陶燕春

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200333)

目前国内勘察设计企业的业务范围渐渐从单行业拓展至多行业，而不同行业采用规范标准的设计理念并不完全一致，如桩基单桩竖向承载力计算公式均有所不同，相对而言，根据经验参数法计算摩擦桩的单桩承载力公式大同小异，都是基于单桩竖向承载力等于桩侧土阻力与桩端土阻力之和，尤其桩侧土阻力计算公式主要的行业标准均完全一致，仅在桩端土阻力计算时，不同规范采用的参数和公式有所区别，最终计算结果一般情况下也出入不大。但关于嵌岩桩，因出版年代、编制理念、安全度不同等原因，根据不同行业标准内所列公式计算的单桩竖向承载力有时可能会出入较大，故本文试以设计经常使用的行业标准《铁路桥涵地基与基础设计规范》[1](以下简称铁路桥规)、《公路桥涵地基与基础设计规范》[2](以下简称公路桥规)、《建筑桩基技术规范》[3](以下简称建筑规范)为例，对部分行业标准中关于嵌岩桩单桩竖向承载力计算方法的异同及使用过程中发现的问题进行探讨。

1 部分行业标准中关于嵌岩桩单桩竖向承载力计算公式及编制说明

铁路桥规条文5.3.4[1]所列“支承于基岩上或嵌入基岩内的钻(挖)孔桩、沉桩的单桩轴向受压承载力容许值,可按下式计算]：[P]=R(C1A+C2Uh)”(公式1),各指标代表意义详见规范条文(下同),该计算公式表明铁路桥规只考虑嵌岩桩嵌入基岩部分的侧阻力和桩端阻力,而不考虑嵌岩桩经过土层(包括强风化层和全风化层均不考虑)的桩侧土摩阻力,同时在条文说明中进行了相应编制说明,认为桩侧土对桩身作用的向上摩阻力不容易确定,随桩的施工方法、施工质量、桩侧土的类别、桩底土的坚硬程度以及桩身的轴向刚度而异。为安全计,该规范不考虑柱桩侧面土承受桩身轴向荷载,而将柱桩承受的全部轴向荷载考虑由桩底坚硬地层承受,柱桩侧面土对桩身作用的摩阻力仅视为安全储备[1]。

建筑规范条文5.3.9[3]中所列“桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力,由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成。当根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时,可按下列公式计算：Quk=Qsk+Qrk”(公式3),其中Qsk=u∑qsikli、Qrk=ζrfrkAp,同时在条文说明中对嵌岩段总极限阻力的构成进行了分解说明,相应的也为嵌岩部分的侧阻力、桩端阻力,只是编制时将侧阻、端阻系数合并体现为计算公式中的侧阻和端阻综合系数ζr,见表1[3],该表因放在条文说明中,故其含义及作用常被技术人员所忽视。

表1 嵌岩段侧阻、端阻系数ζs、ζp及侧阻和端阻综合系数ζr

2 使用各行标嵌岩桩单桩承载力计算公式时发现的问题

在使用各行标进行嵌岩桩单桩承载力计算时,发现存在一些问题。

问题1：公路规范采用公式(2)计算嵌岩桩单桩承载力时,明确规定强风化层和全风化层按土层考虑,同时规定桩端岩石的饱和单轴抗压强度值frk小于2 MPa时按摩擦桩计算,但未提供frk小于2 MPa的基岩(部分极软岩)的桩侧土极限摩阻力建议值,同时铁路规范公式(1)也要求h为自新鲜岩石面算起的嵌入深度,两个公式均未考虑硬质岩强风化基岩单轴抗压强度可能较高甚至超过一部分极软岩的情况,且桩基经验参数表中均未提供强风化基岩的桩侧极限摩阻力建议值。当桩周存在强风化基岩时,如何选取该层的桩侧摩阻力参数,或硬质岩强风化基岩是否可作为嵌岩桩考虑均未提及,尤其铁路设计单位往往由设计人员自行查表确定桩侧和桩端阻力值,而不是由勘察报告提供建议值,这样对设计人员的经验要求较高。

问题2：建筑规范提供了全风化和强风化基岩的桩侧阻力建议值范围,应用公式(3)时可查表选取,但规范附注中对强风化软质岩和强风化硬质岩定义为系指其母岩分别为frk≤15 MPa、frk>30 MPa的岩石,缺少(15,30]这一区间范围,且简单地用母岩强度划分为2类而未考虑风化岩强度、均匀性等状况不尽合理。

问题3：铁路规范公式(1)不考虑桩侧土阻力,当桩侧土层及强风化基岩总厚度达一定值且嵌入基岩为软岩、极软岩时,此时实际桩侧总阻力占比较大,直接按规范条文说明作为安全储备不太合理,尤其遇设计对单桩承载力要求较高时(如大跨度桥梁),势必造成嵌岩深度达较大值才能满足设计要求。而根据文献[4],当泥浆护壁钻(挖)孔嵌岩桩的长径比L/d>15～20时,加上桩底沉渣因素,其荷载传递具有摩擦桩的特征,即桩侧阻力先于端阻力发挥出来,荷载并不是全由桩端承担,这样桩基设计安全度偏大,不太经济。另外,当桩基嵌入基岩一定深度后,经常遇到嵌岩段为多种基岩软硬相间(如砂页岩互层等),甚至中间夹了强风化层,这样采用公式(1)时R、h值均无法按要求选取单一值,造成设计人员很大的困惑,甚至计算时不计软夹层厚度,更加不经济。而建筑规范同样也存在类似问题,当嵌岩段地层多样时,公式(3)中的侧阻和端阻综合系数ζr无法既经济又合理地按规范直接查表取值。

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

Qrk=ζs1frk1πdh1+ζs2frk2πdh2+

ζr=4(ζs1frk1h1+ζs2frk2h2+ζs3frk3h3)/

(frk3d)+ζp=0.877

表2 算例1各参数

3 根据不同行标对相同地层条件下的单桩承载力估算案例

某铁路客运专线特大桥,标准梁跨32 m,采用承台下8-φ1.00 m钻孔桩,地层及主要桩基设计参数如表3(括号内为同桥分区段存在的另一种基岩,为砂质泥岩)。其中4-2层强风化基岩的桩周极阻摩阻力值是假设R=5σ0(按极软岩、节理不发育)、C2取0.03计算所得。

表3 各地层主要桩基设计参数

按进入4-3泥质砂岩层6 m,采用公式(1)计算单桩容许力值[P]=6 000×(0.4×3.14×0.5×0.5+0.03×3.14×1×6)=5 275 kPa。此时按摩擦桩计算的桩侧土总阻力(强风化层及以上)为3.14×1×(55×8+10.6×60+5.4×105)/2=2 579 kPa,占比近49%。该桥基岩砂质泥岩区段,若上部地层类同,则按公式(1)计算进入基岩6 m时[P]仅为2 110 kPa,尚不如此时的桩侧土层总阻力2 452 kPa,若改用“铁规”摩擦桩公式计算将更为经济合理。相同地层若按公式(2)计算,取C1=0.5、C2=0.04、ζs=0.8,同样进入4-3层6 m,则单桩承载力容许值可分别达8 940 kPa和4 712 kPa。同样按建筑规范计算进入4-3层6 m,强风化层桩侧极限摩阻力按表3取值(为便于比较,未采用规范查表范围值的下限140 kPa),查表ζr=1.63,按公式(3)计算得到的Quk除以2为单桩承载力特征值,分别为6 418 kPa和3 917 kPa。从本算例可见,若计入桩侧土阻力,则铁路规范计算所得的单桩承载力将比建筑规范稍大而比公路桥规略小(根据其他计算经验,铁路规范摩擦桩公式因对桩端阻力的安全度偏高些,故按摩擦桩公式的计算结果会较另两规范都略偏小些,本文不再表述),否则按公式(1)直接计算时则明显小于后两者,不太经济。

再按嵌岩1 m、桩端基岩为硬质岩(取单轴饱和抗压强度为30.1 MPa为例)、上部地层同表3为例,按公式(1)计算的单桩容许承载力为12 286 kPa,公式(2)为16 110 kPa,公式(3)为12 149 kPa,所以当桩端为单轴抗压强度较小的极软岩、软岩或桩侧地层较厚且非软弱土时,采用公式(1)计算因不考虑桩侧土阻力作用,相对而言不太经济合理,而桩端为硬质岩时,采用3种行业标准计算结果更为接近,且此时设计采用的单桩承载力值应考虑以桩身结构强度控制。

4 结论

因嵌岩桩的受力情况较为复杂,以往试验成果也相对较少,故不同行业标准中的计算公式均有其适用性和局限性,相对而言,当桩身地层相对较好且厚度较大、桩端置于极软岩时,采用“铁规”嵌岩桩计算公式相对偏于安全,建议作摩擦桩方案比选,当桩端置于硬质岩时,各行标计算结果更为接近,同时设计应进行桩身结构强度验算,与岩土体提供的单桩承载力计算值进行比较,取小值作为设计的单桩承载力值。

[1] 铁道部.TB 10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005

[2] 交通部.JTG D63—2007 桥涵地基和基础设计规范[S].北京：人民交通出版社,2007

[3] 建设部.JGJ 94—2008—87 建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2008

[4] 阎海鸿.嵌岩桩设计中值得注意的几个问题[J].珠江水运,2008(2)

[5] 交通部第一铁路设计院.铁路工程地质手册[M].北京:人民交通出版社,1975

[6] 赵春彦,吴兴序,宋天田.昔格达岩层中灌注桩极限承载力的合理预测[M].铁道勘察,2006(1)

[7] 林宗元.岩土工程勘察设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社,1996:497-498

[8] 郭时安,吴东强.考虑桩底沉渣影响的大直径钻孔灌注桩承载力分析[M].铁道勘察,2010(4)

[9] 钟亮,许锡宾,许光祥.嵌岩桩竖向承载力设计问题的分析与探讨[J].路基工程,2009(5)：38-39

[10] 葛崇勋,张永胜.关于嵌岩桩竖向承载力计算方法的探讨[J].江苏建筑,2001(4)：47-52