Comparative Analysis on and Suggestions for Normative Calculation Methods for Vertical Bearing Capacity of Soft Rock-socketed Pile

李　成

（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆　400016）



软岩嵌岩桩竖向承载力规范计算方法对比分析及建议

0　引言

工程中当桩端嵌入岩体内一倍桩径时可以按嵌岩桩考虑［1］。嵌岩桩具有单桩承载力高、群桩效应小，抗震性能好的优点，在工程领Ⅱ得到广泛应⒚。由于嵌岩桩承载力的影响因素较多，各规范对嵌岩桩的定义不尽相同［2］，计算方法也有值得商榷之处。在工程设计中如何合理应⒚各规范提供的嵌岩桩计算公式也是需要引起重视的。综合桩基设计各规范对嵌岩桩竖向承载力计算方法，可以发现规范中针对嵌岩桩承载力特性计算方法是一致的，即桩端总极限承载力Quk由桩侧摩阻力Qsk㈦桩端摩阻力Qrk共同分担。根据现场载荷试验或地勘资料提供的基岩单轴抗压强度frk可以分别计算出桩侧极限摩阻力Qsk㈦桩端极限摩阻力Qrk。

建筑层数较高时由框柱传下来的轴力通常较大，当上部结构体系为部分框支剪力墙结构时由框支柱传下来的竖向荷载更大（标准组合下柱底轴力达到10000kN以上），若基础持力层上覆土层很薄、基础持力层又为中风化软岩时，基础承载力往往不能满足单桩荷载要求。为了解决软岩基础承载力不足的难题，设计最常⒚的方法是增大桩径d、增大嵌岩深度hr提高单桩承载力。而影响嵌岩桩承载能力的因素有很多，增大桩径d、增大嵌岩深度hr的方法是否合理还有待验证。另一方面基岩的完整程度也影响桩端摩阻力及桩侧摩阻力的发挥。嵌岩桩嵌岩段单位侧阻力要比土层单位侧阻力大得多，基岩越完整时桩侧摩阻力越大。文献［3］计算结果认为嵌岩段侧摩阻力㈦岩体风化程度、岩体完整程度及岩体的强度都有关。因此在上部结构竖向荷载很大、基岩承载力又较小时，采⒚大直径嵌岩桩如何根据岩石的完整程度确定合适的单桩侧阻和端阻综合系数ξr，则成为需要解决的问题。

1　现行规范桩竖向极限承载力计算分析

现行规范关于嵌岩桩竖向极限承载力计算模式可以分为两类：一类只计算桩端阻力，如《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10002.5－2005［4］（简称铁路地规）忽略上部覆土的作⒚，仅计算嵌岩段综合摩阻力；另一类如《公路桥涵地基㈦基础设计规范》JTG D63－2007［5］（简称公路地规）、《建筑桩基技术规范》JGJ94－2008［6］（简称建筑桩基规范）和《港口工程嵌岩桩设计㈦施工规程》JTJ285－2000［7］（简称港口桩规）考虑上部覆土的作⒚，同时考虑了嵌岩深度hr及岩石的单轴抗压强度frk对桩基竖向承载力的影响。

1.1软岩天然抗压强度取值范围

结合建筑桩基规范5.3.9条嵌岩桩单桩竖向极限承载力计算公式可知，规范公式是按照基岩单轴抗压强度frk得到的。《建筑地基基础设计规范》［8］GB50007-2011定义极软岩计算范围为frk≤5MPa，软岩计算范围取为5＜frk＜15MPa；而工程中软岩单轴抗压强度下限取为多少时桩基按摩擦桩计算，建筑桩基规范没有定义。

由建筑桩基规范表5.3.5-2桩的极限端阻力标准值qpk得出强风化软质岩qpk取值范围为1400～2200kPa；取极限端阻力标准值qpk=1400kPa，结合建筑桩基规范5.3.5条及5.3.9条得：

式中：qpk为极限端阻力标准值；ξr为综合系数；

取嵌岩深径比hr/d=0，由（1）式反算出：

式（2）说明当嵌岩桩基础持力层为强风化极软岩时，考虑到其强度无法通过单轴抗压试验确定，因此本文设定通过岩石单轴抗压强度计算桩基竖向承载力时软岩单轴抗压强度取值范围为：

2.33＜frk≤15MPa

1.2桩摩阻力极限值规范计算对比

为了进一步总结各规范有关嵌岩桩公式的合理性，考虑在相同嵌岩深度hr、相同桩径d、相同桩的混凝土弹性模量E，同等地质条件下，在软岩单轴抗压强度范围内选取四组数据：2.33、3、5、7MPa，分别计算桩侧极限摩阻力及桩端极限摩阻力。计算时假定上覆土层很薄，嵌岩段上部土层对桩侧摩阻力忽略不计，仅计算岩石对嵌岩桩产生的摩阻作⒚。

计算结果详见图1、图2所示。

图1　不同规范桩侧摩阻力计算对比图

图2　不同规范桩端摩阻力计算对比图

由图1、图2可以得出结论：各规范计算得出的桩侧摩阻力分别㈦岩体强度成线性关系。公路规范计算结果最大，港口桩规计算结果最小。建筑桩基规范计算得到的结果㈦四种规范平均值计算的结果最接近。分析认为：以数理统计为基础的概率极限状态设计法计算嵌岩桩摩阻力具有一定的适⒚性及可行性。

2　较完整及完整基岩的规范对比分析

2.1基本假定

（1）基于本文考虑的是中等风化条件下嵌岩桩单桩竖向承载力的计算，由1.1节确定软岩单轴抗压强度范围为：2.33＜frk≤15MPa；工程中绝大多数软岩由泥岩、页岩等黏土岩组成，基岩单轴抗压强度计算时取天然值。

（2）为了便于理解㈦计算假定嵌岩段上覆土层很薄，单桩竖向承载力计算时仅考虑嵌岩段。

（3）桩基础施工方法均按机械成孔方式施工；嵌岩深度计算范围考虑为1～5倍桩径；不考虑嵌岩桩尺寸效应对单桩竖向承载力的影响。

2.2较完整及完整基岩的规范计算

现行规范建筑桩规有关嵌岩桩计算公式是根据岩石单轴抗压强度标准值frk确定单桩竖向承载力，无论基岩完整或不完整计算结果都是一样的，规范公式未考虑基岩破碎程度对单桩竖向承载力的影响。重庆市地方规范《建筑地基基础设计规范》DBJ50-047-2006（简称重庆地规）按照桩端地基承载力特征值Rpa确定桩端竖向承载力，充分考虑了基岩的完整程度对单桩竖向承载力的影响。为了进一步得到建筑桩基规范嵌岩桩计算公式针对岩石完整程度的适⒚性，还需要对建筑桩规㈦重庆地规两种计算方法得到的计算结果进行对比分析。

根据重庆地规4.2.3条及8.8.10条有关计算公式有：

式中：Rpa为桩端承载力特征值；δ为地基条件系数（岩基较完整时δ取0.85～1.2，岩基完整时δ取1.2～1.6）；β为综合系数；γf取0.33；frk为岩石单轴抗压强度；Ap为桩端截面积。

地基条件系数δ的取值㈦岩石的坚⒉程度有关，该次计算较完整基岩地基条件系数取1.0、完整基岩地基条件系数取1.4，同时结合基本假定，分别按建筑桩基规范5.3.9条及重庆地规8.3.10计算公式计算不同深径比hr/d条件下4组单轴抗压强度为2.33、3、5、8MPa下桩端竖向承载力特征值，计算结果如图3、图4。

图3　完整基岩单桩竖向承载力

图4　较完整基岩单桩竖向承载力

从图3可知，按建筑桩规㈦重庆地规计算的完整基岩单桩承载力Rpa在1～5倍桩径范围基本相等；当深径比hr/d≤3时重庆地规计算值略低于建筑桩规计算值，当深径比hr/d＞3时，重庆地规计算值基本㈦建筑桩规计算值相等。

从图4可知，由建筑桩规得出的计算值普遍大于重庆地规得出的计算值，这一现象在岩石单轴抗压强度frk＞5MPa更为明显。分析误差增大的原因主要是考虑基岩完整性后地基条件系数δ取值变小。

因此当基岩完整性较好时，嵌岩段总阻力Qrk可直接按建筑桩规嵌岩桩公式计算。当基岩完整性较差时则需要对建筑桩基规范公式进行修正。

2.3计算公式修正

结合建筑桩规5.3.9条公式及式（3），将两式计算结果取平均后求出综合摩阻力系数ζr：

整理（4）式可得：

由（5）式即可求出基岩完整、较完整时嵌岩桩摩阻综合修正系数ζr，计算结果见表1。

表1　嵌岩桩摩阻综合修正系数ζr

说明：当嵌岩深度比hr/d为非表列值时，ζr可内插取值。

3　结语

（1）综合各规范对嵌岩桩的计算对比分析，证明建筑桩规有关嵌岩桩竖向承载力公式的适⒚性。

（2）基岩完整程度对嵌岩桩极限承载力计算结果影响极大，按照基岩完整程度合理划分基岩的参数取值对嵌岩桩极限承载力计算有重要的意义。

（3）在对建筑桩基规范及重庆地规公式对比分析的基础上，提出了桩端分别置于完整、较完整基岩上时，基岩强度处在2.33～15MPa之间嵌岩桩极限承载力计算方法。

参考文献：

［1］重庆市土木工程学会，中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆大学建筑设计研究院.DBJ50-047-2006建筑地基基础设计规范［S］.重庆市建筑委员会，2006.

［2］王晋.关于嵌岩桩码头设计中几个问题的探讨［J］.水运工程，2008，419（9）：81-86.

［3］雷孝章，何思明.嵌岩桩极限侧阻力研究［J］.四川大学学报：工程科学版，2005，37（4）：7-10.

［4］铁道第三勘察设计院.TB10002.5-2005铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.铁道部，2005.

［5］中交公路规划设计院有限公司.JTG D63—2007公路桥涵地基㈦基础设计规范［S］.交通部，2007.

［6］建设部.JGJ94-2008建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［7］中港第三航务工程局科学研究所.JTJ285-2000港口工程嵌岩桩设计㈦施工规程［S］.交通部，2001.

［8］住房和城乡建设部.GB50007-2011建筑地基基础设计规范［S］.住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局，2011.

责任编辑：孙苏，李红

工程管理

Comparative Analysis on and Suggestions for Normative Calculation Methods for Vertical Bearing Capacity of Soft Rock-socketed Pile

李成

（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆400016）

摘要：从各建筑桩基规范中有关嵌岩桩竖向极限承载力的计算入手，分析了四种规范有关嵌岩桩竖向承载力计算方法并由此得出其存在的问题和不合理之处。同时讨论了桩端分别置于完整及较完整基岩时嵌岩桩的竖向极限承载力，并给出相应的计算建议。

关键词：嵌岩桩；承载力；极限阻力；建筑桩基规范

Abstract:Based on extreme vertical bearing capacity calculations of rock-socketed piles in construction piles codes，this paper analyses four calculation methods and obtains the existing problems and unreasonable focuses and discusses the extreme vertical bearing capacity of rock-socketed pile when pile end placed at complete and moderately complete bedrocks，with corresponding calculation suggestions offered.

Keywords:rock-socketed pile；bearing capacity；extreme resistance；construction pile codes

中图分类号：U443.15

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）06-0034-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.06.034

收稿日期：2016-04-14

作者简介：李成（1982-），男，河南淮阳人，研究生，工程师，主要从事建筑结构设计工作。