蚌埠市区嵌岩桩应用问题探讨

程青云

(蚌埠市勘测设计研究院，山东 蚌埠 233000)

蚌埠市区嵌岩桩应用问题探讨

程青云*

(蚌埠市勘测设计研究院，山东 蚌埠 233000)

基于相关规范，分析了嵌岩桩单桩承载力的各种计算方法，对计算结果进行了比较。基于蚌埠市区地层岩性和代表性嵌岩桩工程数据，分析了嵌岩桩端阻力和基桩变形。对蚌埠市嵌岩桩应用中的风化岩界限确定、石英岩脉等常见问题进行了探讨。结论可供同类工程参考。

嵌岩桩；风化岩；极限端阻力

1 引 言

随着蚌埠市工程建设的推进，该区也出现了若干嵌岩桩工程。囿于蚌埠市城市规模、区域地质、施工技术和工程造价等，相较于管桩，嵌岩桩工程仍为数较少，资料积累有限，在其应用过程中，存在对蚌埠市地层岩性认识不够、理论模糊的情况。通过对蚌埠市区域构造、地层岩性的阐明，对相关规范条文的梳理、比较以及对蚌埠市代表性工程检测资料的分析，以期对今后本区嵌岩桩的应用起到参考作用。

2 规范比较

2.1 嵌岩桩的定义

《高层建筑岩土工程勘察规程》[1](以下称高层规程)第8.3.12条和《公路桥涵地基与基础设计规范》[2](以下称桥涵规范)第5.3.4条均明确规定了嵌岩桩为桩端嵌入中风化、微风化或未风化岩石中的部分。《建筑桩基技术规范》[3](以下称桩基规范)仅规定嵌岩段为完整、较完整岩体，对其为何种风化程度未作说明，但根据《建筑桩基技术规范应用手册》[4]，嵌岩桩应是桩端嵌入中等风化或微风化基岩中的桩，桩端岩体能取样进行单轴抗压试验。强风化岩不能取样成型，对嵌入强风化岩中桩的极限侧阻力和端阻力标准值，根据风化程度按砂土、碎石类土取值。《实用土力学》[5]也指出：能够取岩样做抗压强度试验的，说明完整性比较好，就能按嵌岩桩设计，如果取不到岩样，可按一般的端承桩设计。可见，三种规范对嵌岩桩定义的表述是一致的。

2.2 计算公式比较

(1)《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008

《桩基规范》公式计算的是单桩竖向极限承载力标准值Quk，该标准值由两部分组成：一是嵌岩段提供的总极限阻力，包括端阻力和嵌岩段的侧阻力，另一部分是嵌岩段以上的土层提供的侧阻力。

(1)

(2)《高层建筑岩土工程勘察规程》JGJ72-2004

《高层规程》规定，对嵌岩灌注桩，按照岩石风化程度、单轴极限抗压强度和岩体完整程度估算单桩竖向极限承载力：

(2)

(3)《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ D63-2007

《桥涵规范》对嵌入基岩内的钻孔桩，按下式计算单桩轴向受压承载力容许值[Ra]：

(3)

《桥涵规范》同广东省标准《建筑地基基础设计规范》DBJ15-31的计算公式形式较接近，后者计算公式如下：

(4)

与《桥涵规范》稍不同的是，该式少了覆盖层土的侧阻力发挥系数ζs。

根据以上计算公式可知，三种规范对嵌岩段阻力的计算方法各有不同，如表1所示。

嵌岩桩计算方法比较 表1

2.3 计算结果比较

根据《桩基规范》，嵌岩桩侧阻力系数ζs(qrs/ frk)随岩石强度增大而减小，端阻力系数ζrp(qrp/frk)随岩石饱和单轴抗压强度frk增大而降低，随嵌岩深度增加而减小。综合系数ζr取值则随嵌岩深径比hr/d增大而增大，随岩体强度增大而减小。

由《桩基规范》第5.3.9条及条文说明可知，当嵌岩深径比hr/d在0.5～4.0时，对于极软岩、软岩，有qrp=(0.66～0.73) frk，qs=(0.051～0.056) frk，对于较硬岩、坚硬岩，有qrp=(0.40～0.60)frk，qs=(0.045～0.052) frk。

由《高层规程》表8.3.12可知，岩石极限端阻力qpr=0.6frk；对于极限侧阻力，中风化软质岩qs=(0.04～0.06)frk，微、未风化硬质岩qs=(0.03～0.04)frk。

对比《桩基规范》与《高层规程》可知：嵌岩深径比hr/d在0.5～4.0范围时，对于软岩和极软岩，《高层规程》计算得出的单桩承载力略偏于安全；对于较硬和坚硬岩，《高层规程》计算结果可能略大。

对比《高层规程》与《桥涵规范》可知：《桥涵规范》计算的是承载力容许值Ra，计算时，采用c1、c2分别对端阻力，嵌岩段侧阻力折减。以蚌埠市普遍采用中风化混合花岗岩(较破碎)作桩端，且嵌岩深度不小于 0.5 m的嵌岩灌注桩为例，c1=0.3，c2=0.024。此时与《高层规程》对比，可知qpr=2c1frk，qs≈2c2frk，表明两规范对较破碎状态下的岩体计算结果差别不大。当岩体为完整、较完整时，用《高层规程》计算结果相对偏安全，岩体为破碎、极破碎时，则采用《桥涵规范》计算结果略小。

以上表明，对于中风化较软岩、较破碎岩，三规范对于嵌岩段侧、端阻力的计算结果差异很小，在10%以内，其他情况差异可能稍大。参数取值尚应考虑具体施工工艺问题，如钻进方法、沉渣厚度、后注浆等。

3 蚌埠市嵌岩桩应用

3.1 工程应用实例

单桩承载力通常采用堆载法或自平衡法深层平板载荷试验确定。后者通过放置于桩底的荷载箱加载，利用桩端阻力和桩侧摩阻力互为反力，可同时推定出基桩桩端阻力、桩周土的极限摩阻力和单桩竖向抗压极限承载力。选取蚌埠市各区代表性嵌岩桩工程的静载荷试验资料，桩端基岩均为蚌埠市代表性混合花岗岩，如表2所示。

蚌埠市代表性位置嵌岩桩应用 表2

3.2 试验成果分析

(1)根据表2中端阻力最大试验荷载，当前勘察阶段qp取值是偏于安全的。当前蚌埠市区混合花岗岩地段的人工挖孔桩，强风化岩端阻力qp取值通常在5 000 kPa～6 000 kPa，中风化岩qp取值 7 000 kPa～10 000 kPa；泥浆护壁成孔条件下，出于孔底沉渣厚度的考虑，强风化和中风化岩qp取值则分别在 2 000 kPa和 5 000 kPa左右。其值相应岩石单轴抗压强度一般不超过 10 MPa，属于软岩范围，这与混合花岗岩硬质岩的属性偏差较大。同时，由《岩土工程勘察规范》表A.0.1也可知，若将该岩石视为中等风化～强风化的坚硬岩或较硬岩，则对应岩石坚硬程度等级为较软岩，单轴抗压强度应不小于 15 MPa，极限端阻力qp当在 9 000 kPa～18 000 kPa，承载能力尚有较大潜力可用。

图1 载荷试验p-s曲线(横轴：p/MPa，纵轴：s/mm)

(2)由图1可知，桩基竖向变形值大部分均很小，不超过 5 mm，远小于大直径桩沉降变形限值0.05D，仅蚌医病房楼基桩沉降稍大，但若考虑该工程桩桩身压缩量，可知由基岩自身变形导致的桩基沉降变形同样很小，如表3所示。

(5) 蚌医病房楼桩身压缩量估算 表3

以上载荷试验压力仅做至设计试验值，未得到桩土破坏下的试验曲线和实际的单桩竖向极限承载力。所得沉降曲线又均为缓变型且未发生陡降，单桩承载力富余量尚很大，当前岩土工程勘察和施工过程中岩体风化界限确定方面可能过于偏安全。

4 相关问题探讨

蚌埠市区嵌岩桩工程主要在淮河南侧阶地、剥蚀准平原地貌有应用，该区岩性主要为蚌埠期混合花岗岩、混合钾长花岗岩、混合二长花岗岩，颜色呈灰白、灰黑色、肉红等色，属硬质岩。市区东南部分区段见下元古界西堌堆组黑云角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩等，颜色为灰黑色、灰色等，其中片麻岩强度较低，属软质岩。

4.1 嵌岩桩桩端岩石风化界限的判定

蚌埠市嵌岩桩通常以中风化岩作桩端。在基岩风化程度判别时，尤其对强风化和中风化岩界限，各勘察人员的判定对标准往往存在较大差异。这需要勘察人员在准确把握规范的基础上，积累钻探编录经验。要熟悉钻探中的钻速、钻压、钻机反应等各种工艺参数，并与施工检验资料对比总结。

最可靠的方式仍是通过取芯判定。《岩土工程勘察规范》[6]表A.0.3给出了按野外特征确定岩石风化程度的若干标准，包括原岩结构的破坏程度、矿物成分变化程度、节理发育程度、钻进或开挖难度等，可供勘察人员直观上参考。

波速比kv和风化系数kf则可以从定量方面确定岩体风化程度。此外，根据《勘察规范》表3.2.2-2和表A.0.2，岩体完整程度和完整性指数(kv之平方)、结构面发育状况存在大致对应关系，由岩体结构面发育状况和岩体完整程度也可以确定其风化程度，如图2所示。

图2 岩体完整性指数与完整程度、风化程度的对应关系

对于蚌埠市嵌岩桩工程，由于中风化岩通常已满足桩端工程需要，勘察报告往往将该层以下笼统划归一层，但事实上某些地段中风化岩很薄，例如和顺名都城住宅小区位于剥蚀准平原地貌上，部分位置 5 m～6 m即到风化层，穿过 1 m～2 m强风化岩之后即进入微～未风化混合花岗岩，岩体完整，岩质坚硬，此时以一层中风化岩端阻力参数涵盖所有下部岩体显得过于粗糙，宜将其细化，分别提供参数。

4.2 参数qpk的取值

当前勘察过程中，存在着岩芯采取率过低，取样偏少，代表性差，试件制作质量及试验操作不严格等问题，导致勘察报告frk建议值不具备指导意义。在嵌岩桩设计时，往往采用了经验参数法，直接取用勘察报告中的qpk估算单桩承载力。但勘察阶段qpk参数取值应当建立在足够数量的单桩竖向静载试验或深层平板载荷试验之上，或者与frk建立地区经验关系得出，既要保证设计安全，也不宜过于保守。

对比《高层规范》qpr=0.6frk与《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011式fa=ψrfrk及《桥涵规范》表3.3.3-1可知，极限端阻力qpr与3fa存在较大差距，《桥涵规范》中[fa0]也明显偏低，通过浅基础fa简单估计qpk是不妥当的。

这是由于，虽然大多数规范规定岩石地基不进行深宽修正，但qpk的数值本身已包含了深度和尺寸效应的因素，且fa确定时尚考虑了p-s曲线上的比例界限因素。《桥涵规范》[fa0]取值所以偏低，应是考虑了岩石地基承载力较大，通常满足工程要求。

根据格里菲斯准则和霍克布朗准则[7]，边载和侧向应力可以抑制裂缝的产生和扩展，也有利于岩石地基承载力的提高。《桥涵规范》条文说明3.3.4-4，对节理不发育的和较发育的岩石，不作深宽修正；对节理发育和很破碎的岩石，参照碎石土修正；已风化为砂、土粒者，参照黏性土和砂性土修正。

基于此，对蚌埠市区以强风化岩或片麻岩等软岩作桩端的工程，在上部荷载比较大，不易满足强度或软弱下卧层验算时，可进行深度修正，以充分利用其强度。

4.3 岩脉的工程处理

蚌埠市区不少地段在风化岩中常见石英岩脉，呈灰白、乳白等色，有时较厚且在深度上不连续，如龙子河大桥工程，某桥台位置石英岩脉厚达 6 m～8 m。该岩脉通常硬度很高，钻进难度大。在嵌岩桩工程中，将其笼统划归全～强风化是不妥当的。

理论及实测资料表明，嵌岩部分的嵌固力是嵌岩桩的承载力高于端承桩的主要原因，嵌岩桩嵌固深度超过5倍桩径后，端阻力趋近于0。如泥质软岩地区当嵌岩比为7时端阻力几乎为0，红色粉砂岩和砂砾岩地区嵌岩比为10时，端阻比为3%左右。根据《桩基规范》第5.3.9条及条文说明，计算极软岩、软岩在不同嵌岩深径比下的端阻比，如表4所示。

软岩、极软岩中嵌岩桩在不同嵌岩深径比下的端阻比 表4

由表4可知，嵌岩深径比超过3之后，嵌岩桩逐渐表现出不同于端承桩的工作特点，逐渐以嵌固力为主，且也不同于普通摩擦型桩。

对于蚌埠市区嵌岩桩工程，若桩端为代表性中风化基岩且不存在厚层岩脉时，此时嵌岩深径比在 0.4 d～1.0 d通常不存在异议。若厚层石英岩脉处于强风化混合花岗岩等硬质岩或片麻岩等软质岩之中时，在满足单桩承载力的基础上，则可以岩脉作桩端，按嵌岩桩设计，以充分发挥围岩嵌固力的作用，避免工程过于浪费。但应当保证：嵌岩桩桩端以下3倍桩径范围内不存在软弱夹层、断层破碎带和洞穴等，且桩底应力扩散范围内无岩体临空面。

5 结 论

(1)对于中风化、较软和较破碎岩，各规范所计算的单桩承载力差别不大，一般不超过10%，对于硬质岩，微风化岩等，则差异可能较大。使用时应注意各规范行业及成桩工艺等差别。

(2)当前蚌埠市区嵌岩桩工程承载力尚存在较大富余，实际单桩极限承载力宜根据桩土破坏试验确定。桩基参数取值上，对可能作为桩端的微～未风化岩，宜进行细化，与中风化有所区分，避免过于笼统。

(3)除可按《岩土工程勘察规范》表A.0.3定性和定量确定岩石风化程度外，尚可根据波速测试数据，结合岩体节理发育情况，综合确定岩体风化程度。

(4)当采用经验参数法估算单桩承载力时，经验值qs和qpk应当建立在足够数量的载荷试验基础上。对蚌埠市区以强风化岩或片麻岩等软岩作桩端的工程，在上部荷载比较大，不易满足强度或软弱下卧层验算时，可进行深度修正。对厚层石英岩脉处于强风化混合花岗岩等硬质岩或片麻岩等软质岩之中的情况，可以岩脉作桩端，以充分发挥围岩嵌固力的作用，避免工程过于保守。

[1] JGJ72-2004. 高层建筑岩土工程勘察规程[S].

[2] JTJ D63-2007. 公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[3] JGJ94-2008. 建筑桩基技术规范[S].

[4] 刘金砺，高文生，邱明兵. 建筑桩基技术规范应用手册[M]. 北京.中国建筑工业出版社，2010.

[5] 高大钊. 实用土力学[M]. 北京.人民交通出版社股份有限公司，2011.

[6] GB50021-2001. 岩土工程勘察规范[S].

[7] 顾宝和. 岩土工程典型案例述评[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

Discussion on Application of Rock-Socketed Pile in Bengbu City

Cheng Qingyun

(Bengbu Survey and Design Research Institute，Bengbu 233000，China)

Based on relevant specification，different calculation methods of single bearing capacity to rock-socketed pile was analyzed，the related comparison of the calculated results was got. By the formation lithology and the representative engineering data of rock-socketed pile in Bengbu City，ultimate tip resistance and settlement was analyzes. Finally，The boundary of weathered rock、the quartz vein and some other common issues of Rock - Socketed Pile application in Bengbu City was discussed. The conclusion can be regarded as references to similar projects.

rock-socketed pile；weathered rock；ultimate tip resistance

1672-8262(2017)01-172-05

TU473.1

B

2016—10—27 作者简介：程青云(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事岩土工程技术设计等工作。