嵌巖樁豎向承載性能試驗研究進展

閆楠, 趙香梅, 白曉宇*, 蔣沖, 魏玉峰, 張健, 張明義, 趙廣, 劉正明

(1.青島理工大學土木工程學院, 青島 266520; 2.中南大學資源與安全工程學院, 長沙 410082; 3.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室, 成都 610059; 4.山東農業大學水利土木工程學院, 泰安 271018; 5.中冶東方工程技術有限公司, 青島 266555)

嵌巖樁是樁端嵌入巖層一定深度的樁,憑借其具有承載力高、可以充分發揮樁身及其周圍巖土體的強度等優點[1],在眾多樁基類型中脫穎而出,被廣泛應用于國內外高層和超高層建筑、大型橋梁基礎以及高聳構筑物基礎中[2-3]。

20世紀90年代以前,諸多學者認為嵌巖樁沉降小,樁側摩阻力難以發揮,在《建筑地基基礎設計規范》(GBJ 7—1989)[4]中規定嵌巖樁按端承樁設計。21世紀以后,嵌巖樁開始得到廣泛應用和深入研究,中國在修訂《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTGD 63—2007)[5]時把樁側土、嵌巖段、樁端3個部分總阻力作為嵌巖段承載力,并給出了半經驗公式,但其未能充分考慮巖石與混凝土的材料特性、混凝土-巖石界面的摩阻力發揮特性、邊界條件及界面粗糙度等因素對嵌巖樁承載力的影響。而《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[6]中則將樁周土和嵌巖段的總極限阻力作為嵌巖樁單樁豎向極限承載力,但其對應力條件和界面形狀等考慮欠佳。隨著高層建筑與跨江橋梁工程的不斷發展,建(構)筑物的基底壓力逐漸增大,對建(構)筑物的沉降控制要求以及樁基進入持力層的強度要求越來越高[7]。根據不同地質情況,嵌巖樁的設計呈現出類型多樣性、適用范圍廣等特點,如適用于未風化巖層的螺紋樁[8]、Y形沉管灌注樁[9]、擴底楔形樁[10]、擠擴支盤樁[11]、擴底樁[12]、后壓漿灌注樁[13]等,以及適用于硬質巖層中的DX樁(多節擠擴灌注樁)[14-17],這些樁型在一定程度上提高了樁側或樁端阻力。

由于中國復雜的地形地貌和土巖條件,嵌巖樁的承載性能往往受到很多因素的影響。目前,對嵌巖樁相關研究僅考慮了單一因素的影響,得出嵌巖樁承載特征的相關成果存在較大差異性,因此目前國內外工程界將目光聚焦在嵌巖樁承載性能的研究上[18-20]。充分掌握和厘清嵌巖樁的承載特性,是實現嵌巖樁合理設計和安全使用的前提。現從嵌巖樁的荷載傳遞規律及破壞模式、承載特性、影響承載特性的主要因素等4個方面入手,探討嵌巖樁的豎向承載性能,歸納室內模型試驗和現場靜載荷試驗對嵌巖樁豎向承載性能的最新研究進展,梳理出當前嵌巖樁豎向承載性能的研究不足并給出針對性建議,以期為嵌巖樁豎向承載性能的研究提供新的思路與方向。

1 嵌巖樁的荷載傳遞規律及破壞模式

單樁承載力的確定是嵌巖樁設計的最重要內容之一,明確單樁承載力之前必須掌握樁-土-巖體系的荷載傳遞特性,為此眾多學者對嵌巖樁的荷載傳遞規律和破壞模式開展了深入的研究。

1.1 嵌巖樁的荷載傳遞規律

隨著上部結構對樁基承載力要求的不斷提高,嵌巖樁的應用也日益廣泛。但是嵌巖樁試驗耗費高且難以進行破壞性試驗,目前關于嵌巖樁承載性能較系統的實測資料較少,從而制約了人們對嵌巖樁荷載傳遞規律的全面認識[21-24],因此,探究嵌巖樁荷載傳遞規律成為研究嵌巖樁豎向承載性能的重點工作之一。

早期對于嵌巖樁荷載傳遞規律的研究認為嵌巖樁樁身與巖體接觸時會呈現出凹凸不平的粗糙曲面。如圖1所示,在受荷時,首先發揮作用的是樁-巖間的黏結力,由于黏結力有限,在其達到極限時兩者接觸面之間發生滑移錯動,在這個過程中粗糙曲面間的相互作用加大,當其產生的剪切強度小于外荷載時,接觸面之間的滑移錯動就會轉為剪切機制[25]。董平等[26]基于樁-巖界面的剪脹理論建立了荷載傳遞函數,公式為

圖1 樁巖接觸面作用原理示意圖[25]Fig.1 Sketch of interface of pile and rock[25]

(1)

式(1)中:τ(z)為樁z深度處單位面積上的摩阻,kPa;φ為摩擦角;Erm為巖體的彈性模量;Vc為巖石泊松比;D為樁徑,m;α為剪脹角;S為深度z處樁巖的相對位移,mm。式(1)能夠反映樁徑、巖石模量等因素對樁側阻的影響,有助于更充分研究嵌巖樁嵌巖段的荷載傳遞規律。

同濟大學邢皓楓團隊主要從事樁基工程的研究工作,在研究嵌巖樁荷載傳遞機理及受力特性方面做出了突出成果。邢皓楓等[27]、孟明輝等[28]基于樁-巖接觸面剪切特性的嵌巖樁荷載傳遞規律,考慮到膠結作用及初始應力條件對樁-巖界面剪切特性的影響,將剪切界面破壞分為膠結破壞、滑動剪脹及剪切滑移,提出了完整的樁-巖界面剪切機制。針對上述樁-巖界面剪切過程中3個階段特點,周家全等[29]提出了樁-巖界面膠結作用和界面粗糙體磨損特性的荷載傳遞計算模型如圖2所示,經工程實例分析得出其與傳統計算結果相比更為合理。

l0為剪切滑移區深度,m;l1為滑動剪脹區深度,m;l為膠結彈性變形區深度,m;Pd為施加在樁頂上部的豎直向下荷載,kN;τ為樁側摩阻力,kPa;Sd為樁頂豎向位移,mm;P(l0)和Pb分別為z=l0和z=l處的樁身截面軸力值,kN圖2 嵌巖樁荷載傳遞計算示意圖[29]Fig.2 Schematic diagram of load transfer calculation for rock-socketed piles[29]

對嵌巖樁工程經驗的日益積累及理論研究的不斷深入,使得學者們對樁-巖(土)體系荷載傳遞規律的認識愈加深刻:樁體隨著上部荷載的施加產生向下位移,在這個過程中樁身因與樁周土層發生摩擦錯動而產生向上的側摩阻力,樁側摩阻力將上部荷載傳遞至樁周土中,樁周土層側摩阻力最先發揮。樁周巖層的側摩阻力隨荷載增加由上而下依次逐漸發揮,樁側摩阻力先于樁端阻力發揮,而整個過程中樁身軸力隨巖層深度增加而減小。

1.2 嵌巖樁的破壞模式

呂福慶等[30]通過對9根現場試樁的靜載荷試驗,發現嵌巖樁可能在樁體、樁-巖底界面或樁-巖周界面發生破壞,并將嵌巖樁的破壞模式分為3類。張建新等[31]、王耀輝等[32]根據模型試驗總結出樁的破壞是混凝土-巖石界面的剪切破壞引起的,發生破壞的位置在樁巖界面、樁周圍巖等。邢皓楓等[33]對大量嵌巖樁現場試樁資料進行統計分析,證實了嵌巖樁發生破壞的位置與模型試驗一致,并且將嵌巖樁的破壞模式歸結為樁體破壞和嵌巖部分破壞。但是上述試驗僅考慮了樁巖相對剛度、樁周巖體變形等對嵌巖樁承載力的影響,而忽略了樁身強度、嵌巖體的結構、應力特性和施工技術水平等對嵌巖樁工作特性的影響。

2 嵌巖樁承載力試驗研究

中國經濟建設的高速發展和現代建筑的不斷擴容使得嵌巖樁的應用日益廣泛,國內外工程界學者越來越關注對所處巖石地基之上的建筑物承載性狀的研究。

2.1 室內模型試驗

在強度較高的巖體中,嵌巖樁工程試驗難以加載至極限,從而影響對嵌巖樁承載特性的深入研究,因此學者們通過室內模型試驗模擬嵌巖樁的加載過程,直至加載破壞,進而研究嵌巖樁的承載特性。王耀輝等[32]通過室內荷載試驗確定了嵌巖模型樁的極限承載力,得到了樁-巖界面側摩阻力分布曲線,如圖3所示。研究發現,樁-巖界面的側摩阻力分布是非均勻的;模型樁破壞時在嵌巖段上部產生的側摩阻力遠大于下部的側摩阻力。這一結果表明,對于高強度巖體中的嵌巖樁,樁-巖石界面的摩阻力特性極大地影響嵌巖樁的承載特性。在嵌巖樁承載特性研究領域,東南大學以趙明華為代表的團隊在該領域做出了突出貢獻,他們發現嵌巖樁的承載性能主要取決于樁-巖接觸面的剪切強度[34]。在豎向荷載作用下,嵌巖樁樁-巖界面先后經歷彈性剪切、剪應力跌落和摩擦剪切3個階段[35],Xing等[36]通過模擬不同嵌巖深度和樁長情況下的嵌巖樁,發現對于超長嵌巖樁,樁端也分擔部分上部荷載,樁端阻力與樁側阻力異步發揮。張建新等[37]為了探究樁側阻力與樁端阻力之間的關系,基于室內模型試驗發現,當樁身位移較大時,樁端阻力與樁側阻力間存在著相互影響和相互制約的關系。

圖3 模型樁側摩阻力分布曲線[32]Fig.3 Distribution curves of resistance of model piles[32]

然而,由于現場的實際土層分布和室內試驗相差較大,室內模型試驗難以模擬出與實際現場一致的土層分布。在一定試驗條件下,室內模型試驗得到的最大荷載與位移均大于現場試驗實測值[18],因此探尋一種能夠真實反映實際嵌巖樁承載特性的室內模型試驗具有重大意義。為此,國內學者對于目前模型試驗進行了相應的改進,如劉海峰等[38]為獲取礁灰巖嵌巖樁中樁端應力的變化規律,考慮實際地層的側限作用,依據固定側限壓縮的方式限制破壞裂紋的發展,使得溶孔和裂隙對巖樣強度的影響減小;葉瓊瑤等[18]針對軟巖嵌巖樁介紹了一種采用改進的靜三軸壓力室對巖樣施加圍壓和軸向壓力進行的軟巖嵌巖樁模型試驗,通過應變測量可以再現嵌巖樁的受荷全過程;劉海峰等[35]為了避免在模型試驗中巖樣與水接觸造成巖樣失效的后果,對壓力室進行了改進。

針對室內常規樁基模型試驗無法看到樁土相互作用的過程和破壞形式,難以獲得直觀真實的單樁承載機理和破壞模式,國外學者將電子計算機斷層掃描(computed tomography,CT)可視化技術引入單樁物理模型試驗,對軟巖中嵌巖樁的研究具有重要意義。但目前樁基模型試驗中CT技術的研究成果很少,Otani等[39]、Eskiar等[40]在這個主題上做了一些工作。Huang等[41]通過實例驗證了軟巖嵌巖樁模型試驗可視化技術的可行性和可靠性,并將軟巖嵌巖樁的破壞模式直觀地揭示為樁端球形孔洞擴張模式。Xu等[42]創新性地利用微X射線CT和室內實驗設備直觀地支持了球洞膨脹理論在軟巖嵌樁端部承載力計算中的適用性。但由于小尺度模型的局限性,該研究并沒有將研究結果用于相應的定量分析,而是將試驗所獲得的定性結果用于促進大尺度樁的破壞機理研究上。

2.2 現場試驗

2.2.1 靜載荷試驗

大直徑嵌巖樁基礎在城市建設中扮演著重要的角色,上部荷載經由嵌巖樁樁身傳遞到深層穩定的基巖中,進而提高樁基礎的承載力并能減少沉降[43],由于室內試驗獲得的試驗數據,往往不能反映整個巖體的情況,為了研究其承載特性,眾多學者將研究的重點集中在原位靜載荷試驗[44-45]。根據現有成果對大直徑嵌巖樁承載力進行靜載荷試驗的研究可知,工作狀態下的大直徑嵌巖樁,單樁阻力主要由以下幾部分提供,隨著樁頂荷載的增加,樁側土層的側摩阻力開始發揮,繼而嵌巖段巖壁受到荷載的作用,開始提供側摩阻力,荷載增加到某一限值,樁側摩阻力難以提供足夠的作用力,樁端阻力得以發揮[46],白曉宇等[47]在研究風化巖地基大直徑長螺旋鉆孔灌注樁承載性狀時也證實了這一點。諸多學者經過現場靜載荷試驗發現嵌巖樁樁身側摩阻力的發揮與樁周地層的性質和埋深有關[48],隨著埋深的增加,嵌巖段的側摩阻力發揮也會增大[49-51]。為明確嵌巖樁的側阻和端阻發揮的程度,張建新等[31]基于兩組現場試驗發現,A組樁側巖、土阻力只承擔小部分荷載,B組樁側巖、土阻力承擔了大部分荷載,可見嵌巖樁僅按文獻[4]中所述端承樁設計存在較大弊端。邢皓楓等[33]、趙明華等[52]通過對大量嵌巖樁現場靜載試樁資料的統計分析得出,嵌巖樁側阻與端阻的發揮是異步的,即側阻先于端阻發揮,嵌巖樁嵌巖段承擔了大部分樁頂荷載,且嵌巖段摩阻力起主導作用。

但是Kulhawy[53]對于上述樁端阻力與樁側阻力異步發揮提出了異議,通過大量試驗認為樁基側阻與端阻同步發揮,只是發揮程度差異較大,并將其荷載(Q)-沉降(s)曲線劃分為3個階段,如圖4所示的樁基Q-s、Qs-s和Qp-s曲線階段圖。第1個階段即OA段,樁頂位移較小,樁側阻力和樁端阻力共同承擔樁頂荷載;第2個階段即AB段,隨著樁頂荷載的增加樁頂產生較大沉降,樁側阻力在達到極限后趨于穩定,樁端阻力單獨承擔樁頂荷載;第3個階段即BC段,樁頂沉降發生驟降,單樁承載力達到極限,樁側阻力和樁端阻力均已充分發揮。董秀蕓等[54]通過研究橋梁樁基的承載特性開展了現場靜載荷試驗,發現各級荷載作用下樁基Q-s曲線呈緩變型發展,隨著樁頂荷載的增加,曲線由線性逐漸變為非線性,表現為典型的摩擦樁承載性狀;在靜載試驗全過程中,樁的受力狀態處于Kulhawy理論的第1階段,樁側阻力和樁端阻力的發揮并無先后次序,而是同步發揮。工程樁樁頂Q-s曲線如圖5所示。

圖4 樁基Q-s曲線階段圖[53]Fig.4 Q-s curve stage diagram of pile foundation[53]

圖5 試樁樁頂Q-s曲線[54]Fig.5 Test pile top Q-s curve[54]

按反力裝置的不同,靜載試驗可分為堆載法、錨樁法、堆錨聯合法及新發展起來的自平衡法等。傳統的堆載法、錨樁法由于經濟性、安全性差,難以應用于超長或超大直徑樁靜載荷試驗,而采用自平衡試樁法可較好檢測此類樁型[55]。故通過自平衡試樁法和分布式光纖傳感測試技術來探討大直徑嵌巖樁豎向承載性能。

2.2.2 自平衡法

自平衡法[56-57]是一種較為簡便的樁基載荷試驗方法,其荷載加載值由上部樁身的側摩阻力與下部樁身的摩阻力和端阻力來平衡,荷載箱的埋設原則是荷載箱放在樁身平衡點處,因此可清楚地分出側阻力與端阻力分布。自平衡測試示意圖如圖6所示。

一般的靜載荷試驗難于準確測出深長嵌巖段的樁側摩阻力和樁端阻力,馬曄等[58]、龔成中等[59]為了探究泥巖地區大直徑深嵌巖樁的承載特性,基于自平衡樁基測試技術研究發現:在泥巖地區大直徑深嵌巖樁樁頂Q-s曲線主要以緩變型為主;樁側摩阻力的發揮受土層特性、樁-土相對位移量等因素的影響,對比砂性土,黏性土樁側阻力發揮所需樁土位移相對位移較小、作用較快,表現出較高的極限側摩阻力。

雙荷載箱技術通常應用于樁端承載力占總承載力的比例較大的嵌巖樁基中。龔成中等[60]利用雙箱荷載技術如圖7所示,經檢測分析得出在軟巖地區大直徑深長嵌巖樁樁頂荷載位移曲線主要以緩變型為主,承載力隨著嵌巖深度的增加而增大,樁體變形減小。程曄等[61]針對不同嵌巖深度和擴大頭尺寸的軟巖嵌巖樁基,分別采用單荷載箱測試、雙荷載箱測試、小尺寸嵌巖樁測試共3種不同型式的試驗裝置對其進行承載性能試驗,如圖8所示。對比3種不同型式的試驗裝置所測得的試驗結果發現,浸水會極大地削弱軟巖樁基的承載性能。

HT為試驗樁樁長;H為荷載箱與樁端間的距離;DD為試驗樁擴底直徑;D為試驗樁直徑;d為鋼筋籠底部尺寸圖8 自平衡試樁示意圖[61]Fig.8 Sketch of self-balanced test piles[61]

但這種方法在從Q-s曲線向P-s曲線轉換時,除自平衡測試加載中荷載傳遞與傳統靜載存在一定差異外,還會受到樁-土(巖)關系及其計算模型、環境溫度變化和施工干擾對樁基承載力的影響,測出的極限承載力實測值均大于理論計算值[62],說明按理論值來設計該嵌巖樁相對來說還是偏于安全的。所以,如何準確、可靠測試出嵌巖樁豎向承載力已經成為當前亟待解決的科學問題。

2.2.3 分布式光纖傳感測試技術

目前分布式光纖傳感測試技術已在建筑、橋梁、樁基礎、隧道等監測中得到了廣泛運用[63-66]。基于時域定位的布里淵分布式光纖傳感技術主要分為布里淵光時域反射(Brillouin optic time domain reflectometer,BOTDR)[67-68]和布里淵光時域分析(Brillouin optical time-domain analysis,BOTDA)[69]兩種。基于BOTDR的分布式光纖傳感技術在埋設光纖傳感器時,傳感器分布較為連續,并且擅長長距離檢測。基于BOTDA的分布式光纖傳感技術可以克服不匹配的標定系數和不一致受力環境這個問題,可以跟蹤整個大直徑嵌巖樁在不同受荷情況下樁基應變曲線,反映嵌巖樁的荷載傳遞機制和承載特性。

為驗證分布式光纖傳感技術檢測嵌巖樁樁身承載性能的可行性,部分學者開展了大量的試驗研究。樸春德等[70]通過現場試驗研發出了一套光纖傳感器埋設工藝,提出了一種應用于鉆孔灌注樁檢測的基于小波分析和移動平均法的BOTDR檢測數據頻譜處理方法。之后樸春德[71]基于BOTDR的分布式傳感技術,通過預埋在嵌巖樁樁身的光纖傳感器對嵌巖樁樁身軸力、側摩阻力分布以及樁端阻力等進行了檢測,研究發現具有一定上覆土層厚度的嵌巖樁,隨著樁頂荷載的增加,樁身軸力逐漸增加;沿深度方向樁身軸力呈現出逐漸減少的現象,側摩阻力在接近嵌巖段上部時較大,而在嵌巖段下部則相對較小。羅勇等[72]基于BOTDA分布式光纖傳感技術對大直徑嵌巖樁承載性能進行研究,通過整個測試過程的數據顯示,具有一定嵌入深度的嵌巖樁在設計時應按摩擦樁考慮,這是因為樁側摩阻力的發揮先于端阻,且上部結構荷載主要由側摩阻力承擔。

雖然分布式光纖傳感技術克服了傳統點式傳感器容易出現漏檢、接觸不良或斷裂等缺點,但目前對于分布式光纖傳感技術應用于檢測嵌巖樁承載力的研究鮮有報道,攻克檢測嵌巖樁承載力的適配性技術成為當前一大挑戰。

3 影響嵌巖樁豎向承載性能的因素

對嵌巖樁豎向承載性能進行的大量試驗研究表明,其單樁承載力與界面粗糙度、嵌巖深度、巖層巖性和強度以及截面尺寸等因素有關。現從粗糙度、嵌巖深度、基巖巖性和截面尺寸出發,深入探究各因素對嵌巖樁豎向承載性能的影響規律。

3.1 粗糙度

3.1.1 孔壁粗糙度

諸多學者通過大量試驗研究發現孔壁粗糙度對嵌巖樁的承載力有著較大影響。在泥巖中,孔壁粗糙度變化較大,因為導致孔壁粗糙性狀的因素很多,例如巖石完整性、鉆孔技術及速度等[73]。Horvath等[74]提出了用凹凸度因子來定量描述孔壁粗糙度的方法,后又經過模型試驗對比分析進一步提出樁側阻力與凹凸度因子的關系:其他條件一定,凹凸度因子越大,樁側阻力越大,從而樁的承載力就越高。在此基礎上,Seidel等[75]、Kong等[76]分別提出樁阻力系數和利用FLAC3D技術反映孔壁粗糙度對樁側摩阻力的影響。然而學者們在探究上述研究成果時,并未充分考慮巖石和地質條件的復雜性,在未來仍需進一步探索和考究。

龔成中等[77]為了探究孔壁粗糙度因子對嵌巖樁承載性能的影響,通過室內模型試驗研究發現,增大孔壁粗糙度有利于提高嵌巖樁的極限承載力和側摩阻力,樁端阻力發揮作用所需的位移逐漸減小。黃生根等[78]根據嵌巖樁靜載試驗資料分析證實了孔壁粗糙度對嵌巖樁的承載力影響較大,如圖9所示,由不同粗糙度與荷載關系曲線可知,在相同樁頂沉降情況下,嵌巖部分孔壁的粗糙度越大,嵌巖樁的承載力就越高,影響原因為:孔壁越粗糙更容易引起樁巖孔壁方向發生剪脹作用,進而提高樁的側摩阻力。

圖9 粗糙度與荷載關系曲線(樁頂沉降=15 mm)[78]Fig.9 Curves of relationship between roughness and load (pile top settlement=15 mm)[78]

3.1.2 樁-巖界面粗糙度

樁-巖界面粗糙度與巖石節理的抗剪強度一樣,樁身在巖石中的阻力是一種摩擦響應,它取決于混凝土樁身與巖石界面的粗糙度,樁-巖接觸面的粗糙程度制約著嵌巖樁摩阻力的發揮,進而對嵌巖樁的承載能力影響較大[79]。國內外學者在研究樁-巖界面粗糙度對嵌巖樁豎向承載力影響方面均已取得了一定的成果。Zhang等[80]通過研究分析發現樁-巖結構面受粗糙度影響較大,增大樁-巖界面粗糙度能減少樁頂沉降,然而在研究時對側阻力的發揮程度并未充分考慮。Jeong等[81]、Dai等[82]、Zhao等[83]、Chong等[84]通過建立粗糙體模型研究粗糙度對樁-巖結構面剪切行為的影響,研究結果表明,樁巖界面粗糙度越大,嵌巖樁的承載性能越好,承載力越大。但上述試驗研究的開展是在將粗糙體剪切破壞面假定為平面的基礎上,Gu等[85]卻通過室內模型試驗發現軟巖嵌巖樁樁-巖界面粗糙體破壞面為曲面而非平面。趙明華等[86]對于軟巖中的嵌巖樁研究時也證實了將樁-巖界面粗糙體剪切破壞面考慮為曲面能更合理。所以目前將粗糙體的剪切破壞面假定為平面的與工程實際情況明顯不符。

在此基礎上,尋求不規則樁-巖接觸面的本構關系更符合工程實際。趙明華等[34]引入分形維數表示的結構面抗剪強度理論模擬樁-巖粗糙接觸面的受力性狀,研究發現分形維數越大,軸力在樁身上部衰減越快,傳遞到樁端的荷載越小,所需樁長越小。在文獻[32]中通過模型試驗同樣也得出了粗糙表面會明顯影響樁側摩阻力分布,進而影響樁的承載力特性。

3.2 嵌巖深度

嵌巖深度在設計嵌巖樁和承載力取值時,大多數情況下是憑借施工經驗增加嵌巖深度,這顯然會對嵌巖樁的設計造成不必要的浪費[87],因此確定合適的嵌巖深度是嵌巖樁在設計時能夠達到經濟、安全、可靠目的的前提,眾多學者紛紛開展對嵌巖樁合理嵌巖深度的研究。明可前[88]認為,嵌巖樁承載力及嵌固力在嵌巖深度為4倍樁徑時達到最大。劉松玉[89]通過分析大量的現場試驗資料,發現樁端阻力所占總阻力的比例較大,提出軟巖嵌巖樁的最大嵌巖深度并非定值,而與巖體強度有關。《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[6]規定嵌巖深度與樁徑比大于5時,端阻力為零。宋仁乾等[90]提出了軟土地基中不同樁徑具有不同的最佳嵌巖深度,并表明不存在最大嵌巖深度,由此可見嵌巖深度是影響嵌巖樁承載力的重要原因之一。吳興序等[91]對昔格達巖層中13根灌注樁進行了單樁豎向靜載荷試驗,結果表明,單樁豎向承載力與嵌巖深度的增加有關且呈非線性關系,單樁承載力隨樁端嵌巖深度的增加而增大。Kim等[92]、Chen等[93]通過研究發現嵌巖段樁側摩阻力隨嵌巖深度增大而呈現出減小趨勢。

3.3 基巖巖性和強度

國內各地區巖層存在較大差異,所以把基巖巖性和強度作為影響嵌巖樁承載力的一個重要因素[94]。東南大學代表趙明華團隊[19]結合現場嵌巖樁試樁資料分析得到不同持力層的嵌巖樁Q-s曲線如圖10所示,可以分析得出樁端基巖強度越大承載力就越大。龔成中等[56]在研究泥質巖地區大直徑深嵌巖樁的承載特性時,同樣得出樁端巖石風化程度對端阻力影響較大,微風化的泥質砂巖和白云巖作為持力層的樁基極限承載力要比弱風化的泥質灰巖高。王向軍[95]在研究嵌巖樁承載變形特性時,分析得到巖石單軸抗壓強度越大,嵌巖段承載力就越大。巖石單軸抗壓強度與樁基承載力關系如圖11所示,試樁在不同基巖巖性下的承載力如表1所示。

表1 試樁在不同基巖巖性下的承載力[95]Table 1 Bearing capacity of test pile under different bedrock lithology[95]

圖10 不同持力層的嵌巖樁的Q-s曲線[19]Fig.10 Q-s curve of rock-socketed pile in different bearing layer[19]

圖11 巖石單軸抗壓強度與樁基承載力關系[95]Fig.11 Relationship between uniaxial compressive strength of rock and bearing capacity of pile foundation[95]

3.4 截面尺寸

不同樁身和巖性條件下嵌巖樁表現出不同的承載變形性狀,其中樁的截面尺寸是主要影響因素之一。目前根據中國現行嵌巖樁承載力計算規范和實際工程總結積累的經驗都可看出,增大樁徑有利于提高嵌巖樁的承載力。但對于大直徑嵌巖樁而言卻并非如此,Pells等[96]較早發現大直徑嵌巖樁的樁側摩阻力會隨著樁徑的增大而減小,并通過模型試驗來進行考證,試驗結果證實了大直徑嵌巖樁的這一特殊性。國內學者對嵌巖樁的尺寸效應研究較少,張建新等[97]、張琦等[98]研究表明,嵌巖樁的樁端極限承載力與嵌巖深度和樁徑密切相關,存在明顯的尺寸效應。龔成中等[99]為了進一步驗證樁的截面尺寸對承載力的影響,基于現場試驗發現樁端阻力隨著樁徑的增加其減小趨勢較為明顯,如表2所示。

表2 樁端阻力與位移關系[99]Table 2 Relations of tip resistance and displacement[99]

4 結論

現代建筑的不斷擴容使得建筑物建造在巖石地基上的可能性越來越大,當前嵌巖樁作為一種特殊樁型在工程界發揮著重要作用。以下從嵌巖樁豎向承載性能的試驗研究出發,對其試驗研究進展進行總結,得到以下結論。

(1)根據大量試驗研究表明嵌巖樁在受荷時樁身與樁周土、巖作用產生側摩阻力,且側摩阻力所占總阻力比例較大,其荷載傳遞特性主要取決于樁-巖接觸面的剪切特性。基于嵌巖樁荷載傳遞規律發現剪切破壞位置發生在樁巖界面、樁周圍巖等。

(2)在嵌巖樁設計時,僅按端承樁設計是不科學的,依托于大量試驗研究,嵌巖樁所表現出的承載特性可為端承樁、摩擦樁或端承摩擦樁的特性。目前大部分學者普遍認為嵌巖樁在工作時,其樁側阻力先于樁端阻力發揮,但也有學者認為樁端阻力與樁側阻力并非異步發揮而是同步發揮。

(3)通過梳理影響嵌巖樁承載力因素的已有研究可知,嵌巖樁承載力隨孔壁或樁-巖界面粗糙度、基巖強度的增大而增加;對于大直徑嵌巖樁而言,無限的增加嵌巖深度會導致承載力降低,無限增大樁徑會使嵌巖樁的樁側摩阻力在一定程度上發生減小現象,在嵌巖深度和樁徑取值時應依據實際巖土層情況而定。

5 未來研究展望

通過研究發現,現有的試驗研究中存在一些不完備之處。

(1)室內模型試驗局限于場地、環境條件,無法完全還原樁基現場土層分布,所獲得的數據值較大;現場試驗雖然是研究嵌巖樁承載力最可靠的試驗方法,但因現場嵌巖樁基本不能加載到極限承載力而無法充分了解其承載特性。兩種試驗方法均存在無法全面獲取嵌巖樁在整個受力過程中的真實變形情況。

(2)自平衡試驗雖然可以獲取深長大直徑嵌巖樁樁側摩阻力和樁端阻力的分布規律,但通過這種方法從Q-s曲線向P-s曲線轉換時,除自平衡試驗加載中的荷載傳遞與傳統靜載存在一定差異外,還會受到樁-土(巖)關系、周圍環境溫度變化等因素影響,從而使得極限承載力實測值與理論計算值出現極為明顯的差異,難以準確掌握嵌巖樁的承載特性。

(3)對于測試大而深的嵌巖樁單樁承載力技術方面,光纖傳感技術較傳統點式測試技術有著明顯的優勢,具有分布式特性。但此技術在實際工程中應用于嵌巖樁承載力測試的研究并不普遍,目前采用光纖傳感技術對嵌巖樁承載性能的研究仍不夠全面和充分。

在對目前試驗研究現狀梳理和總結的基礎上,結合試驗研究中存在的問題,提出以下建議。

(1)由于實際工況的限制,尋求更貼近實際工況的室內模型試驗方法成為今后研究的重點。而對于現場靜載荷試驗中利用自平衡測試法和分布式光纖傳感技術研究嵌巖樁承載力時,也會受到諸多因素的影響,如何克服這些影響因素是在今后現場試驗研究中努力的方向。

(2)CT技術的出現為可視化注入了新的血液,在巖土研究領域得到了越來越廣泛的應用。CT掃描模型試驗裝置能夠實現樁頂加載過程的可視化,能夠直觀、真實地獲得嵌巖樁在軟巖中的承載機理。由于目前應用較少,系統研究和開發CT技術對深入、直觀地獲得嵌巖樁的承載性能具有重大意義。

(3)目前國內外學者對嵌巖樁承載性狀及其影響因素做了大量試驗研究,得出了較為客觀的研究成果,但在實際工程應用及分析研究時遇到的例如如何經濟、有效、完全地獲得嵌巖樁分析所需基礎性資料以及要更加重視試驗與理論分析相結合等問題的研究工作尚且不足,同時在研究嵌巖樁豎向承載性能時,要綜合考慮各方面因素的影響,從而對嵌巖樁承載力做出更加精確的估算。