嵌巖樁樁端以下基巖持力層最小厚度探討

劉福東

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

對于基巖地區，嵌巖樁是較為常見的樁基類型。對于嵌巖樁作用機理，國內外都在不斷地廣泛深入地研究，現行國家標準及行業標準的有關規范中嵌巖樁樁基承載力計算公式也在不斷完善。目前設計及勘察有關規范中雖然對嵌巖樁樁嵌入基巖的深度均有規定，但對樁底所在基巖持力層的最小厚度均沒有明確規定。

由于基巖風化程度變化較大，基巖持力層下常夾有強風化巖，有時為全風化巖或殘積土，嵌巖樁樁端持力層厚度不大的情況較為普遍，這給設計與施工帶來較大問題。對于不同類型、不同強度的巖石，樁端以下中、微風化基巖持力層的厚度最小多少時才可以保證嵌巖樁要求，目前缺少這方面的實踐與研究。如按照摩擦樁計算，中、微風化的側摩阻力取值也缺少可靠的經驗，不僅施工比較困難，而且增加投資，故此項研究對于嵌巖樁的設計有較好的實用價值。

1 嵌巖樁工作機理

1.1 嵌巖樁承載力組成及類型

根據現行有關規范及標準，嵌巖樁的承載力一般由端阻、側阻及嵌巖段側阻（或總側阻）組成。嵌巖樁并不均為端承樁，嚴格講應為摩擦端承樁。嵌巖樁即使是在無覆蓋層條件下或長徑比L/D<5的短樁，并非一律是端承樁，而較長的嵌巖樁大多屬于摩擦樁，很長的嵌巖樁完全屬于摩擦樁[1]。

1.2 嵌巖樁承載力影響因素及端阻承擔比

為確定嵌巖樁樁端以下持力層的最小厚度，可將按不同的端阻承擔比來等效模擬樁端荷載對持力層厚度的要求，以供設計人員參考。

2 理論計算

2.1 嵌巖樁樁端荷載

對于一般的硬質巖，根據嵌巖樁端阻計算公式得出的端阻及嵌巖段側阻往往較大，當巖石抗壓強度較大時僅端阻力即可滿足設計要求，但在實際工程中，樁基承載力一般要求為較安全的數值，如按公路橋涵地基與基礎設計規范[3]計算，全由端阻承擔時樁底的等效均布荷載q0≈4600 kPa。

考慮實際工程需要，將按不同的端阻承擔比k分別進行驗算。

式中：q1為樁底的等效均布荷載，k Pa；Rd為樁基端阻所分擔的荷載，kN。

2.2 相對軟弱下臥層的影響

對于基巖持力層下強風化巖的影響簡化為下臥層對持力層的等效均布頂托力q2（kPa）來模擬，其中:

式中：kv為下臥層豎直向基床系數，k N/m3；s為下臥層地基變形，m。

2.3 計算內容及假定

為確定持力層的最小厚度，該項研究僅考慮單樁樁基持力層受壓破壞這種模式，理論計算主要按基巖持力層抗沖切、抗剪、抗彎驗算，并假定持力層基巖為完整巖。

無根萍雖然主要依靠出芽法繁殖，但它也會開花結果。開花之前，葉狀體上方會形成一個凹陷下去的坑，稱為“花腔”，里面長出一枚雌蕊和一枚雄蕊，但是沒有花瓣和花萼。雌蕊先成熟，并伸出花腔開口，等雌蕊受粉或枯萎后，雄蕊才發育成熟并伸出花腔口，釋放出橘紅色的花粉。每一朵花結一個果實。無根萍的花朵大小不足半毫米，果實就更小了，只有在顯微鏡下才能觀察到。

巖石持力層按完整的中風化花崗巖（火成巖）、砂巖（沉積巖）兩種典型巖石為例，下臥層則為相應的強風化巖，其相應參數見表1所列。

表1 持力層及下臥層巖石參數表

2.4 抗沖切驗算

根據靜力平衡條件（見圖1）則有：

式中：K為安全系數，取2；T為持力層基巖的抗拉力，kN；F為下臥層強風化巖的頂托力，kN；Rt為持力層基巖的抗拉強度，kPa；α為沖切角，（°），參考混凝土，該項研究取45°。

若不考慮下臥層頂托力的影響即為0，可得：

圖1 持力層驗算示意圖

2.5 抗彎計算

按均布荷載下周邊固接的圓形板彈性理論解[4]得：

最大彎距：

最大剪力：

由最大拉應力：

若不考慮下臥層的影響，則可得：

2.6 抗剪驗算

參考混凝土結構設計規范公式6.5.1-1[5]，采用如下簡化公式：

若考慮下臥層的影響可得如下公式：

若不考慮下臥層的影響可得如下公式：

2.7 理論計算結果分析

（1）通過試算，當取安全系數為K＝2時，對于Rt≥1 MPa的完整巖石，最小持力層厚度一般由抗沖切計算確定。對于Rt＜1 MPa的極軟巖、軟巖及不同的端阻承擔比k，主要由抗剪及抗沖切來控制,見圖2、圖3所示，故在此僅附抗剪及抗沖切計算結果。

圖2 硬質巖對計算公式的影響曲線圖（Rt=1 MPa）

圖3 軟巖對計算公式的影響曲線圖（Rt=0.5 MPa）

（2）下臥強風化巖不同于一般溶洞，對持力層有較好的支撐作用，對提高工程安全度，能有效地減小最小持力層安全厚度，相對空洞而言，能減小厚度20%以上，對于深長樁，能減小到50%左右，持力層強度越低影響越大，見圖4、圖5所示。

圖4 下臥層對硬質巖持力層厚度的影響曲線圖

圖5 下臥層對軟巖持力層厚度的影響曲線圖

（3）通過試算，最小持力層安全厚度隨持力層巖石抗拉強度的增大而減小，對于完整的堅硬巖其厚度一般大于0.5 m，對于完整的軟巖其厚度約為1倍樁徑，可隨端阻承擔比k進行相應的折減。

3 數值模擬

3.1 巖石的本構模型及建模

從工程實用出發，在分析問題時，一般在受壓區采用斜直線型的庫侖或莫爾強度準則即可，如果采用非線性的莫爾準則，計算特別復雜，但精度提高并不顯著，必要性也不大[6]，故該項目巖石采用莫爾－庫侖彈塑性模型，主要計算參數見表1所列。

該項研究按有限單元法按軸對稱問題建模，計算假定及計算標準如下：（1）假定巖石持力層為一完整的平板狀的巖體；（2）樁體按C30混凝土板來模擬；（3）取安全系數為K＝2，即豎向荷載為2q0（按式 1計算）；（4）不考慮地下水的影響；（5）計算穩定標準以垂直位移（沉降）控制，同時允許下臥層出現塑性發展區，但不允許貫通，某計算示例如圖6、圖7所示。

圖6 持力層垂直位位移示意圖

圖7 持力層塑性開展區示意圖

3.2 計算結果分析

通過數值模擬，得出的基巖最小厚度的計算結果及規律與理論公式計算相一致（見表2），同條件下計算厚度略低于理論計算。從實際工程出發，利用理論公式計算偏于安全。

4 結語

（1）在基巖地區樁基勘察時，如遇基巖持力層下有軟弱夾層時，建議進行適量的巖石抗拉試驗，為設計提供巖石抗拉強度建議值。

（2）全、強風化軟弱夾層在較小的變形下一般能對持力層提供較大的頂托反力，對于深長樁而言，能有效地降低對基巖持力層的厚度要求。

（3）對于巖石抗拉強度Rt≥1 MPa的硬質巖，最小持力層厚度一般由抗沖切計算確定，Rt＜1 MPa的極軟巖、軟巖，主要由抗剪及抗沖切來控制。

（4）最小持力層安全厚度隨持力層巖石抗拉強度的增大而減小，對于完整的堅硬巖其厚度一般大于0.5 m即可，對于完整的軟巖其厚度約為1倍樁徑，可隨端阻承擔比k進行相應的折減。

表2 持力層最小安全厚度計算表

[1]劉鐵雄.巖溶頂板與樁基作用機理分析與模擬研究[D].中南大學，2003.

[2]鄭祖恩.軟巖地基中大直徑嵌巖灌注樁承載性能研究[D].中南大學，2007.

[3]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[4]上海市政工程設計院.給水排水工程結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1984.

[5]GB 50010-2010,混凝土結構設計規范[S].

[6]張有良，最新工程手冊[M].北京：中國知識出版社，2006.