscs ifificd AfhflqQ 21 力 计 算 系 数 嵌 岩 段 侧 阻 力 和 端 阻、 土 的 侧 阻 力 计 算 系 数 ， psfi 第三种方法的特点 关 于 上 覆 土 层 侧 阻 力 问 题 ， 突 破 以 往 凡 嵌岩 桩 必 为 端 承 桩 ， 凡 端 承 桩 均 不 考 虑 土 层侧 阻 力 的 概 念 。 并 引 入 了 土 层 侧 阻 力 发 挥系 数 。 关 于 嵌 岩 段 侧 阻 力 问 题 。 当 桩 端 嵌 入 基 岩一 定 深 度 ， 荷 载 先 通 过 侧 阻 力 传 递 到 嵌 岩段 侧 壁 ， 在 产 生 一 定 变 形 后 一 部 分 荷 载 才传 递 到 桩 底 ， 由 于 嵌 岩 段 的 侧 阻 力 是 非 均匀 分 布 的 ， 因 此 引 入 了 侧 阻 力 修 正 系 数 。 关 于 嵌 岩 桩 端 阻 力 问 题 。 试 验 及 数 值 模 拟 表 明 ，传 递 到 桩 端 的 应 力 随 嵌 岩 深 度 增 大 而 递 减 ， 当 嵌岩 深 度 达 到 5d时 ， 传 递 到 桩 端 的 应 力 接 近 于 零 。因 而 引 入 端 阻 力 修 正 系 数 。 这 说 明 桩 端 嵌 岩 深 度一 般 不 必 过 大 ， 超 过 某 一 界 限 并 无 助 于 提 高 竖 向承 载 力 。 准 确 地 进 行 桩 基 承 载 力 计 算 关 键 在 于 选 择 合 理 的计 算 模 式 及 准 确 的 计 算 参 数 。 讨 论 一 、 概 述 钢 管 桩 基 础 是 深 厚 软 土 地 区 高 重 建 筑 物 、港 口 码 头 、 海 洋 平 台 等 的 常 用 基 础 形 式之 一 。 我 国 自 70年 代 开 始 在 少 量 重 点 工 程 中 采用 钢 管 桩 ， 并 对 其 承 载 性 能 和 有 关 施 工问 题 进 行 了 试 验 研 究 。 钢 管 桩 常 用 截 面 尺 寸 为 400 1000， 壁厚 9 19mm， 对 于 海 洋 平 台 等 特 殊 工 程 ，其 截 面 尺 寸 往 往 更 大 一 些 。 钢 管 桩 在 设 计 截 面 尺 寸 时 应 考 虑 腐 蚀 和 防 腐措 施 。 钢 管 桩 的 桩 端 构 造 。钢管桩牺牲阳极阴极保护 巴 基 斯 坦 卡 西 姆 港 二、钢管桩的承载性状 闭 口 钢 管 桩 ， 其 承 载 机 理 与 混 凝 土 桩 完全 相 同 。 开 口 、 带 隔 板 开 口 钢 管 桩 ， 其 承 载 机 理和 承 载 力 随 有 关 因 素 的 变 化 则 远 比 闭 口桩 复 杂 。 “ 闭 塞 效 应 ” 。 “ 土 塞 ” 的 高度 及 其 闭 塞 效 果 与 土 性 、 管 径 、 壁 厚 、桩 入 土 深 度 及 进 入 硬 持 力 层 的 深 度 等 诸多 因 素 有 关 ， 而 桩 端 土 的 闭 塞 程 度 又 直接 影 响 端 阻 发 挥 与 破 坏 性 状 及 桩 的 承 载力 。 二、钢管桩的单桩竖向承载力计算 闭 口 钢 管 桩 的 竖 向 承 载 力 可 按 混 凝 土 预制 桩 的 方 法 计 算 。 开 口 、 带 隔 板 开 口 钢 管 桩 承 载 力 的 计 算方 法 可 分 为 两 大 类 ： 一 是 分 别 计 算 管 内 土 塞 侧 阻 力 、 管 外 侧阻 力 和 环 底 端 阻 力 ， 三 者 之 和 。 tpuisusuu QQQQ 该 方 法 难 点 是 如 何 正 确 计 算 土 塞 侧 阻 力 山 原 法 ： 视 土 塞 为 刚 塑 体 建 立 极 限 平 衡方 程 。 田 岛 法 ： 根 据 应 力 、 变 位 建 立 土 塞 的 荷载 传 递 微 分 方 程 。 山 肩 法 ： 离 散 桩 体 及 土 塞 为 弹 簧 质 块体 系 ， 视 土 为 理 想 弹 塑 性 体 ， 利 用 线 性方 程 组 求 解 。 二 是 分 别 计 算 管 外 侧 阻 力 和 端 阻 力 ， 计算 侧 阻 力 时 考 虑 挤 土 效 应 ， 计 算 端 阻 力时 考 虑 桩 端 的 闭 塞 效 应 。 ppupisuispupsusu AqlqUQQQ