嵌岩桩桩端以下基岩持力层最小厚度探讨

刘福东

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

对于基岩地区，嵌岩桩是较为常见的桩基类型。对于嵌岩桩作用机理，国内外都在不断地广泛深入地研究，现行国家标准及行业标准的有关规范中嵌岩桩桩基承载力计算公式也在不断完善。目前设计及勘察有关规范中虽然对嵌岩桩桩嵌入基岩的深度均有规定，但对桩底所在基岩持力层的最小厚度均没有明确规定。

由于基岩风化程度变化较大，基岩持力层下常夹有强风化岩，有时为全风化岩或残积土，嵌岩桩桩端持力层厚度不大的情况较为普遍，这给设计与施工带来较大问题。对于不同类型、不同强度的岩石，桩端以下中、微风化基岩持力层的厚度最小多少时才可以保证嵌岩桩要求，目前缺少这方面的实践与研究。如按照摩擦桩计算，中、微风化的侧摩阻力取值也缺少可靠的经验，不仅施工比较困难，而且增加投资，故此项研究对于嵌岩桩的设计有较好的实用价值。

1 嵌岩桩工作机理

1.1 嵌岩桩承载力组成及类型

根据现行有关规范及标准，嵌岩桩的承载力一般由端阻、侧阻及嵌岩段侧阻（或总侧阻）组成。嵌岩桩并不均为端承桩，严格讲应为摩擦端承桩。嵌岩桩即使是在无覆盖层条件下或长径比L/D<5的短桩，并非一律是端承桩，而较长的嵌岩桩大多属于摩擦桩，很长的嵌岩桩完全属于摩擦桩[1]。

1.2 嵌岩桩承载力影响因素及端阻承担比

为确定嵌岩桩桩端以下持力层的最小厚度，可将按不同的端阻承担比来等效模拟桩端荷载对持力层厚度的要求，以供设计人员参考。

2 理论计算

2.1 嵌岩桩桩端荷载

对于一般的硬质岩，根据嵌岩桩端阻计算公式得出的端阻及嵌岩段侧阻往往较大，当岩石抗压强度较大时仅端阻力即可满足设计要求，但在实际工程中，桩基承载力一般要求为较安全的数值，如按公路桥涵地基与基础设计规范[3]计算，全由端阻承担时桩底的等效均布荷载q0≈4600 kPa。

考虑实际工程需要，将按不同的端阻承担比k分别进行验算。

式中：q1为桩底的等效均布荷载，k Pa；Rd为桩基端阻所分担的荷载，kN。

2.2 相对软弱下卧层的影响

对于基岩持力层下强风化岩的影响简化为下卧层对持力层的等效均布顶托力q2（kPa）来模拟，其中:

式中：kv为下卧层竖直向基床系数，k N/m3；s为下卧层地基变形，m。

2.3 计算内容及假定

为确定持力层的最小厚度，该项研究仅考虑单桩桩基持力层受压破坏这种模式，理论计算主要按基岩持力层抗冲切、抗剪、抗弯验算，并假定持力层基岩为完整岩。

无根萍虽然主要依靠出芽法繁殖，但它也会开花结果。开花之前，叶状体上方会形成一个凹陷下去的坑，称为“花腔”，里面长出一枚雌蕊和一枚雄蕊，但是没有花瓣和花萼。雌蕊先成熟，并伸出花腔开口，等雌蕊受粉或枯萎后，雄蕊才发育成熟并伸出花腔口，释放出橘红色的花粉。每一朵花结一个果实。无根萍的花朵大小不足半毫米，果实就更小了，只有在显微镜下才能观察到。

岩石持力层按完整的中风化花岗岩（火成岩）、砂岩（沉积岩）两种典型岩石为例，下卧层则为相应的强风化岩，其相应参数见表1所列。

表1 持力层及下卧层岩石参数表

2.4 抗冲切验算

根据静力平衡条件（见图1）则有：

式中：K为安全系数，取2；T为持力层基岩的抗拉力，kN；F为下卧层强风化岩的顶托力，kN；Rt为持力层基岩的抗拉强度，kPa；α为冲切角，（°），参考混凝土，该项研究取45°。

若不考虑下卧层顶托力的影响即为0，可得：

图1 持力层验算示意图

2.5 抗弯计算

按均布荷载下周边固接的圆形板弹性理论解[4]得：

最大弯距：

最大剪力：

由最大拉应力：

若不考虑下卧层的影响，则可得：

2.6 抗剪验算

参考混凝土结构设计规范公式6.5.1-1[5]，采用如下简化公式：

若考虑下卧层的影响可得如下公式：

若不考虑下卧层的影响可得如下公式：

2.7 理论计算结果分析

（1）通过试算，当取安全系数为K＝2时，对于Rt≥1 MPa的完整岩石，最小持力层厚度一般由抗冲切计算确定。对于Rt＜1 MPa的极软岩、软岩及不同的端阻承担比k，主要由抗剪及抗冲切来控制,见图2、图3所示，故在此仅附抗剪及抗冲切计算结果。

图2 硬质岩对计算公式的影响曲线图（Rt=1 MPa）

图3 软岩对计算公式的影响曲线图（Rt=0.5 MPa）

（2）下卧强风化岩不同于一般溶洞，对持力层有较好的支撑作用，对提高工程安全度，能有效地减小最小持力层安全厚度，相对空洞而言，能减小厚度20%以上，对于深长桩，能减小到50%左右，持力层强度越低影响越大，见图4、图5所示。

图4 下卧层对硬质岩持力层厚度的影响曲线图

图5 下卧层对软岩持力层厚度的影响曲线图

（3）通过试算，最小持力层安全厚度随持力层岩石抗拉强度的增大而减小，对于完整的坚硬岩其厚度一般大于0.5 m，对于完整的软岩其厚度约为1倍桩径，可随端阻承担比k进行相应的折减。

3 数值模拟

3.1 岩石的本构模型及建模

从工程实用出发，在分析问题时，一般在受压区采用斜直线型的库仑或莫尔强度准则即可，如果采用非线性的莫尔准则，计算特别复杂，但精度提高并不显著，必要性也不大[6]，故该项目岩石采用莫尔－库仑弹塑性模型，主要计算参数见表1所列。

该项研究按有限单元法按轴对称问题建模，计算假定及计算标准如下：（1）假定岩石持力层为一完整的平板状的岩体；（2）桩体按C30混凝土板来模拟；（3）取安全系数为K＝2，即竖向荷载为2q0（按式 1计算）；（4）不考虑地下水的影响；（5）计算稳定标准以垂直位移（沉降）控制，同时允许下卧层出现塑性发展区，但不允许贯通，某计算示例如图6、图7所示。

图6 持力层垂直位位移示意图

图7 持力层塑性开展区示意图

3.2 计算结果分析

通过数值模拟，得出的基岩最小厚度的计算结果及规律与理论公式计算相一致（见表2），同条件下计算厚度略低于理论计算。从实际工程出发，利用理论公式计算偏于安全。

4 结语

（1）在基岩地区桩基勘察时，如遇基岩持力层下有软弱夹层时，建议进行适量的岩石抗拉试验，为设计提供岩石抗拉强度建议值。

（2）全、强风化软弱夹层在较小的变形下一般能对持力层提供较大的顶托反力，对于深长桩而言，能有效地降低对基岩持力层的厚度要求。

（3）对于岩石抗拉强度Rt≥1 MPa的硬质岩，最小持力层厚度一般由抗冲切计算确定，Rt＜1 MPa的极软岩、软岩，主要由抗剪及抗冲切来控制。

（4）最小持力层安全厚度随持力层岩石抗拉强度的增大而减小，对于完整的坚硬岩其厚度一般大于0.5 m即可，对于完整的软岩其厚度约为1倍桩径，可随端阻承担比k进行相应的折减。

表2 持力层最小安全厚度计算表

[1]刘铁雄.岩溶顶板与桩基作用机理分析与模拟研究[D].中南大学，2003.

[2]郑祖恩.软岩地基中大直径嵌岩灌注桩承载性能研究[D].中南大学，2007.

[3]JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[4]上海市政工程设计院.给水排水工程结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1984.

[5]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[6]张有良，最新工程手册[M].北京：中国知识出版社，2006.