浅析嵌岩桩设计.doc

嵌岩桩设计
一、概述
嵌岩桩以其桩端嵌入岩层而得名。其在我国已广泛应用与建筑、市政、桥梁工程，港口码头工程等工程领域。由于嵌岩桩的承载现状及设计施工方法的特殊性，近年来备受我国工程界和学术界的高度关注，纷纷立题进行研究。
人们传统的观念和国内外许多教科书及规范（如《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002）都曾把嵌岩桩作为端承桩的典型。许多国家规范规定当桩端嵌入完整的硬质岩层时，按桩端岩石的承载力计算单桩承载力，而不考虑其桩侧阻力。然而大量的试验研究工作表明，很多情况下增加嵌岩深度及扩大端承面积无助于调动基岩的端承作用，却更加使得施工难度增加，工程造价增大，且工期延长。因此对嵌岩桩受力机理的探讨及研究显得非常的必要。

二、嵌岩桩的主要类型
根据近十多年来施工工艺及设备的不断发展，目前在建筑、市政、公路桥梁、港口码头等工程领域，所应用的嵌岩桩大致可分为：

而作为建筑工程中广泛采用的为等直径的人工挖孔或钻孔灌注桩以及带扩大头的人工挖孔桩。
三、嵌岩桩受力基本特性
国外嵌岩桩的应用与研究开展的比较早。Reese等于1668年发表了世界上比较早的一根埋设量测元件的嵌岩桩桩顶荷载随深度变化的试验报告，该报告中桩长5.5米，桩径0.76米，长径比L/d=11.7，嵌岩深度hr=4.2d(d为桩径)，持力层为岩土页岩，实测结果表明：桩端反力约占总荷载的15 ~25%。美国自由广场一号楼下的一根L=8.8m，L/d=3.4，嵌岩深度hr=1.65d的嵌岩桩，从成桩至上部结构竣工后持续两年多的观测表明：在不同的荷载水平下，桩顶始终有60%~70%的荷由桩侧承担，国内对嵌岩桩承载性能的研究开始于上个世纪七十年代，在四川某桥梁工地实测的一根桩径0.6m，桩嵌入砂质粉土页岩3米，无覆盖层的荷载传递曲线表明，该桩侧阻在总荷载中所占比例为88%，而桩端阻力仅为12%。80年代广东洛溪大桥嵌岩桩进入泥质砂岩3.0米，桩长28.5米，桩径1米，实际测得桩端荷载在总荷载中所占比例为11%。
嵌岩桩的承载和变形性状受到许多因素的影响，十分复杂，通过国内外大量试桩资料的分析，可以将嵌岩桩的承载性能的基本特征归纳为如下几个方面：
1) 在通常情况下，当L/d<20时，Q端/Q总自100%减少到30%；当20不深（例如hr/d<0.5）桩底沉渣已被清除，这类桩受荷后桩身弹性压缩小，桩土相对位移和桩身整体位移都较小。
b)桩虽长，但覆盖土层性质差或受水位冲刷等影响，潜在的摩阻力小，残积土或风化岩层厚度小，桩端嵌岩不深，而施工沉渣清除较好，这类桩受荷后桩端产生少量位移即能调动桩端阻力，故承担大部分桩端荷载。
c)桩虽较长，但覆盖层为嵌固结土，湿陷性黄土或松散填土并且将产生负摩阻力的情况。
图-6表示嵌岩桩的荷载传递曲线，从图中可以看出无论是嵌入强风化还是嵌入新鲜岩中的桩，桩身荷载（轴力）约随深度递减，这表明基岩以上覆盖土层的侧阻力在桩身变形中同样可以被调动起来。

图-6 嵌岩桩的荷载传递曲线
a)嵌入强风岩；b)嵌入新鲜基岩

4）对于嵌岩桩光滑的嵌岩桩，嵌岩段侧阻力在较小的位移就可以充分发挥，在hr=0.5时达到最大，嵌岩段侧阻的传递深度不大于5d，固而规范中也明确表示嵌岩深度大于5d无助于承载力的提高。当嵌岩段粗糙时，嵌岩段侧阻力发挥较为平稳，侧阻力传递深度较大，不出现明显的脆性破坏，承载力显著提高，沉降明显减少。
5）尽管一般情况下嵌岩桩明显地表现为摩擦桩的工作现状，但由于其桩端持力层强度较高，因而群桩效应不明显。

四、影响嵌岩桩承载性能的因素
影响嵌岩桩承载性能的因素是多种多样的，并且各种因素的作用往往并不独立，而是结合在一起发挥作用，这就使得嵌岩桩的承载性能变化更为复杂。影响嵌岩桩承载性能的因素总体上可归纳为：
①桩的嵌岩深度
②桩的直径
③桩端岩石和桩侧岩石的模量
④桩侧岩石的粗糙度
⑤桩底沉渣的厚度
⑥岩石的节理发育情况
⑦岩体中的应力水平
1） 桩的嵌岩深度对于承载力的影响。
首先，嵌岩深度影响嵌岩桩侧阻力的分布模式和嵌岩桩的破坏形式。若嵌岩深度较浅，则桩端将形成楔形破坏面，同时，桩端发生位移及旋转，若嵌岩桩深度较深，则桩端发生锥形破坏面，相对而言，桩的承载力的后续潜力较大。其次，嵌岩深度直接影响承载力的大小。根据试验的资料，嵌岩桩侧阻系数的发挥与嵌岩深度比hr/d有直接关系，现行桩基规范中hr/d=2.0，侧阻力发挥最大，而随着嵌岩深度的增加，侧阻力又趋减少，但这仅是一般情况，实际上对不同的桩型及岩层，嵌岩深度对侧阻力的影响规律不尽相同，对深长桩而言，嵌岩深度对承载力影响减小，而对上部土层较差，桩长较短时，其影响程度更大一些。
2） 桩直径的影响
从桩的承载力公式中可以看出，增大桩径对提高桩的承载力是有益的，对嵌岩桩也是如此，但由于桩径的增大，承载力的增加仅在一定的范围，当桩径加大到一定程度，承载力增加不明显或增加比例减少，其原因在于随着桩径增加，桩侧岩土的应力释放加大，导致桩侧阻力下降，从而导致桩侧阻力没有按比例同步增加，因此在设计大直径桩时应予注意。
3) 岩石模量对嵌岩桩承载力的影响
岩石与桩的模量比愈大，其承载力愈高，承载力与其比值的对数大致呈直线关系。模量的比值也影响桩侧与桩端承载力的比值分配，对岩石模量较小时，桩端承担的荷载较大，其破坏不仅发生在桩侧，也发生在桩端，桩端呈现抗裂和屈服，其荷载位移关系呈明显的曲线，位移的大小可能成为承载力的控制因素，正如天然地基类似，变形是确定承载力的控制因素一样，尽管嵌岩桩总体沉降结果一般均小于20mm，但对于较软的岩层，也应注意控制桩顶的竖向位移。
4）岩石的成层性
岩石的成层性导致岩石总体强度的降低，特别较弱的夹层的有无，对桩的承载力有较大的影响，尤其是桩端以下的软弱层。现行规范要求桩端以下3倍桩径不得存在软弱层，桩端以下5～6倍桩径不得存在溶洞、洞穴等，除非计算桩端岩石能够满足抗压、抗剪及冲切和变形的要求，对于存在软弱夹层的情况，可采用现场载荷试验确定最终的端阻力。
5）桩底沉渣对承载力的影响
从实际工程的试验情况看，桩底沉渣除了降低桩端阻力之外，还要降低桩侧的阻力，这是因为桩侧阻力是由于桩与桩侧土之间的相对位移产生的，并且在桩顶不同荷载水平下自下而上逐渐发挥，当桩端无沉降时，靠近桩端处桩与桩间土之间的位移不会很大，随着作用在桩顶荷载的增加，桩侧阻力缓慢增加，而当桩端有较厚的沉渣时，随着桩顶荷载的增加靠近桩端处桩与桩端土迅速滑移，发生破坏，从而降低桩侧阻力。相对而言，桩底沉渣对短桩的影响较大， 现行的《港口工程嵌岩桩设计与施工规范》及南京的地基基础规范均要求根据沉渣厚度对桩端阻力进行折减，而现行国家规范，GB50007-2002第8.5.5条也有相关的规定，而现行桩基规范JGJ94-94中则通过对端阻系数折减来考虑沉渣厚度的影响，由此可见，沉渣厚度对承载力的影响较大。
6）影响嵌岩桩承载性状的其他因素
1、软弱下卧层对嵌岩桩的影响
一般认为其影响范围为3倍的桩端直径，持力层以下岩层厚度小于3倍桩端直径时，应进行下卧层验算。
2、孔壁粗糙度的影响
一般来说，孔壁粗糙时，桩－岩之间剪切峰值大，而孔壁光滑时，剪切峰值小；
孔壁粗糙时，峰值位移大，孔壁光滑时，峰值位移小；
孔壁粗糙时，残余后续强度大，而孔壁光滑时，残余后续强度低，一旦超过，其剪切强度迅速降低。
3、岩体应力水平与嵌岩桩承载力的影响
岩体的初始应力水平对嵌岩桩承载力的影响是可以忽略的，但在某种情况下，初始应力增大，相应桩侧阻力的峰值也会有所提高，初始应力的影响程度取决于开挖时间，混凝土浇筑时间和荷载试验进行的时间。一般说来，开挖时间和浇筑时间间隔越短，初始应力的影响就越大。

五、嵌岩桩承载力的计算比较
现在我们用南京鼓楼地块项目的桩来分析一下用不同规范计算得出的结果。
取¢1000桩径考虑 Ap=0.785m2
G1孔
土层编号
土层名称
土层厚度（m）
桩侧极限摩阻力标准值(kpa)

桩端极限端阻力标准值(kpa)
frk(kpa)
3-2
粉质粘土
7.5
52

4
残积土
2.4
70

5-1
强风化安山岩
2.6
130

5-2a
中风化安山岩
2.5
420
7700
8430
∑=15m
G9孔
土层编号
土层名称
土层厚度（m）
桩侧极限摩阻力标准值(kpa)
桩端极限端阻力标准值(kpa)
frk(kpa)
3-2
粉质粘土
2.5
52

3-3
粉质粘土
0.9
66

4
残积土
3.7
70

5-1
强风化安山岩
5.4
130

5-1a
中风化安山岩
2.5
420
7700
8430
∑=15m
建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）8.5.5-3
Ra=qpaAp+up∑qsiali
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；
Ap—桩底端横截面面积；
up—桩身周边长度；
li—第i层岩土的厚度。

高层建筑岩土工程勘察规程（JGJ72-2004）8.3.12
Qu=usqsis li + urqsir hri +qprAp
式中 Qu—嵌入中风化、微风化或未风化岩石中的灌注桩单桩竖向极限承载力（KN）；
us、ur—分别为桩身在土层、岩层中的周长（m）；
qsis、qsir—分别为第i层土、岩的极限侧阻力（KPa）；
qpr—岩石极限端阻力（KPa）；
hri—桩身全断面嵌人第i层中风化、微风化岩层内长度（m）。

港口工程嵌岩桩设计规程（JTJ285-2000）42.3
Qcd=
式中 u1—覆盖层桩身周长（m）；
u2—嵌岩段桩身周长（m）；
ξfi—桩周第i层土的侧阻力计算系数；
桩径D≤1.0米时，岩面以上的10D范围的覆盖层取0.5～0.7，10D以上的为1.0.
桩径D>1.0米时，岩面以内的10米以内范围的覆盖层取0.5～0.7
10米以上范围的覆盖层取1.0
qfi—桩周第i层土的极限侧阻力标准值（KPa）；
li—桩穿过第i层 土的厚度（m）；
frc—岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa）；
A— 嵌岩段桩端面积（m2）；
hr—桩身嵌入基岩的深度（m）；
rcs—覆盖层单桩轴向受压承载力分项系数，灌注桩取1.65；

建筑桩基技术规范（JGJ94-94）5.2.11
Quk=Qsk+Qrk+Qpk=uξsi qsik li+uξsfrc hr+ ξpfrc Ap
式中 Qsk、Qrk、Qpk—分别为土的总极限侧阻力、嵌岩段总极限侧阻力、总极
限端阻力标准值；
ξsi—覆盖层第i层土的侧阻力发挥系数；
qsik—桩周第i层土的极限侧阻力标准值,根据成桩工艺取值；
frc—岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa
hr—桩身嵌入基岩的深度（m）；
ξs、ξp—嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数，与嵌岩深径比hr/d有关，按表5.2.11采用。

南京地区地基基础设计规范（DB32/112-95）9.9.4
Quk=Qsk+Qrk+mQpk
=Uξs∑Qski Lsi+Uξsfrk hr+ m0ξsfrk Ap
式中 Qsk—土的总侧阻力，当桩径的长径比小于或等于5时，Qsk=0；
Qrk—嵌岩段岩石的总侧阻力（KN），Qrk=（1/10~1/12）Ufru hr
U—桩截面周长(m)；
fru—岩石的极限承载力标准值（KPa），可通过载荷试验确定；
hr—桩身嵌入基岩的深度（m）；
Qpk—总端阻力（KN），Qpk =frk Ap；
Ap —桩底面积（m2）；
m0—清孔影响系数。
Qski—个土层极限侧阻力（KPa）；
frk—岩石单轴极限抗压强度（KPa）；
ξs、ξr、ξp—分别为桩间土侧阻力，嵌岩段侧阻力及端阻力修正系数。

表中数值为在不同规范下计算得出的单桩承载力特征值。（单位:KN）

规范

孔号
地基基
础规范
高层建筑岩土
工程勘察规程
港口工程嵌
岩桩规程
建筑桩基
技术规范
南京地区地
基基础规范
G1孔
6079
6077
4036
3827
5683
G9孔
6479
6477
4269
4089
6123

比较一下得地基与高层岩土，由于没有系数，得出的承载力最大。另外在frc（岩石饱和单轴抗压强度标准值）与qpa （桩端岩石承载力特征值）的取值方面也存在很大人为经验性。桩基规范由于折减较多，相应的承载力偏低，而港口规范与南京规范介于两者之间，港口规范略大于桩基规范8%，南京规范略小于地基与高层岩土5%，港口与南京相差27%左右。

六、嵌岩桩承载力计算及设计要点
现行的桩基规范JGJ94-94，地基规范5007-2002，高层建筑岩土工程勘察设计规范（JGJ72-2004），港口工程嵌岩桩设计与施工规程，及一些地方规范如《南京地区地基基础设计规范》DB32/112等对嵌岩桩承载力的计算均有相关的公式及要求。
相对而言，嵌岩桩承载力考虑覆盖土层的侧阻力，嵌岩段的侧阻力及端阻力三个部分比较合理。
Q=uξb∑skiLsi+ uξrfrkhr+ mξpfrkAp
1) 公式中第一项，一般不能存在问题，如果土层较差或桩长较短，自然其所占比重较小，更多的趋向于端承桩，而港工规范还根据桩径及桩长对侧阻系数进行了相关的调整。
桩径D≤1.0米时，岩面以上的10D范围的覆盖层取0.5～0.7，10D以上的为1.0.
D>1.0米时，岩面以内的10米以内范围的覆盖层取0.5～0.7
10米以上范围的覆盖层取1.0
2）公式中第二项，各规范均有所不同。港工规范及桩基规范JGJ94-94根据嵌岩强度与桩径的比值Hr/d对嵌岩段侧阻进行调整，而南京规范则根据桩长与桩径的比值L/d对嵌岩段侧阻进行调整，而实际中这两种因素应同时存在，而南京规范主要是根据当地的土层情况及岩层特征得出更符合当地情况的经验公式，而桩基规范中由于嵌岩比hr/D对侧阻折减太多，有可能会出现嵌岩强度愈多承载力愈低的奇怪现象，这也是不尽合理，相对而言，我们认为港工规范更为合理一些，此外必须注意的是，如果桩端采用扩大头，则扩大头高度范围内的侧阻力不应考虑，这也容易理解，桩基受力时，该范围内的土层与桩身有可能出现悬空的情况。
3）公式中的第三部分，是承载力的重要组成部分，但现行规范中，关于桩端阻力的计算仍存在一些问题，并不能准确反应桩端岩石的实际受力情况。
a.根据岩石承载力计算嵌岩桩桩端阻力
按照，Qpk=ξpfrcAp进行计算时，由于frc采用的是岩石饱和单轴抗压强度标准值，首先对岩石的取样存在较大的困难，而且对破碎岩石的取样更为困难，其次位于桩端的岩石处于三向受力状态，而采用岩体试样进行实验室试验很难模拟实际的情况。最后对于遇水软化的岩体如采用岩石饱和单轴抗压强度则更为不合适，为此南京地方规程则建议采用天然湿度抗压强度进行计算比较合理
b.此外，也可根据岩石的风化程度确定岩石承载力（高层建筑岩土工程勘察规程JGJ72-2004及国家地基规范GB50007-2002），但这是一项经验性非常强的工作，只能作为辅助方法，且具有较强的地方经验色彩，且人为的因素的影响较大。
c.相对而言，对frc采用地基规范附录H的试验法，采用深层载荷试验则更加符合实际的受力情况，采用载荷试验的结果与岩石单轴抗压强度的结果有时会相差好几倍，我们认为荷载试验的结果更为合理。
最后，对岩石桩端承载力的取值，应考虑场地地下水及施工条件的影响，水软化及只能水下浇注砼的情况，其承载力应予以折减，或采用后注浆等辅助措施，对采用人工挖孔等方式成桩，应注意采用高强度早强水泥对桩底岩石进行及时封堵，避免岩石的遇水软化而影响强度，同时进行荷载试验的条件与实际施工的工作条件应该一致。还有一点必须值得注意的是，对桩端岩性的确认及对软弱夹层的关注，桩端岩性应由勘察单位进行确认，并封闭岩石样本备查，对承载力较大的桩体应进行逐根施工勘察，勘察深度应深入持力层标高以下5～8d，对不符合上述持力层厚度时，应采用现场载荷试验，确定是否继续深入软弱层以下，对于岩性较好，限于加载能力，加载试验应增加到不少于设计要求承载力的两倍。

七、嵌岩桩设计的构造要求
1、嵌岩桩的端部应嵌入中等风化或微风化基岩中，其最小嵌入深度不宜小于0.5m，一般不宜超过5倍桩径。对于极软岩石（单轴极限抗压强度小于5MPa），可根据单桩承载力的要求适当加深嵌岩深度。
2、嵌岩桩嵌入岩石的部分（包括强风化基岩），浇灌的混凝土应与岩层紧密相连，对于挖孔桩，当挖至设计要求的持力层时必须及时使用混凝土封底，以免岩体侵水软化。对于钻孔桩，达到设计嵌岩深度后应及时清孔，桩底沉渣厚度不应超过50mm。
3、嵌岩桩桩底以下存在软弱夹层、破碎带或溶洞时，桩底下支撑岩层的厚度为直径的3倍且不小于2m，否则应对支撑岩层的强度进行验算。
4、灌注型嵌岩桩嵌岩段的直径与配筋，应根据桩的受力状况确定，主筋宜采用变形钢筋且不小于14mm，截面积应计算确定，且配筋率不宜小于0.4%，根数不宜小于12根应沿周长均匀通常布置，当嵌岩孔径小于桩径时，嵌岩段主筋伸入上部桩内的长度不应小于35倍主筋直径，同样桩内主筋应锚入承台35倍主筋直径，箍筋宜采用Ⅰ级钢，直径不应小于6mm，间距应为200~300，在岩面上下1000范围内箍筋间距不应大于60mm，宜采用螺旋或焊接环式箍筋，并宜每隔2m左右焊接一道加强箍筋，其直径不宜小于16mm。
5、一般嵌岩桩的混凝土强度不低于C30，主筋的混凝土保护层厚度不小于35mm，水下灌注桩混凝土不得小于50mm。
6、扩底灌注桩扩底端尺寸宜按下列规定（见图-7）
当持力层承载力低于桩身混凝土受压承载力时，可采用扩底，扩底端直径与桩身直径比D/d，应根据承载力要求及扩底端部侧面和桩端持力层土性确定，最大不超过3。
扩底端侧面的斜率应根据实际成孔及支护条件确定，a/hc一般取1/3~1/2，砂土取约1/3，粉土、粘性土取约1/2，矢高hb取（0.1~0.5）D。

图-7

八、桩的承载力检测
长期以来，单桩静载试验一直被认为是确定桩承载力的可靠办法，但由于一般嵌岩桩承载力很高，而柱下或墙下布置的桩数很少，所以不具备采用锚桩法试桩的条件，因此只能采用堆载法进行试桩，而堆载法对大承载力的嵌岩桩是既不安全也不经济的，特别是对于地下室承台以下的桩采用人工挖孔桩时更无操作的可能，而现行地基基础规范又要求对施工完成后的桩进行承载力检测，这就要求采用较为合理的试桩方法进行承载力检测。根据国内外的资料，自平衡法（Osterberg）（见图-8）可作为大承载力试桩的可行方法，其试桩方法有以下特点：
加压装置简单、试桩方便、费用低廉，既节约时间空间又具有较好的操作性，近年来已在国内外得到的推广及应用。

图-8 打入式钢管桩中Osterberg试桩法的装置
1-活塞；2-箱壁；3-盖顶；4-输压竖管；5芯棒；6-钢管桩；7-基准粮；
8、9、10-千分表；11-密封圈；12-压力表；13-输压横管
其试桩原理是通过设置在桩身中一定位置的液压，千斤顶的荷载箱（一般设置在桩的中下部，根据土层条件情况）对桩的上下部进行加压，通过上下段桩的侧阻力及下段桩的桩端力及部分桩侧力的平衡，使得桩侧阻力与桩端阻力渐渐被发挥，直至两者之一发生破坏，在试验过程中记录逐级加载以及相应的桩身向上位移和桩底土的向下位移，通过迭加及转换得到荷载-位移曲线。工程实践表明，在粘性土层中桩侧向上的摩阻力与向下基本一致，而砂性土层中向上的摩阻力略大于向下的摩阻力，固而在砂性土层中其结果偏于安全。如果针对特定地区，有足够的试验资料，采用Osterberg自平衡法进行试桩是较为理想的方式。同样与传统试桩方法相似，地下室范围高度的桩的侧阻力必须扣除，该试验方法还有一个比较大的优势在于承载力特别大的桩，可采用按比例缩小的模型桩进行试验，以进一步减少试桩的费用，只是目前该试桩方法的稳定性及认可度尚需加强。
此外，除了自平衡法之外，也可通过桩底岩层的载前试验得到桩端的承载力，而桩身混凝土的强度及施工质量保证则通过超声波动测法及钻芯法予以保障，这种不进行试桩而通过桩端载荷试验的办法在南京地区已获得认可，对于承载力不太大的嵌岩桩，也可结合大应变动测法进行相关的试桩工作。0万U豆体验卡
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