對部分行業(yè)標準中關于嵌巖樁單樁豎向承載力計算方法的探討

陶燕春

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海　200333)

目前國內勘察設計企業(yè)的業(yè)務范圍漸漸從單行業(yè)拓展至多行業(yè)，而不同行業(yè)采用規(guī)范標準的設計理念并不完全一致，如樁基單樁豎向承載力計算公式均有所不同，相對而言，根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)法計算摩擦樁的單樁承載力公式大同小異，都是基于單樁豎向承載力等于樁側土阻力與樁端土阻力之和，尤其樁側土阻力計算公式主要的行業(yè)標準均完全一致，僅在樁端土阻力計算時，不同規(guī)范采用的參數(shù)和公式有所區(qū)別，最終計算結果一般情況下也出入不大。但關于嵌巖樁，因出版年代、編制理念、安全度不同等原因，根據(jù)不同行業(yè)標準內所列公式計算的單樁豎向承載力有時可能會出入較大，故本文試以設計經(jīng)常使用的行業(yè)標準《鐵路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[1](以下簡稱鐵路橋規(guī))、《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[2](以下簡稱公路橋規(guī))、《建筑樁基技術規(guī)范》[3](以下簡稱建筑規(guī)范)為例，對部分行業(yè)標準中關于嵌巖樁單樁豎向承載力計算方法的異同及使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行探討。

1　部分行業(yè)標準中關于嵌巖樁單樁豎向承載力計算公式及編制說明

鐵路橋規(guī)條文5.3.4[1]所列“支承于基巖上或嵌入基巖內的鉆(挖)孔樁、沉樁的單樁軸向受壓承載力容許值,可按下式計算]：[P]=R(C1A+C2Uh)”(公式1),各指標代表意義詳見規(guī)范條文(下同),該計算公式表明鐵路橋規(guī)只考慮嵌巖樁嵌入基巖部分的側阻力和樁端阻力,而不考慮嵌巖樁經(jīng)過土層(包括強風化層和全風化層均不考慮)的樁側土摩阻力,同時在條文說明中進行了相應編制說明,認為樁側土對樁身作用的向上摩阻力不容易確定,隨樁的施工方法、施工質量、樁側土的類別、樁底土的堅硬程度以及樁身的軸向剛度而異。為安全計,該規(guī)范不考慮柱樁側面土承受樁身軸向荷載,而將柱樁承受的全部軸向荷載考慮由樁底堅硬地層承受,柱樁側面土對樁身作用的摩阻力僅視為安全儲備[1]。

建筑規(guī)范條文5.3.9[3]中所列“樁端置于完整、較完整基巖的嵌巖樁單樁豎向極限承載力,由樁周土總極限側阻力和嵌巖段總極限阻力組成。當根據(jù)巖石單軸抗壓強度確定單樁豎向極限承載力標準值時,可按下列公式計算：Quk=Qsk+Qrk”(公式3),其中Qsk=u∑qsikli、Qrk=ζrfrkAp,同時在條文說明中對嵌巖段總極限阻力的構成進行了分解說明,相應的也為嵌巖部分的側阻力、樁端阻力,只是編制時將側阻、端阻系數(shù)合并體現(xiàn)為計算公式中的側阻和端阻綜合系數(shù)ζr,見表1[3],該表因放在條文說明中,故其含義及作用常被技術人員所忽視。

表1　嵌巖段側阻、端阻系數(shù)ζs、ζp及側阻和端阻綜合系數(shù)ζr

2　使用各行標嵌巖樁單樁承載力計算公式時發(fā)現(xiàn)的問題

在使用各行標進行嵌巖樁單樁承載力計算時,發(fā)現(xiàn)存在一些問題。

問題1：公路規(guī)范采用公式(2)計算嵌巖樁單樁承載力時,明確規(guī)定強風化層和全風化層按土層考慮,同時規(guī)定樁端巖石的飽和單軸抗壓強度值frk小于2 MPa時按摩擦樁計算,但未提供frk小于2 MPa的基巖(部分極軟巖)的樁側土極限摩阻力建議值,同時鐵路規(guī)范公式(1)也要求h為自新鮮巖石面算起的嵌入深度,兩個公式均未考慮硬質巖強風化基巖單軸抗壓強度可能較高甚至超過一部分極軟巖的情況,且樁基經(jīng)驗參數(shù)表中均未提供強風化基巖的樁側極限摩阻力建議值。當樁周存在強風化基巖時,如何選取該層的樁側摩阻力參數(shù),或硬質巖強風化基巖是否可作為嵌巖樁考慮均未提及,尤其鐵路設計單位往往由設計人員自行查表確定樁側和樁端阻力值,而不是由勘察報告提供建議值,這樣對設計人員的經(jīng)驗要求較高。

問題2：建筑規(guī)范提供了全風化和強風化基巖的樁側阻力建議值范圍,應用公式(3)時可查表選取,但規(guī)范附注中對強風化軟質巖和強風化硬質巖定義為系指其母巖分別為frk≤15 MPa、frk>30 MPa的巖石,缺少(15,30]這一區(qū)間范圍,且簡單地用母巖強度劃分為2類而未考慮風化巖強度、均勻性等狀況不盡合理。

問題3：鐵路規(guī)范公式(1)不考慮樁側土阻力,當樁側土層及強風化基巖總厚度達一定值且嵌入基巖為軟巖、極軟巖時,此時實際樁側總阻力占比較大,直接按規(guī)范條文說明作為安全儲備不太合理,尤其遇設計對單樁承載力要求較高時(如大跨度橋梁),勢必造成嵌巖深度達較大值才能滿足設計要求。而根據(jù)文獻[4],當泥漿護壁鉆(挖)孔嵌巖樁的長徑比L/d>15～20時,加上樁底沉渣因素,其荷載傳遞具有摩擦樁的特征,即樁側阻力先于端阻力發(fā)揮出來,荷載并不是全由樁端承擔,這樣樁基設計安全度偏大,不太經(jīng)濟。另外,當樁基嵌入基巖一定深度后,經(jīng)常遇到嵌巖段為多種基巖軟硬相間(如砂頁巖互層等),甚至中間夾了強風化層,這樣采用公式(1)時R、h值均無法按要求選取單一值,造成設計人員很大的困惑,甚至計算時不計軟夾層厚度,更加不經(jīng)濟。而建筑規(guī)范同樣也存在類似問題,當嵌巖段地層多樣時,公式(3)中的側阻和端阻綜合系數(shù)ζr無法既經(jīng)濟又合理地按規(guī)范直接查表取值。

Qrk=[4(ζs1frk1h1+ζs2frk2h2+ζs3frk3h3)/

Qrk=ζs1frk1πdh1+ζs2frk2πdh2+

ζr=4(ζs1frk1h1+ζs2frk2h2+ζs3frk3h3)/

(frk3d)+ζp=0.877

表2　算例1各參數(shù)

3　根據(jù)不同行標對相同地層條件下的單樁承載力估算案例

某鐵路客運專線特大橋,標準梁跨32 m,采用承臺下8-φ1.00 m鉆孔樁,地層及主要樁基設計參數(shù)如表3(括號內為同橋分區(qū)段存在的另一種基巖,為砂質泥巖)。其中4-2層強風化基巖的樁周極阻摩阻力值是假設R=5σ0(按極軟巖、節(jié)理不發(fā)育)、C2取0.03計算所得。

表3　各地層主要樁基設計參數(shù)

按進入4-3泥質砂巖層6 m,采用公式(1)計算單樁容許力值[P]=6 000×(0.4×3.14×0.5×0.5+0.03×3.14×1×6)=5 275 kPa。此時按摩擦樁計算的樁側土總阻力(強風化層及以上)為3.14×1×(55×8+10.6×60+5.4×105)/2=2 579 kPa,占比近49%。該橋基巖砂質泥巖區(qū)段,若上部地層類同,則按公式(1)計算進入基巖6 m時[P]僅為2 110 kPa,尚不如此時的樁側土層總阻力2 452 kPa,若改用“鐵規(guī)”摩擦樁公式計算將更為經(jīng)濟合理。相同地層若按公式(2)計算,取C1=0.5、C2=0.04、ζs=0.8,同樣進入4-3層6 m,則單樁承載力容許值可分別達8 940 kPa和4 712 kPa。同樣按建筑規(guī)范計算進入4-3層6 m,強風化層樁側極限摩阻力按表3取值(為便于比較,未采用規(guī)范查表范圍值的下限140 kPa),查表ζr=1.63,按公式(3)計算得到的Quk除以2為單樁承載力特征值,分別為6 418 kPa和3 917 kPa。從本算例可見,若計入樁側土阻力,則鐵路規(guī)范計算所得的單樁承載力將比建筑規(guī)范稍大而比公路橋規(guī)略小(根據(jù)其他計算經(jīng)驗,鐵路規(guī)范摩擦樁公式因對樁端阻力的安全度偏高些,故按摩擦樁公式的計算結果會較另兩規(guī)范都略偏小些,本文不再表述),否則按公式(1)直接計算時則明顯小于后兩者,不太經(jīng)濟。

再按嵌巖1 m、樁端基巖為硬質巖(取單軸飽和抗壓強度為30.1 MPa為例)、上部地層同表3為例,按公式(1)計算的單樁容許承載力為12 286 kPa,公式(2)為16 110 kPa,公式(3)為12 149 kPa,所以當樁端為單軸抗壓強度較小的極軟巖、軟巖或樁側地層較厚且非軟弱土時,采用公式(1)計算因不考慮樁側土阻力作用,相對而言不太經(jīng)濟合理,而樁端為硬質巖時,采用3種行業(yè)標準計算結果更為接近,且此時設計采用的單樁承載力值應考慮以樁身結構強度控制。

4　結論

因嵌巖樁的受力情況較為復雜,以往試驗成果也相對較少,故不同行業(yè)標準中的計算公式均有其適用性和局限性,相對而言,當樁身地層相對較好且厚度較大、樁端置于極軟巖時,采用“鐵規(guī)”嵌巖樁計算公式相對偏于安全,建議作摩擦樁方案比選,當樁端置于硬質巖時,各行標計算結果更為接近,同時設計應進行樁身結構強度驗算,與巖土體提供的單樁承載力計算值進行比較,取小值作為設計的單樁承載力值。

[1]鐵道部.TB 10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2005

[2]交通部.JTG D63—2007 橋涵地基和基礎設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2007

[3]建設部.JGJ 94—2008—87 建筑樁基技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008

[4]閻海鴻.嵌巖樁設計中值得注意的幾個問題[J].珠江水運,2008(2)

[5]交通部第一鐵路設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京:人民交通出版社,1975

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