关于嵌岩桩的几点探讨

张红霞+惠寒斌+程红涛

【摘要】本文主要阐述了嵌岩桩的承载性状和人们对嵌岩桩的认识，对影响嵌岩桩的承载能力的（桩端阻力和桩侧阻力）影响因素进行了探讨。

【关键词】嵌岩桩；承载性状；单桩竖向极限承载力

一、概述

嵌岩桩由于单桩承载力高、群桩效应小、抗震性能好、适应性较强、桩的沉降量小、建筑物的沉降收敛较快等特点，在桥梁、高层建筑等方面得到了广泛的应用，成为大型建筑物及构筑物的主要基础形式。但长期以来，人们都把嵌岩桩视为端承桩，忽略了其上覆土的荷载传递，认为嵌岩桩的承载力主要取决于嵌入岩石部分桩身的桩侧阻力和桩尖阻力，而大部分的现场资料表明：无论是嵌入强风化基岩还是嵌入新鲜基岩中的桩，桩的轴力均随深度递减，而桩侧阻力是不容忽视的。本文对嵌岩桩的承载性状进行了一些分析和讨论，并结合工程实例对嵌岩桩的承载性状进行阐述。

二、嵌岩桩的承载性状

（一）持力层岩性与桩型的关系

当桩端嵌入岩层一定深度（要求桩的周边嵌入微风化或中等风化岩体的最小深度不小于0.5m）时，称为嵌岩桩。嵌岩桩的桩顶轴向位移主要由桩身的弹性压缩和桩底基岩的压缩变形组成，两者的相对大小决定着桩端阻力和桩侧阻力的发挥的程度。

对于嵌入软质基岩的嵌岩桩，其侧阻和端阻充分发挥所需的极限相对位移与桩周土体和桩底基岩的强度有关，强度越高所需的极限位移越小，强度越低则所需的极限位移越大。当桩周为均匀硬土层，且长径比L/D较大，在桩顶荷载作用下，桩身弹性压缩较大，桩与岩土间的相对位移较大，由于桩周土体强度较高时，侧阻发挥极限侧阻所需位移相对较小，故桩侧阻力首先达到极限值，此时桩端阻力尚未达到极限值。这种嵌岩桩，其端阻只占桩总承载能力的一部分，可称为端承摩擦桩（侧阻占大部分）或摩擦端承桩（端阻占大部分）。

对于穿过均匀软土层嵌入硬质基岩中的嵌岩桩，由于桩底基岩强度很高，桩底位移很小，桩身位移也不大，此时，桩周土体发挥极限侧阻所需相对位移尚未达到，桩侧阻力无法充分发挥。而硬质基岩所需极限位移能够达到，使桩端阻力得到充分发挥，这种嵌岩桩称为端承桩。

特别注意的是成桩工艺对嵌岩的承载性能有重要影响。一般情况下，钻（冲）孔成桩过程中，孔底总会残留一部分沉渣形成可压缩性“软垫”，“软垫”的压缩增大了端阻充分发挥所需的极限位移，使嵌岩桩表现出更多的摩擦桩性状；而人工挖孔的嵌岩桩由于人工清底，一般无 “软垫”现象，会使嵌岩桩表现出更多的端承桩性状。

（二）2Qb/Q与L/d的关系

根据相关研究资料，发现桩端阻力Qb与桩顶荷载Q之比Qb/Q和桩的长径比L/d之间有以下关系：

1）当L/d<20时，Qb/Q随L/d增大而逐渐减少；当L/d接近20时，Qb/Q一般为25%左右。

2）当L/d>20时，Qb/Q一般在20%以下，不少桩小于5%。

综上所述，当在L/d<15情况下，Qb/Q递减明显；当15

（三）3Qb/Q與hr/d的关系

对于一般的嵌岩桩，桩端阻力在桩身传递的荷载中所占的比例并不高。理论计算表明，Qb/Q值随着嵌岩深度的增加而逐渐减小，大约当hr/d=5时，Qb/Q大约为零。多次试验结果表明，嵌岩桩桩端阻力随着嵌岩深度基本上呈线性变化，其最佳嵌岩深度为3d，最大嵌岩深度为5d 。因此，嵌岩桩设计时，通过增加桩长、嵌岩深度等办法都无助于改善基岩的端承作用。

综上所述，嵌岩桩在不同地质条件和几何尺寸下，表现端承和摩擦两种不同的承载性状。通过了解嵌岩桩的实际承载性状，可以防止片面追求嵌岩深度所造成不必要的浪费。已有资料表明：随着上覆土层的性质和厚度的不同，嵌入基岩性质和深度的不同，以及桩端沉渣厚度不同，桩侧阻力、桩端阻力的发挥性质也不同。值得注意的是，嵌岩桩桩端嵌岩段的单位侧阻力比土层高得多，主要表现为：（a）岩体侧阻达到极限所需的相对位移比土层小得多；（b）在侧阻力的作用下完整基岩一般呈脆性破坏。表1为部分岩体达到极限侧阻力的位移经验值。

从表1中可以看出，在相对位移非常小的情况下，桩端嵌岩段的侧阻力就可充分发挥，所以在嵌岩桩承载力确定时，应充分考虑其承载作用。

三、嵌岩桩单桩竖向承载力的计算

（一）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）

桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力，由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成，其单桩竖向极限承载力标准值可按下式计算：

（二）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）

（1）对于嵌入破碎岩和软质岩石中的桩，单桩竖向承载力特征值可按下式估算：

Ra=qpaAp+upΣqsiali（2）

式中：Ra——单桩竖向承载力特征值；

qpa、qsia——桩端端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得；

（2）当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩石中时，当桩长较短且入岩较浅时，可按下式进行估算单桩竖向承载力特征值：

Ra=qpaAp（3）

（三）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）

本规范给出了嵌岩桩单桩承载力的计算模式为：承载力一般由桩周土总侧阻力、嵌岩段总侧阻力和总端阻力三部分组成。大量现场试验结果表明，一般情况下，即使桩端置于新鲜或微风化基岩中，上覆土层的侧阻力也是可以发挥的。支承在基岩上或嵌入基岩内的钻挖孔桩的单桩轴向受压承载力容许值可按下式计算：

综上所述，无论是由（1）式计算单桩竖向极限承载力标准值，（2）式计算单桩竖向承载力特征值，还是由（4）式计算单桩轴向受压承载力容许值，不仅考虑了端阻力和上覆地层的侧阻力，同时也考虑了嵌岩段侧阻力。因此，嵌岩桩不一定就是端承桩，多为摩擦性端承桩或端承性摩擦桩形式。对于公式（3）而言，桩端是完整及较完整的硬质岩石，规范认为嵌岩桩的承载力往往由桩身混凝土强度控制，其桩端阻力未充分发挥，一般情况是桩身混凝土先于桩端持力岩层发生破坏。故计算时，未考虑桩侧阻力的发挥，同时，其简化计算的意义在于硬质岩强度超过桩身混凝土强度，设计以桩身强度控制，桩长较小时在计入侧阻、嵌岩阻力等已无工程意义。

四、工程案例

某桥桥长为500m，桥宽26.0m，属特大型桥梁，方向近东西向。地层结构较简单，上部为稍密-中密状态的卵石，下部为二叠系上统上石盒子组砂岩、泥岩（地质资料见图1）

按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）的计算公式进行计算，采用嵌岩桩基础方案，无冲刷。钻孔桩施工工艺，桩径分别取d=600mm、d=800mm，嵌入中风化砂岩深度分别取3d和5d，计算如表2。

由以上计算结果可以看出：①嵌岩桩嵌入基岩的桩长和端阻力的发挥并不是线性关系；②在岩石单轴极限抗压强度一定的情况下，其单桩容许承载力随着桩径增大而增大；③桩总端阻力仅占单桩承载力容许值的20.5%～27.3%，还是为摩擦桩的性质，可以称为端承摩擦桩。

五、结论

嵌岩桩根据其不同工程地质条件、桩几何尺寸和成桩工艺，可表现为端承及摩擦两种不同的承载性状，不应将嵌岩桩一概视为端承桩。

在工程设计中应根据实际情况，具体判定嵌岩桩的承载类型，正确估算其单桩承载力。另外在具体工程实践中应考虑桩身强度等因素，综合确定嵌岩桩单桩承载力的取值，在坚硬岩体上设计时，应考虑并努力提高嵌岩桩的桩身混凝土强度，使两者更好的匹配，这样才能充分发挥桩的承载力。

参考文献：

[1]黄良振，史名录.关于桥梁嵌岩桩设计的探讨[J].科技情报开发与经济.2006年第16卷第6期

[2]黄求顺.嵌岩桩承载力的研究[A].中国建筑学会地基基础学术委员会论文集[C].1992

[3]陈依木.关于嵌岩桩承载力的探讨[J].福建建设科技.1999

[4]建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）[S].中国建筑工业出版社

[5]建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）[S].中国建筑工业出版社

[6]公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）[S].人民交通出版社

[7]赵明华.土力学与基础工程[M].武汉工业大学出版社