岩层设承力盘的DX嵌岩桩承载特性模型试验_武鹏.pdf

文章编号：1673-0291（2023）03-0026-09DOI：10.11860/j.issn.1673-0291.20220087第 47 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.47 No.3Jun.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY岩层设承力盘的 DX嵌岩桩承载特性模型试验武鹏 1，张德华 2，刘勇 2，李航 2，王玉超 2（1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100048；2.北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044）摘要：针对 DX嵌岩桩承载特性研究相对比较滞后的问题，通过设置 4组模型试验，分别研究嵌岩深度、承力盘盘径比、承力盘盘位对桩极限承载力、桩顶沉降的影响，并结合 DX 嵌岩桩与直孔嵌岩桩承载特性对比，对 DX 嵌岩桩承载力影响因素及承载机理进行分析.研究结果表明：承力盘盘径对 DX 嵌岩桩的承载特性影响最为显著，最优盘径比为 2.53.0；竖向荷载作用下，DX 嵌岩桩是一种摩擦端承桩，在荷载增加的过程中，DX 嵌岩桩承力盘盘上侧摩阻力、盘阻力、盘下侧阻力、端阻力依次发挥作用；同等桩长，岩层设置承力盘的 DX 嵌岩桩承载特性优于同等条件的直孔嵌岩桩，DX嵌岩桩的承载力约为直孔嵌岩桩的 1.51.7倍，且沉降控制效果更佳.关键词：岩土工程；DX嵌岩桩；极限承载力；嵌岩深度；模型试验中图分类号：TU473 文献标志码：AModel test on bearing characteristics of DX rock-socketed pile with bearing plate in strataWU Peng1,ZHANG Dehua2,LIU Yong2,LI Hang2,WANG Yuchao2（1.China Highway Engineering Consultants Corporation,Beijing 100048,China；2.Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）Abstract:The research on the bearing characteristics of DX rock-socketed piles is relatively limited.In this study,four sets of model tests are conducted to examine the effects of rock-socketed depth,bearing disk diameter,and bearing disk position on the pile s ultimate bearing capacity and pile top settlement.By comparing the bearing characteristics between DX rock-socketed piles and straight-hole rock-socketed piles,the influencing factors and bearing mechanism of DX rock-socketed piles are analyzed.The results show that the bearing disk diameter has the most significant impact on the bearing characteristics of DX rock-socketed piles,and the optimal disk diameter ratio is 2.53.0.Under vertical load,DX rock-socketed piles act as friction end-bearing piles.During the load increase process,DX rock-socketed piles play different roles in turn,including upper lateral friction resistance,disk resistance,lower lateral resistance,and end resistance.The bearing capacity of DX rock-socketed piles with the same pile length and bearing disk is superior to that of straight-hole rock-socketed piles under the same conditions.The bearing capacity of DX rock-socketed piles is about 1.5 to 1.7 times higher 收稿日期：2022-06-28；修回日期：2022-12-13基金项目：国家自然科学基金（51478035）；国家重点研发计划（2019YFC1509700）Foundation items:National Natural Science Foundation of China（51478035）；National key R&D Plan（2019YFC1509700）第一作者：武鹏（1993），男，内蒙古乌兰察布人，工程师，硕士.研究方向为基础工程，隧道与地下工程.email：.引用格式：武鹏，张德华，刘勇，等.岩层设承力盘的 DX嵌岩桩承载特性模型试验 J.北京交通大学学报，2023，47（3）：26-34.WU Peng，ZHANG Dehua，LIU Yong，et al.Model test on bearing characteristics of DX rock-socketed pile with bearing plate in strata J.Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（3）：26-34.（in Chinese）武鹏等：岩层设承力盘的 DX嵌岩桩承载特性模型试验第 3 期than that of straight-hole rock-socketed piles,and the settlement control effect is better.Keywords:geotechnical engineering；DX rock-socketed pile；ultimate bearing capacity；rock-socketed depth；model test嵌岩桩的承载机理主要受到岩体特性、桩-岩界面、嵌岩深度的影响，还随着荷载大小与时间而变化.国内外学者对嵌岩桩承载机理的研究，主要利用理论、试验、工程实践等手段分析不同嵌岩深度下土侧摩阻力、桩岩侧阻力以及桩端阻力三者相互耦合作用机制.史佩栋1通过分析试桩的现场实测数据，认为当嵌岩深度小于 1倍桩径，端阻力起主要作用，嵌岩桩为端承桩，随着桩长的增加，桩岩侧摩阻力占比逐渐超过端阻力.张建新等2依托静载试验、小比例模型试验，发现嵌岩桩应按照端承摩擦桩进行处理；当桩强度高时，桩端发生刺入破坏.当岩体较低时，桩体形成大的塑性变形，发生桩的屈服破坏.赵明华等3-5基于剪胀效应的桩侧摩阻力两级线性软化模型，从理论上推导出嵌岩深度、岩石强度、桩径是影响嵌岩桩承载机理的主要因素.李丹等6通过三级阶梯型变截面嵌岩桩的模型试验研究，认为在竖直荷载作用下嵌岩桩的嵌岩比对桩体轴力分配有着较为显著的影响.张德华等7-8通过 DX 嵌岩桩抗拔静载试验，建立了适用于 DX 嵌岩桩极限承载力双曲线理论模型.上述研究中对嵌岩桩在不同嵌岩深度、桩径、岩石强度等因素影响下的承载机理进行了系统介绍，但 DX嵌岩桩是在钻孔后，向孔内使用专用 DX旋挖挤扩装置，通过液压系统控制该装置的挤扩臂的旋挖和扩招，按承载力要求和地层条件在桩周土不同位置旋挖挤扩出上下镜像的圆台状承力盘腔后，放入钢筋笼，灌注混凝土，形成由桩身、承力盘和桩端共同承载的桩型，由于承力盘的存在，其承载特性也变得相对复杂.DX 嵌岩桩承载时，不仅受到岩体特性、桩-岩界面、嵌岩深度等因素的影响，承力盘位置、盘径比的影响也是 DX 嵌岩桩不可忽略的重要因素.DX嵌岩桩的承载特性是不同桩径、盘径、嵌岩深度耦合作用下的侧阻力、盘阻力以及桩端阻力的分配问题.根据 Dykeman 等9-11的研究成果，小比尺模型试验具有可重复性强，易于量测等多方面的优点，比较适于研究嵌岩桩承载特性.本文将通过设置 4 组模型试验，对不同嵌岩深度、承力盘盘径比、承力盘盘位等影响因素下 DX 嵌岩桩极限承载力、桩顶位移、桩身轴力等变化规律进行研究，揭示 DX 嵌岩桩承载机理，并通过横向对比 DX 嵌岩桩与传统直孔嵌岩桩（ZK 嵌岩桩）承载特性，进一步明确 DX 桩承载特点，为 DX 嵌岩桩设计施工提供有效技术参数和理论指导.1 模型试验1.1 模型试验方案模型试验旨在通过控制变量法探究 DX 嵌岩桩的承载机制，共设置 4组试验（18根桩）.第 1 组试验研究嵌岩深度对 DX 嵌岩桩承载力的影响，共设置 5根模型桩，编号分别为 DX1、DX2、DX3、DX4、DX5，桩 长 分 别 为 650、700、750、800、850 mm，嵌入强风化岩深度分别为 250、300、300、300、300 mm，嵌入中风化岩深度分别为 0、0、50、100、150 mm，DX1、DX2 桩端持力层位于强风化岩中，DX3、DX4、DX5 桩端持力层位于中风化岩中.桩径均为 30 mm，承力盘均设置于强风化岩中，盘径均为 75 mm，盘高均为 40 mm，如图 1所示.第 2 组试验研究盘径比对 DX 嵌岩桩承载力的影响，共设置 5 根模型桩，编号分别为 1.5D、2.0D、2.5D、3.0D、3.5D，盘径比分别为 1.5、2.0、2.5、3.0、3.5，桩长均为 650 mm，桩径均为 30 mm，盘高均为40 mm，如图 2所示.第 3 组试验研究承力盘位置对 DX 嵌岩桩承载力的影响，共设置 3 根模型桩，编号分别为 DX 上、DX 中、DX 下，承力盘分别位于强风化岩上部（靠近图 1改变嵌岩深度的 DX嵌岩桩试验方案（单位：mm）Fig.1Test scheme for changing rock-socketed depth of DX Rock-socketed piles（Unit：mm）27北京交通大学学报第 47 卷黏土层），强风化岩中部，强风化岩下部（靠近中风化岩），桩长均为 700 mm，桩径均为 30 mm，盘径均为75 mm，盘高均为 40 mm，如图 3所示.第 4 组试验设置直孔嵌岩桩对照组，通过横向对比研究 DX 嵌岩桩承载特性，共设置 5 根桩，编号分别为 ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5，桩长分别为 650、700、750、800、850 mm，嵌入强风化岩深度分别为250、300、300、300、300 mm，嵌入中风化岩深度分别为 0、0、50、100、150 mm，桩径均为 30 mm，如图 4所示.1.2 模型试验相似比及模型桩原型桩依托于广西防城港钢铁原料厂试桩项目12，现场试桩桩长为 2531 m，桩径 0.60.8 m，盘径 1.42.05 m，考虑试验场地限制及加载设备的条件、采用几何相似比 Cl=30 作为控制条件.本次模型试验桩长为 650850 mm，桩径 d=30 mm.结合文献 11，试验中试桩采用空心铝管，模型桩外径 D=30 mm，壁厚=3 mm，弹性模量为 E=40 GPa，为了便于应变片及导线的布设，在模型桩沿桩长方向预留了直径 0.5 mm 孔洞，如图 5所示.1.3 地层模拟结合原型桩施工情况，模型试验共设置 3 层土样，从上往下依次为 300 mm 厚黏性土层、300 mm厚强风化岩层、200 mm 厚中风化岩层.因各试验参数一般很难达到完全相似，地层模拟采用近似相似作为控制条件，以单轴抗压强度控制.根据相似理论确定地层相似指标：重度相似比 C=1、抗压强度相似比 C=30、弹性模量相似比 CE=30、黏聚力相似比 CC=30、内摩擦角相似比 C=1、黏聚力相似比C=1.黏性土从工地取样，原型桩试桩地层参数如表 1所示.图 3改变承力盘嵌岩位置的 DX嵌岩桩试验方案（单位：mm）Fig.3Test scheme for changing rock-socketed place of DX Rock-socketed piles（Unit：mm）图 4直孔嵌岩桩模型试验方案（单位：mm）Fig.4Test scheme for straight hole rock-socketed piles（Unit：mm）图 5模型桩实物图Fig.5Photo of model pile表 1原型桩试桩项目地层参数Tab.1 Strata parameters of prototype pile test project岩土层天然密度/（kg/m3）黏聚力/kPa内摩擦角/()单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa黏性土1.56304513190.20.02强风化泥质粉砂岩2.1580318124.0中风化泥质粉砂岩2.351203722359.4图 2改变盘径比的 DX嵌岩桩试验方案（单位：mm）Fig.2Test scheme for changing plate size of DX Rock-socketed piles（Unit：mm）28武鹏等：岩层设承力盘的 DX嵌岩桩承载特性模型试验第 3 期根据文献 9，以水泥、河砂、石膏、水按照一定配合比搅拌均匀，压实养护后可模拟弱质岩石材料.依据此原则，将水泥、河砂、石膏、水按照不同配比拌和并制作土样试样，模拟强风化岩、中风化岩如图 6所示.试样养护 3天后进行 3轴试验，同一种试样采用3种不同的围压，以确定各种配比岩体的强度参数，并与原型桩试桩地层参数对比.经过多轮试验，最终确定 T1、T2 两种配比，其中 T1 为中风化泥质粉砂岩的相似岩体，T2为强风化泥质粉砂岩的相似岩体，配比如表 2所示.试样和原状风化砂岩试样的破坏形式，均呈现脆性破坏，剪切破坏形式也均相似，如图 7所示.1.4 测量与加载试验中采集的数据有：桩顶位移、桩身各截面应变、桩端、承力盘底部及一定范围内岩体压力数据.其中，桩顶位移通过百分表测定，桩身应变通过对称布设在模型桩上的应变片采集，桩身预留孔洞，应变片连接线穿入桩身由靠近桩顶预留孔统一穿出接应变仪采集.桩端及承力盘土压力由预埋附近定制的大量程微型土压力盒采集，模型试验加载整体布置如图 8所示.在开始加载前，首先进行调平反力架，安装百分表、压力传感器及液压千斤顶等装置，之后再将应变片、土压力盒的接线分别按照 1/4 桥和全桥连接到应变仪.开始测量前，应预热应变仪 20 min 并进行调试.加载过程采用快速维持荷载法，如图 9 所示.试验前根据文献 13-14 中静载试验要求，桩极限承载力通过荷载-沉降（Q-s）曲线确定，试验前通过数值模拟估算不同单桩最大承载力，试验中根据试验结果及时调整预估承载力，将预计的最大荷载分为10级，每级荷载的维持时间为 1 h.2 DX嵌岩桩承载力影响因素分析2.1 嵌岩深度对 DX嵌岩桩承载力的影响嵌岩深度对 DX 嵌岩桩承载力的影响试验 Q-s曲线和承载特性曲线如图 10所示，由图 10可知：1）不同嵌岩深度的 DX嵌岩桩的 Q-s曲线均为缓变型.图 6土样制作流程图Fig.6Production process of soil sample表 2试验桩配比结果Tab.2 Test pile ratio results土样编号砂胶比水泥石膏密度/（kg/m3）黏聚力/kPa内摩擦角/（）抗压强度/MPa弹性模量/GPaT16 11 12.30230360.7300.3T212 11 12.05109300.4200.1图 7不同围压下岩样的抗压破坏形态Fig.7Failure patterns of rock samples under different confining pressures图 8模型试验加载整体布置Fig.8General arrangement drawing of model test loading图 9模型试验加载Fig.9Model test loading29北京交通大学学报第 47 卷2）随着嵌岩深度的增加，其极限承载力逐步增大，分别约为 7.3、7.7、8.2、8.6、8.9 kN.以 DX1 嵌岩桩为基准，依次增加 1倍桩径的嵌岩深度，极限承载力分别增加 5.4%、12.2%、18.7%、22.4%，极限承载 力 对 应 的 沉 降 减 少 7.7%、12.3%、15.38%、19.2%.可知对于 DX嵌岩桩，增加嵌岩深度，其承载能力虽然有一定提升，但提升效果不显著.2.2 盘径比对 DX嵌岩桩承载力的影响盘径比 d 对 DX 嵌岩桩承载力的影响试验 Q-s曲线和承载特性曲线如图 11所示，由图 11可知：1）当盘径比小于 2 时，DX 嵌岩桩的 Q-s 曲线类似于直孔嵌岩桩曲线，Q-s 曲线存在明显的反弯点，并且加载到最终荷载时，其沉降较大.可知承力盘过小，不能充分发挥作用，逐步增大承力盘的盘径，当盘径大于等于 2 时，DX 嵌岩桩的 Q-s 曲线变为缓变型.2）增大承力盘盘径比，对 DX 竖向承载力提升明显，当盘径比为 1.5 时，DX 嵌岩桩极限承载力约为 6.5 kN，其对应的桩端沉降约为 12.5 mm；盘径比为 2.0 时，DX 嵌岩桩极限承载力约为 7.1 kN，其对应的桩端沉降约为 9 mm；盘径比为 2.5时，DX 嵌岩桩极限承载力约为 8.1 kN，其对应的桩端沉降约为6.2 mm；盘径比为 3.0 时，DX 嵌岩桩极限承载力约为 9 kN，其对应的桩端沉降约为 3.2 mm；盘径比为3.5 时，DX 嵌岩桩极限承载力约为 10.8 kN，其对应的桩端沉降约为 2.52 mm.3）加载至极限承载力时，盘径比分别为 1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 的 极 限 沉 降 值 分 别 为 12.5 mm、9.0 mm、6.2 mm、3.2 mm、2.5 mm，较前一级的递减量分别为 3.5 mm、2.8 mm、3.0 mm、0.7 mm.可知当盘径大于 2.5时，进一步增大盘径比，对承载能力提升并不明显，考虑到施工难度以及材料消耗，建议DX嵌岩桩最佳盘径比宜为 2.53.0.2.3 承力盘位置对 DX嵌岩桩承载力的影响承力盘位置对 DX 嵌岩桩承载力的影响试验Q-s曲线如图 12所示，由图 12可知：1）DX 嵌岩桩承力盘位于强风化岩层时，无论DX 嵌岩桩的承力盘位于强风化岩上部、靠近砂土层（DX 上），强风化岩中部（DX 中），以及强风化岩下部、靠近中风化岩（DX 下），Q-s 曲线均呈现明显的缓变趋势，可知只要当承力盘位于岩层中，DX 嵌岩桩承力盘承载性能便能较充分地发挥.2）DX 下曲线呈现更明显的缓变形状，即承力图 11盘径比对 DX嵌岩桩承载力的影响Fig.11Influence of disk diameter ratio on bearing capacity of DX rock-socketed pile图 10嵌岩深度对 DX嵌岩桩承载力影响Fig.10Influence of rock-socketed depth on bearing capacity of DX rock-socketed pile30武鹏等：岩层设承力盘的 DX嵌岩桩承载特性模型试验第 3 期盘位置越接近中风化砂岩，其承载性能越好.3）当承力盘设置于强风化岩表层时，同等荷载沉降大于承力盘设置于强风化岩中部的试桩，但进一步增加承力盘嵌岩深度，DX中和DX下Q-s曲线基本重合，增加嵌岩深度意义不大.DX嵌岩桩承力盘周围土体较好时，有利于承力盘盘阻力的发挥，因此，承力盘设置在强风化岩一定深度，此时能较经济地发挥DX嵌岩桩的优势，文献 15 也映证了此结论.综合比较嵌岩深度、承力盘盘径比、承力盘盘位3个承载力影响因素，盘径比对 DX 嵌岩桩承载特性的影响最为显著，对于 DX 嵌岩桩，在强风化砂岩层设置合理盘径的承力盘，其效果优于将桩端嵌入中风化岩.3 直孔嵌岩桩承载特性分析3.1 DX嵌岩桩与直孔嵌岩桩 Q-s曲线对比嵌岩深度对 DX 嵌岩桩、ZK 嵌岩桩承载力的影响试验 Q-s曲线如图 13所示，由图 13可知：1）直孔嵌岩桩 Q-s 曲线存在明显的反弯点，DX 嵌岩桩 Q-s曲线呈现缓变型，DX 嵌岩桩承载特性明显优于直孔嵌岩桩.2）对于直孔嵌岩桩，桩端嵌入中风化岩层后，承载力有明显提升，因此，直孔嵌岩桩增大桩长，使桩端嵌入中风化岩是有利的.而对于 DX 嵌岩桩，增大桩长，因为承力盘的强力承载作用，对承载力提升作用有限.3.2 DX嵌岩桩直孔嵌岩桩承载性能归一化对比DX 嵌岩桩与直孔嵌岩桩承载特性对比如图 14所示，由图 14 可知，同等条件下，DX 嵌岩桩的极限承载特性明显优于 ZK 嵌岩桩.DX1DX5 嵌岩桩的 极 限 承 载 力 分 别 为 直 孔 嵌 岩 桩 ZK1ZK5 的1.78 倍、1.79 倍、1.60 倍、1.59 倍、1.56 倍，极限承载力所对应的沉降值分别为直孔嵌岩桩的 0.596 倍、0.495倍、0.704倍、0.75倍、0.721倍.DX嵌岩桩在减小沉降的同时，有效地提高了极限承载力.同等桩长下，DX 嵌岩桩的承载力约为直孔嵌岩桩的 1.51.7倍，且沉降控制效果更佳.3.3 最佳嵌岩深度对比根据文献 13 要求，直孔嵌岩桩嵌入中风化岩3 倍为宜.将桩端只嵌入强风化岩但设置承力盘的嵌岩桩 DX1 试桩、桩端只嵌入强风化岩的直孔桩ZK1 试桩、桩端嵌入中风化岩 3 倍桩径的 ZK5 试桩Q-s曲线进行对比如图 15所示，由图 15可知：1）只嵌入强风化岩的 DX1 嵌岩桩，其承载性能优于嵌入中风化岩 3倍的直孔嵌岩桩 ZK5.2）DX 嵌岩桩的 Q-s 曲线呈现缓变型：加载过程中曲线变化平缓，未出现明显的反弯点.而嵌入中风化岩 3 倍的直孔嵌岩桩 Q-s曲线在达到极限承载力 2/3以前与 DX嵌岩桩变化类似，其后曲线突然变陡，失稳过程急剧，由此说明，DX 嵌岩桩不仅承载性能更佳，且安全储备较大，安全性好.图 12承力盘位置对承载力影响 Q-s曲线Fig.12Q-s curves of DX Rock-socketed positions of DX Rock-socketed piles图 13DX/ZK 嵌岩桩对比 Q-s曲线Fig.13Q-s curves of DX Rock-socketed piles and straight hole rock-socketed piles图 14DX/ZK 嵌岩桩承载特性随嵌岩深度变化Fig.14Bearing characteristics of DK and ZK rock-socketed pile changing with rock-socketed depths31北京交通大学学报第 47 卷4 DX嵌岩桩承载机理分析4.1 DX嵌岩桩承载机理分析对于普通摩擦桩而言，桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体.在轴向荷载作用下，桩身产生弹性压缩，桩与桩周土体紧密接触.当桩相对于岩土体向下位移时，岩土体对桩产生向上的桩侧摩阻力.在桩顶荷载沿桩身向下传递过程中，需不断克服这种阻力，桩身截面轴向力随深度增加逐渐减小.桩端阻力为桩顶荷载与全部桩侧摩阻力之差.对于 DX 嵌岩桩，因承力盘的存在，桩顶荷载将通过桩侧阻力、承力盘阻力和桩端阻力将荷载传递给土体.桩顶荷载减去全部桩侧阻力，将与桩端阻力与承力盘提供的阻力相平衡.4.2 DX嵌岩桩桩身轴力分析在试验过程中通过应变仪记录桩身应变片采集的应变数据，结合模型桩弹性模量，换算得 DX 嵌岩桩桩身轴力如图 16所示，由图 16可知：1）随着埋深的增加，桩体的轴力逐渐减小，经过承力盘的位置时，桩体轴力骤减，在轴力图上表现为出现台阶状的变化，说明在 DX 嵌岩桩的竖向承载过程中，设置于岩体中的承力盘承担荷载比例较大，盘阻的作用显著.2）当竖向荷载逐步施加于 DX 嵌岩桩桩顶时，承力盘上部桩身受到压缩而产生相对于土的向下位移，桩侧土抵抗桩侧表面向下位移，产生向上的桩侧摩阻力，此时桩顶荷载通过桩侧表面的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度递减.3）当桩顶荷载较小时，桩身压缩主要集中在桩的上部，桩侧上部土的摩阻力得到逐步发挥，此时在承力盘桩身中下部桩土相对位移等于零处，其桩侧摩阻力尚未开始发挥作用，其值等于 0.4）随着桩顶荷载增加，承力盘上部桩身压缩量和桩土相对位移量逐渐增大，承力盘盘阻力随之逐步发挥，桩端土层也因桩端受力被压缩而逐渐产生桩端阻力；当荷载进一步增大，桩顶传递到承力盘和桩端的力也逐渐增大，桩端土层的压缩也逐渐增大，而桩端土层压缩和桩身压缩量加大了桩土相对位移，从而使桩侧摩阻力进一步发挥出来.当承力盘上部的桩侧摩阻力几乎全部发挥达到极限后，若继续增加桩顶荷载，其新增的荷载增量将全部由盘阻力及桩端阻力来承担.此时桩顶荷载取决于承力盘特性及桩端岩土层的极限端承力.当承力盘盘周土体或桩端持力层产生破坏时，桩顶位移急剧增大，且承载力快速降低，此时表明桩已破坏.4.3 DX嵌岩桩承载力分布随桩顶荷载变化规律以第 1 组 DX2 试桩为例，DX 嵌岩桩侧阻力、盘阻力及端阻力随桩顶荷载变化如图 17所示.根据桩侧摩阻力、盘阻力、端阻力发挥的次序，DX 嵌岩桩的承载过程可分为近似弹性阶段、塑性加速阶段和失稳破坏阶段 3个阶段.图 15不同嵌岩深度 DX1、ZK1、ZK5嵌岩桩 Q-s曲线对比Fig.15Q-s curves of DX1、ZK1 and ZK5 piles with different rock-socketed depths图 16DX嵌岩桩桩身轴力变化图Fig.16Axial force of DX rock-socketed piles图 17DX2盘阻力、侧摩阻力、端阻力承载变化Fig.17Plate resistance,side friction,and tip resistance variation of DX2 pile under vertical load32武鹏等：岩层设承力盘的 DX嵌岩桩承载特性模型试验第 3 期1）近似弹性阶段的范围为开始加载至极限荷载 50%55%的过程.此时，侧阻力、盘阻力、端阻力随荷载增长均呈线性趋势，盘阻力略大于侧摩阻力，侧摩阻力大于端阻力，在 Q-s 曲线上表现为斜率恒定的直线.试验表明：试桩 DX1DX5 桩盘阻力、侧摩阻力、端阻力占总承载力比重分别约为 41.08%42.28%、21.58%22.68%、35.05%37.33%，可知桩侧阻力及盘阻力首先发挥，且盘阻力增长较快，盘阻力的发挥需要的位移较侧摩阻力较小.此时卸载，位移基本可以恢复，桩土整体处于弹性阶段.2）随着荷载的进一步增加，土体中的侧摩阻力不再增加，当位移的进一步增大后，侧摩阻力达到峰值，此后随着位移进一步增大，侧摩阻力缓慢减小.盘阻力在前期与侧摩阻力同步增加，侧摩阻力达到峰值后衰减，盘阻力有一个小的跃迁过程，随后与端阻力同步增加，共同承担荷载.在 Q-s曲线上表现为斜率增大，此阶段位移的增加快于荷载的增加.卸载后，桩顶产生的位移不能够完全恢复，此阶段为塑性加速阶段.3）继续增加荷载，承力盘盘周土体或桩端持力层岩体发生破坏，桩顶位移急剧增加，桩基发生失稳破坏，Q-s 曲线出现较明显的拐点，荷载增加一级，位移急剧增加，此阶段为失稳破坏阶段.设置于强风化岩岩层的承力盘承载，可有效减小端阻力.端阻力在加载初期较小，占总承载力比重约 20%；当加载至极限荷载的 40%时，端阻力增长速度超过侧阻力，随荷载增大呈线性规律.加载后期，侧阻力基本不再增加，荷载主要由承力盘、桩端来承担，承力盘、桩端附近应力集中加剧，盘上出现拉伸塑性区，桩端、盘周剪切塑性区迅速发展.达到设计的极限荷载时，盘阻力占总承载力超过总荷载的一半，因此，DX嵌岩桩为摩擦端承桩.5 结论1）DX 嵌岩桩承载力影响因素中，承力盘盘径比对 DX 嵌岩桩承载特性的影响最为显著，综合考虑经济效益及施工难度，建议 DX 嵌岩桩盘径比为2.53.0.2）DX 嵌岩桩承载特性明显优于直孔嵌岩桩.同等条件下，DX 嵌岩桩的承载力约为直孔嵌岩桩的 1.51.7 倍，且沉降控制效果更佳.对于 DX 嵌岩桩，在强风化砂岩层设置合理盘径的承力盘，其效果优于将直孔嵌岩桩桩端嵌入中风化岩层中.3）在竖向荷载的作用下，DX 嵌岩桩是一种摩擦端承桩，DX 嵌岩桩的承载过程可分为近似弹性阶段、塑性加速阶段和失稳破坏阶段 3个阶段.在近似弹性阶段，荷载主要由侧摩阻力、盘阻力承担；在塑性加速阶段，侧摩阻力出现软化效应，盘阻力、端阻力迅速承载.在失稳破坏阶段，新增加的荷载全部由盘阻力、端阻力承担.承力盘、桩端附近应力集中加剧，位移急剧增加，桩体发生失稳破坏.在工程中利用 DX 嵌岩桩近似弹性阶段、塑性加速阶段承载，可充分发挥 DX 嵌岩桩承载力高、控制变形效果佳的特点.参考文献（References）：1 史佩栋，梁晋渝.嵌岩桩的竖向承载力 J.工业建筑，1993，23（7）：3843.SHI Peidong，LIANG Jinyu.Bearing capacity of rock-socketed piles under vertical load J.Industrial Construction，1993，23（7）：3843.（in Chinese）2 张建新，吴东云，杜海金.嵌岩桩承载性状和破坏模式的试验研究 J.岩石力学与工程学报，2004，23（2）：320323.ZHANG Jianxin，WU Dongyun，DU Haijin.Testing study on bearing behaviours and failure mode of rock-socked pileJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（2）：320323.（in Chinese）3 赵明华，曹文贵，刘齐建，等.按桩顶沉降控制嵌岩桩竖向承载力的方法 J.岩土工程学报，2004，26（1）：6771.ZHAO Minghua，CAO Wengui，LIU Qijian，et al.Method of determination of vertical bearing capacity of rock-socketed pile by the settlement of pile topJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26（1）：6771.（in Chinese）4 赵明华，雷勇，刘晓明.基于桩-岩结构面特性的嵌岩桩荷载传递分析 J.岩石力学与工程学报，2009，28（1）：103110.ZHAO Minghua，LEI Yong，LIU Xiaoming.Analysis of load transfer of rock-socketed piles based on characteristics of pile-rock structural planeJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and 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