橋梁嵌巖樁承載力研究

SoutheastUniversity龔維明

教授

Thursday,February2,2023土木工程學院2/2/20231.前言

傳統觀念一直把嵌巖樁作為端承樁來設計，完全不考慮其樁側阻力。大量的實測資料表明，嵌巖樁即使是在無覆蓋層條件下或長徑比L/d<5的短樁，也并非一律是端承樁。忽視上覆土層側摩阻力和嵌巖段巖層側摩阻力，把樁端嵌入微風化程度以上的基巖，套用規范盲目加深嵌巖深度或擴大樁端尺寸，無助于調動基巖的承載能力，卻造成浪費并增加施工的難度。2/2/20231.前言

隨著對嵌巖樁承載性狀的深入研究，人們逐漸認識到，嵌巖樁的側阻力不可忽視，有時甚至成為平衡外荷載的主要反力，即嵌巖樁也可能成為摩擦樁或端承摩擦樁。由于嵌巖樁受力機制復雜，現階段尚未認識清楚，導致了設計人員設計過于保守。2/2/20232.嵌巖樁的定義

巖石為顆粒間連接牢固、呈整體或具有節理裂隙的巖體。巖石的風化程度分為未風化、微風化、中等風化、強風化、全風化5個等級。國外學者多認為：只要樁端嵌入巖體中，不論巖體的風化程度如何、堅硬性如何，都稱為嵌巖樁。國內：《建筑樁基技術規范》規定樁端嵌入中等風化程度以上巖層的樁稱之為嵌巖樁。《公路橋涵地基與基礎設計規范》隱含的定義是：樁端嵌入微風化巖或新鮮基巖中的樁稱之為嵌巖樁。本研究認為：樁端支承于中等風化程度以上巖層的樁就可稱其為嵌巖樁,不包括嵌入全風化、強風化巖情況。

2/2/20233.嵌巖樁承載力的現行計算方法

《建筑地基基礎設計規范》規定當樁端嵌入“完整及較完整的硬質巖”中時，按下式估算承載力：

1)只計樁端阻力

規定“樁周邊嵌巖最小深度為0.5m”以確保樁端與巖體面接觸。對于嵌入破碎巖和軟質巖石中的樁，單樁豎向承載力按摩擦樁計算。

2/2/2023

《公路橋涵地基與基礎設計規范》對單樁容許承載力按下式計算：

2）只計嵌巖部分的側阻力和端阻力

hr—樁嵌入基巖深度，不包括風化層；Ra—巖石天然濕度的單軸抗壓強度;c1、c2—根據清孔情況、巖石破碎程度定的系數

2/2/2023《鐵路橋涵設計規范》規定，嵌入新鮮巖石層內的樁軸向容許承載力：

R—巖石試塊單軸極限強度；

h—自新鮮巖面（平均高程）算起的嵌入深度；

c1、c2—據巖石層破碎程度和清孔情況規定。

2/2/2023《建筑樁基技術規范》（征求意見稿）按下式計算：

3）考慮土層的側阻力、嵌巖段側阻力和端阻力

2/2/20234.嵌巖樁承載力計算方法

通過151根試樁，提出嵌巖樁承載力計算方法—單樁軸向受壓承載力容許值（kN）。樁身自重與置換土重（當自重計入浮力時，置換土重也計入浮力）的差值作為荷載考慮；—根據清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的端阻發揮系數，按表5.3.4采用；—樁端截面面積（m2），對于擴底樁，取擴底截面面積:

2/2/2023—樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值（kPa），黏土質巖取天然濕度單軸抗壓強度標準值，當小于2MPa時按摩擦樁計算；—根據清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的第i層巖層的側阻發揮系數，按表5.3.4采用；—各土層或各巖層部分的樁身周長（m）；—樁嵌入各巖層部分的厚度（m），不包括強風化層和全風化層；m—巖層的層數，不包括強風化層和全風化層；—覆蓋層土的側阻力發揮系數，根據樁端確定：當2MPa≤<15MPa時，；當15MPa≤<30MPa時，；當>30MPa時，；

2/2/2023—各土層的厚度（m）；—樁側第i層土的側阻力標準值（kPa），宜采用單樁摩阻力試驗值，當無試驗條件時，對于鉆（挖）孔樁按本規范表5.3.3-1選用，對于沉樁按本規范表5.3.3-4選用；n—土層的層數，強風化和全風化巖層按土層考慮。2/2/2023嵌巖樁上覆土層側阻力值Qs采用下式表示：

1）土層側阻系數分析

qsk—土層極限側阻力標準值的加權平均值；qsik—第i層土的極限側阻力標準值；

hs—土層厚度；

U—嵌巖樁穿越土層部分的截面周長。

2/2/2023上覆土層發揮系數ζs采用下式計算：

嵌巖樁上覆土層側阻力由土層極限側阻力和發揮系數決定。土層極限側阻力通常有勘察報告提供。土層側阻發揮系數受樁長、樁徑、成樁工藝響。

2/2/2023（1）挖孔嵌巖樁依據29根試樁,可求得具有95%保證率的土層側阻系數

2/2/2023（2）鉆孔嵌巖樁

依據軟巖嵌巖樁26根試樁，可求得具有95%保證率的土層側阻系數

依據硬巖嵌巖樁7根試樁，可求得具有95%保證率的土層側阻系數

2/2/2023由上述計算結果，可以保守估計覆蓋土層的側阻力發揮系數；當Ra≤15MPa時，ζs=0.8；當Ra＝15～30時，ζs=0.5；當Ra>30MPa時，ζs=0.2。

2/2/2023參照《公路橋涵地基與基礎設計規范》采用相同的系數c1和c22）嵌巖段側阻和端阻系數分析

2/2/2023注：（1）當入巖深度小于或等于0.5m時，乘以0.75的折減系數，＝0；（2）對于鉆孔樁，系數、值應降低20％采用；樁端沉渣厚度t應滿足以下要求：d≤1.5m時，t≤50mm；d>1.5m時，t≤100mm；（3）對于中風化層作為持力層的情況，、應分別乘以0.75的折減系數。2/2/20235.結論

結合國內外研究資料可以認為：1樁端支承于中等風化程度以上巖層的樁就可稱為嵌巖樁,不包括嵌入全風化、強風化巖情況。2非嵌巖部分的側摩阻力不可忽視。3不同成孔方式的嵌巖樁，其承載性能也有差異。4按基巖性質將樁分為軟巖嵌巖樁和硬巖嵌巖樁。

2/2/2023二、支承在基巖上或嵌入基巖內樁的受壓承載力容許值計算資料：安陽地區通化大橋Sz2號采用鉆孔灌注樁試樁，樁徑為1m，樁長60.5m，樁身混凝土強度等級C40，地質情況為：①淤泥質土，埋深0～-39.7m；②粉質粘土，埋深-39.7～-59m；③全、強風化基巖，中風化凝灰巖。樁嵌巖持力層為中風化凝灰巖，巖層較完整，深度1.5m，巖石飽和單軸抗壓強度標準值10MPa。2/2/2023計算公式

上述公式中參數取值如下：

為清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的端阻發揮系數，查表取0.75×0.6×0.8=0.36。

為根據清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的第i層巖層的側阻發揮系數，查表取

0.75×0.05×0.8=0.03。

2/2/2023為樁嵌入各巖層部分的厚度（m），取1.5m，不包括強風化層和全風化層。為巖石飽和單軸抗壓強度標準值取10，粘土質巖取天然濕度單軸抗壓強度標準值，當小于2MPa時按摩擦樁計算。

為覆蓋層土的側阻力發揮系數，由于2MPa≤＝10MPa<15MPa，取0.8。為各土層的厚度，本例分別取39.7m,20.9m；實際工程中應嚴格取承臺底面或局部沖刷線以下的土層厚度。

2/2/2023為樁側第i層土的側阻力標準值（kPa），宜采用單樁摩阻力試驗值。由于無試驗條件時，鉆（挖）孔樁按表選用，①土層取20kPa，②土層取55kPa。

結合上述參數可以求解嵌巖鉆孔樁單樁承載力如下：

*樁身自重標準值與置換土重標準值（當樁重計入浮力時，置換土重也計入浮力）的差值作為荷載考慮。

2/2/2023三、當河床巖層有沖刷時，樁基嵌入基巖的有效深度計算

資料：寧川某水文站超聲波水位計水位塔基礎圓形灌注樁打在巖石上時，為保證水位計的安全，需對樁基入巖深度進行有效計算。書中采用的計算公式

2/2/2023為在基巖頂面處的彎