钻孔灌注嵌岩桩与非嵌岩桩竖向承载特性研究及在应用中的探讨

刘伟++崔治兴

摘要：通过收集、整理大量钻孔灌注桩静载试验数据并分析了钻孔灌注嵌岩桩与钻孔灌注非嵌岩桩在竖向荷载作用下的承载特性。针对目前许多关于嵌岩桩承载力设计关于在桩端嵌入完整或较完整硬质岩层中时，由于地质条件、钻孔技术及设计要求等诸多因素的影响，不考虑其桩侧阻力或桩侧土层阻力而直接按照桩端岩层阻力来计算桩的承载力而提出建议。指明两者在桩顶、桩底沉降变化，桩身压缩比及单桩承载力计算等方面的相同与不同之处，简明阐述在设计和计算单桩承载力时应考虑的因素并提出工程指导意义。

Abstract： Based on collecting and arranging the data of static load test of a large number of bored piles， the load bearing characteristics of bored pile and bored pile under vertical load are analyzed. At present， many designs about bearing capacity of rock-socketed piles， when the pile end is embedded into intact or more complete hard rockpile， because of the influence of geological conditions， drilling technology and design requirements and other factors， dont consider the lateral resistance of the pile or pile side soil resistance but directly calculates the pile bearing capacity according to the pile rock resistance. This paper proposes suggestions in view of this situation. The similarities and differences between the two in the pile top， pile settlement change， pile compression ratio and single pile bearing capacity calculation and other aspects are pointed out. The factors that should be taken into account when designing and calculating the bearing capacity of single pile are briefly described and the engineering guidance significance is put forward.

關键词：嵌岩桩；非嵌岩桩；单桩承载力； 承载特性； 桩侧阻力

Key words： socketed pile；non socketed pile；bearing capacity of pile；bearing behavior；lateral resistance of pile

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0098-03

0 引言

近几十年来，社会经济的飞速发展推动着道路交通建设屡创佳绩，高速和重载逐渐发展成为铁路及公路道路运行设计中最基本、最重要的要求。桩基因其独特的优势而被广泛应用于大型桥梁以及高层建筑中。作为钻孔灌注桩的一种重要的类型，嵌岩桩越来越受到人们的重视。嵌岩桩是指桩端嵌入中风化、微风化岩层的桩基，对于嵌入强风化岩的桩按照非嵌岩桩考虑。嵌岩桩在设计计算方面，由于人们的传统观念和各种复杂的地质条件及不同的设计要求，导致人们一直曾把嵌岩桩理解为端承桩。在嵌岩桩承载力及沉降计算方面，各国规范、行业规范、地区规范都存在着较大的差异。甚至许多规范规定嵌岩桩在桩端嵌入完整或较完整硬质岩层中时，不考虑其桩侧阻力或桩侧土层阻力，而直接按照桩端岩层的承载力来计算桩的设计荷载，这样不仅没有使桩的实际承载力得到有效的利用，反而大大增加了施工工程量、造成了不必要的经济支出。有鉴于此，彻底理清嵌岩桩在竖向荷载作用下的承载机理，并根据分析结果确定桩身材料、桩长、桩径尺寸和嵌岩深度，更好的定性分析嵌岩桩的承载机理和设计理念显得尤为重要。

1 嵌岩桩的竖向承载机理简析

与其他类型的桩基础相对比可知，嵌岩桩具有独特的优势：嵌岩桩桩底部的中风化、微风化持力层压缩性很低、而持力层的强度却相当高；承载力方面，单桩在竖向荷载作用下的承载力比同等条件下非嵌岩桩的承载力高且单桩沉降量小，群桩效应稍弱，受力性能更加稳定、可靠。但由于嵌岩桩单桩承载力高、静载试验费用高、破坏性试验难度大，且其承载特性主要取决于桩岩模量比、长径比、嵌岩比以及清孔效果，所以在设计计算方面，规范常忽略了覆盖土层和强风化岩层的侧阻力，以半理论半经验的计算公式来确定嵌岩桩竖向承载力，将嵌岩桩近似看作是端承桩来计算其承载力。本文通过收集、整理大量钻孔灌注桩静载试验数据并针对其中典型的17根试桩，深入分析竖向荷载作用下的钻孔灌注嵌岩桩与钻孔灌注非嵌岩桩承载特性的异同，并为施工提供指导意见。

2 试桩数据统计

嵌岩桩的承载特性研究以现场测试桩的实测数据最为可靠，本文通过统计多种地质状况下嵌岩桩与非嵌岩桩的实测资料对比分析、汇总如表1，主要分析研究了钻孔灌注桩竖向承载机理及影响其竖向承载力的主要因素。

3 试桩数据分析

3.1 桩侧阻力 对以上的实测数据进行分析统计，以长径比为横坐标、桩侧阻力分担荷载百分比为纵坐标绘制离散点如图1所示。

结合表1和图1，可以初步得到结论：①无论是对于嵌岩桩还是非嵌岩桩，大直径深长桩的桩侧阻力分担荷载比都能达到80%-95%，从这点来看，大直径深长桩似乎具有摩擦型桩的特征。笔者搜集的17根试桩的桩侧阻力分担荷载比最大的为15#试桩（高达98.2%），可以认为端阻力基本没有发挥作用；而桩侧阻力分担荷载比最小的为3#试桩（77.4%），也可以认为端阻力发挥作用较小。史佩栋[1]也指出不论是何种桩端条件的深长桩，其大部分可以视为摩擦型桩，这也正与本文的分析相贴近。②当桩长接近时，桩的极限承载力在很大程度上会受到嵌岩/非嵌岩的影响，譬如对比本文集中探讨的试桩中的8#嵌岩试桩和9#非嵌岩试桩，对于8#嵌岩试桩的极限承载力在24000kN以上，而对于非嵌岩桩9#试桩的极限承载力仅为18000kN。由此可见，在桩长相接近的情况下，桩能不能嵌入岩石，对其极限承载力存在很大的影响。

3.2 桩端阻力

对表1中的实测数据进行分析统计，以长径比为横坐标、桩端阻力分担荷载百分比为纵坐标绘制离散点如图2所示。

结合表1和图2，可以初步得到以下几个结论：①从长、短桩测试结果的对比测试结果来看，短桩的端承比（端阻力与承载力之比）相对较大，比如本文中的14#试桩和15#试桩端承比分别为22.0%和24.0%，而1#试桩和2#试桩仅为16.6%和18.5%；一般来说，非嵌岩短桩的端承比大于嵌岩长桩的端承比，比如本文中的14#试桩端承比为22.0%，其大于端承比为16.6%的1#试桩。②由表1和图1和图2结合分析可以看出，对于大直径深长桩而言，在桩顶荷载达到极限状态时，桩身下部的侧摩阻力和桩端阻力通常还没有充分发挥，甚至桩端阻力基本未发挥作用，所以确定合理的桩长对于大直径深长桩的承载力计算是很关键的一个因素。③从本文统计的桩端阻力分担荷载百分比与桩的长径比的关系可以看出，对于软岩嵌岩桩，当长径比大于20时，端阻力占桩顶荷载的比例均不超过30%，绝大部分小于20%。可见，当长径比较大时，嵌岩桩已由端承桩转变为摩擦桩。

3.3 桩顶位移、桩端位移及桩身压缩量

对以上的实测数据进行分析统计，选取11根典型试桩作为研究对象，绘制表2。

结合表1和表2，可以初步得到以下几个结论：①在极限荷载条件下，深长嵌岩桩的桩身压缩比（桩身压缩量与桩顶沉降量之比）通常都会超过60%，如本文试桩中的1#、2#、8#等试桩数据；在极限荷载下，非嵌岩深长桩的桩身压缩比相对较小，一般在40%以下，如本文试桩中的9#、14#、15#等试桩数据。对于桩长很长的嵌岩桩，桩侧摩阻力容易得到充分发挥，桩身压缩量较大，而桩端沉降较小。②当桩长接近时，嵌岩和非嵌岩对桩在极限承载力作用下桩顶沉降也有着很大的影响，对于嵌岩桩8#试桩为 35.58mm，而对于非嵌岩桩9#试桩为45.69mm；对于嵌岩桩8#试桩桩端沉降只有5.36mm，而对于非嵌岩桩9#试桩桩端沉降有27.2mm；对于嵌岩桩8#试桩的桩身压缩比达到84.9%，而非嵌岩桩9#试桩为40.5%。由此可见，在桩长相接近的情况下，桩能不能嵌入岩石，对其桩顶沉降、桩端沉降以及桩身压缩比存在很大的影响。③由于桩身压缩量的累积，桩顶位移大于桩端位移，因此桩侧阻力从桩的上部开始向下部传递，随着荷载的不断增加，桩身下部的桩侧阻力随之发挥作用，直到荷载传递到桩端嵌岩段。因此，在设计计算时，考虑桩侧阻力的发挥应该优先于桩端阻力的发挥。

4 结论与建议

①无论对于嵌岩桩还是非嵌岩桩，从统计资料看，大直径深长桩的桩侧阻力分担荷载比都很大，一般都在80%-95%之间，所以大直径深长桩可以认为大多属于摩擦型桩。在设计计算时，主要要考虑到桩侧阻力的影响来选择合适的桩径和桩长。②对于深长桩在设计时，嵌岩和非嵌岩对桩长相接近的桩的极限承载力有着极其重要的影响。由上文分析可以得出，在桩长相接近的情况下，桩能嵌入岩石则尽量嵌入岩石中，这样对桩的承载力会有很大的提高。③由统计分析可知，大多大直径深长桩属于摩擦型桩，在桩顶荷载达到极限状态时，桩身下部的侧阻力和桩端阻力通常还没有充分发挥，甚至桩端阻力基本未发挥作用，所以确定合理的桩长、桩径和嵌岩深度对于大直径深长桩的承载力计算是很关键的一个因素。④对于深长嵌岩桩，在极限荷载作用下，桩侧阻力容易得到充分发挥尤其是桩上部侧阻力，桩端阻力未能充分发挥，且桩端沉降较小，而桩身压缩量较大，故在设计时，应考虑到桩身的刚度和强度设计是否达到设计要求。

参考文献：

[1]史佩栋，梁晋渝.嵌岩桩竖向承载力的研究[J].岩土工程学报，1994，16（4）：32-39.

[2]赵明华编著，桥梁桩基计算与检测[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]傅旭东.嵌岩桩竖向承载力的统计分析[C].见：中国土木工程学会第八届土力学及岩土工程学术会议论文集.南京：万国学术出版社，1999：283-286.

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