嵌岩灌注桩承载力的探讨

梅瑞

（南京江宁区住建工程设计审查中心，江苏 南京 211100）

嵌岩灌注桩承载力的探讨

梅瑞

（南京江宁区住建工程设计审查中心，江苏 南京 211100）

介绍了嵌岩灌注桩承载力的计算，对嵌岩灌注桩的承载特性、桩侧阻力与桩端阻力的关系、桩端阻力难以发挥的原因、施工中遇到的问题进行了探讨。

嵌岩灌注桩；桩侧阻力；桩端阻力；摩擦桩；端承桩

0 引言

随着国家经济的发展，高层建筑物和大型构筑物越来越多，单桩设计的承载力越来越高。为了满足设计桩基高承载力的要求，设计者不得不采取加大桩身截面、提高桩身混凝土强度的方法；另一方面，采取加大桩长、将桩基嵌入到基岩，即采用嵌岩灌注桩的方法。

将灌注桩设计为嵌岩桩，可以充分利用基岩高承载力、低压缩性的特点，大幅度提高单桩承载力，降低建筑物的沉降，提高建筑物的抗震性能。

但是，由于人们对嵌岩灌注桩的承载机理和荷载传递特性以及上覆土层情况认识不足，因而片面强调了嵌岩，增大嵌岩深度，甚至在基岩上采用桩基扩大头的方法，但实验结果却使得设计并未达到预期的目的，同时给施工带来了诸多困难，给国家造成了经济损失。

目前，国内外对大直径灌注桩是否嵌岩，嵌岩效果如何已做过许多试验研究。为满足高承载力设计要求，使得基础设计更加经济、安全、可靠，因此有必要针对嵌岩桩的承载性状以及设计施工中的问题进行讨论。

1 单桩承载力计算

1.1 《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）

单桩竖向承载力特征值计算公式如下：

ξr—桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数，与嵌岩深径比hr/d、岩石软硬程度和成桩工艺有关，一般hr/d越大，ξr越大。

1.2 《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）

当桩嵌入完整基岩，桩长较短、嵌入较浅时：

1.3 《公路桥涵地基与基础设计规范》

1.4 《铁路桥涵设计规范》

从以上规范可看出，嵌岩桩的单桩承载力由两部分构成，一是桩侧总的摩阻力，另一个是嵌岩端的端阻力。表面上看，单桩的承载力由端阻力起控制作用。

2 嵌岩灌注桩的承载特性

2.1 嵌岩桩等价于非嵌岩桩，属于摩擦桩

嵌岩灌注桩的设计，人们往往只考虑支承于基岩的桩端阻力的作用，不论桩的长短或长径比的大小，在单桩承载力确定方法以及桩身配筋长度上，一律把嵌岩灌注桩作为端承桩处理。大量的实测资料表明，嵌岩灌注桩在大多数情况下属于摩擦桩而非端承桩。从图1可看出。

（1）无论桩端是基岩层还是一般密实的粉砂层，桩身轴力随深度递减，嵌岩桩上覆土层的桩侧摩阻力与非嵌岩桩一样，在桩身受荷变形过程中，都被调动起来，桩侧摩阻力先发挥也容易发挥作用。

图1 桩身轴力随深度分布曲线

（2）由于桩侧覆土层、风化岩层的强度特性不同，对桩侧阻力的贡献也不同，表现在二者荷载—深度曲线（Q—H）的斜率dQ/dH不同。显然，风化岩层的强度大大高于上覆土层，嵌岩段桩侧阻力较大，而上覆土层桩侧阻力较小。因此嵌岩段桩侧阻力对于分担荷载起到极其重要的作用。

（3）无论桩端嵌入风化岩还是落入粉砂层，桩长达到一定深度后，桩端阻力都很小，桩端阻力均未完全发挥。

国内外一些试验结果表明，当桩的长径比L/ d=1～20时，嵌岩桩的端阻力占桩顶荷载比Qp/Q从100%降至30%；当L/d=20～60时，Qp/Q一般不超过30%，大部分在20%以下，个别只有5%，与此相应的桩侧摩阻力比Qs/Q则随桩的长径比L/d的增大而增大，一般在70%以上。

因此，当L/d≥40时，上覆土层较厚且强度较高，桩顶荷载基本由提供的桩侧摩阻力分担，传到嵌岩部分的力就很小。此时对于上覆土层深厚的大直径嵌岩桩与支承于砂层的非嵌岩灌注桩承载性一样，呈现摩擦性状。

2.2 嵌岩桩不同于非嵌岩桩，属于端承桩

当桩的长径比L/d≤40，或上覆土层较薄且强度较低时，能提供的桩侧摩阻力有限，这时非嵌岩桩不能达到设计荷载要求，桩顶荷载必然会传递到深层嵌岩部分，这时呈现端承桩性状，因此将桩设计成嵌岩桩，以提高设计承载力。

2.3 嵌岩桩的深度大小

（1）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）——对于嵌入倾斜的完整和较完整岩全断面深度不宜小于0.4 d且不小于0.5 m，对于嵌入平整完整的坚硬岩和较硬岩深度不宜小于0.2 d且不应小于0.2 m。

（2）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）——灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体，最小深度不宜小于0.5 m。

（3）《公路桥涵地基与基础设计规范》给出了圆形桩计算公式：h=Mh/0.066BRaD

通常设计和施工时，嵌岩桩的深度取值都较大，一般在3 d以上。

关于嵌岩深度大小，人们似乎认为嵌入越深，桩的承载力越高，其实这种想法是没有依据的。实验证明：①在同一场地同一桩径嵌入同一基岩层，但嵌岩深度不同的二根桩，当其竖向承载力在未达到极限状态之前，二根桩在嵌岩段的侧摩阻力和端阻力之和是较接近的。②无论持力基岩层风化程度高低，传递到桩端应力随嵌岩深度增大而变化：桩端应力在基岩面较小，随着深度增大而迅速增加，当H/d=0.5左右时，增至最大；随后，随着深度增大而递减，当嵌岩深度达到5 d时，传递到桩端应力接近于零。因此，增大嵌岩深度，只是增大施工难度和增加工程投资。建议嵌岩深度选用0.5～1.0 d，最大不超过1.5 m。

2.4 大部分实验中，嵌岩桩的破坏是以桩身强度破坏而终止试桩的。桩身周围岩体强度并未完全发挥作用，更不可能产生岩体破坏。由于桩岩相对位移很小，所以端阻力发挥很小。因此可以适当增加沉降量以促使端阻力和摩阻力的发挥，只是要控制沉降量的大小。

3 设计实例

3.1 工程概况

镇江市农业银行与镇江龙山鳗鱼厂联合建造26层的办公综合楼，该房屋位于镇江市中心。镇江市位于宁镇山脉东段，北靠长江，属低山—丘陵地带，拟建区属冲积平原工程于质区的一级阶地工程地质区，由于河流的冲刷堆积，原来的土层被剥蚀，新近沉积了一些软弱土层，其下分别为第四纪上更新统一般粘性土、第四纪上更新统碎石土，风化层及基岩，土层成分均匀，基岩面起伏不大。

3.2 设计方案

表1 工程地质土质分类一览表

根据建筑上部结构总重量及工程地质报告提供的参数，基础选用桩基，桩尖持力层为第10层基岩。从基岩顶板埋深等高线分布图可以看出，呈倒扣的锅底形，基岩埋深较深，如采用人工挖孔桩则施工难度大，又不安全。经方案比较及结合当地建筑工程的经验和施工条件，决定采用直径为Φ1 000 mm的钻孔灌注桩，通长布置钢筋笼。

3.3 设计计算

根据钻探报告，所提供的qpa、qsia为桩端阻力特征值、桩侧阻力特征值，初步设计估算出单桩竖向承载力特征值:Ra=qpaAp+Up∑qsiaLi，Ap=1/ 4πD，Li=πD。算出结果：Ra=5433.7 kN，取Ra= 5 400 kN设计。

3.3 实验结果

（1）桩基的静载试验为工程界公认的最直接、最可靠地现场测定单桩竖向极限承载力的有效方法。因此设计中以静载试验为主，辅以大应变、小应变方法，用来检测桩的质量和确定桩的竖向极限承载力。静载试验采用锚桩压重联合装置，慢速维持荷载法测定，单桩竖向极限承载力可根据沉降量来确定。该桩桩长≥45 m，属于端承摩擦桩，只要桩体质量、施工有所保证，泥浆粘度、比重、含砂率在规定范围内，保证桩侧摩阻力的发挥，那么该桩属于缓变型Q-S曲线。可取S=40 mm对应的荷载作为极限承载力取值，单桩竖向承载力特征值为极限承载力值除以2。

（2）由于地质报告所提供的中风化岩、强风化岩没有明显界限，中风化岩的数值没有提供，而实际打桩进入第10层土后，进尺非常困难，初步判定有一层中风化岩，后钻探部门补充资料，判定中风化岩厚度不均，在0～7 m变化，因此根据钻探部门逐步完善的数据，通过与甲方、施工单位的研讨，分析了施工钻机进尺状况，作如下处理：①对大部分桩，没有中风化岩层，要求桩嵌入微风化岩，嵌入深度1 d桩径。②少部分桩由于有中风化岩层，岩深较厚，则嵌入中风化岩2.0 m。

3.4 测试结果

本次共检测7根钻孔灌注桩，检测原始资料用CAPWAPC，分析结果见表2。

实验结果：只要桩端嵌入岩层一定深度，即能达到单桩的竖向承载力的要求，嵌岩桩的桩端反力占桩顶荷载的比例≤25.1%，属于摩擦桩。

4 嵌岩灌注桩设计探讨原因

4.1 造成嵌岩灌注桩桩端反力难以发挥而呈摩擦性状的原因

（1）受桩长影响。如今大型建筑越来越多，桩都很长，桩径也很大，而基岩埋深大，其上覆土层桩侧摩阻力已相当可观，而桩底反力自然就小了。

（2）桩—岩位移要比桩—土位移小得多。此时桩—岩相对位移达到2～4 mm,桩身在嵌岩段的侧阻力就能达到极限值，因此桩顶荷载很难传递到嵌岩桩的深层桩底部位。

（3）施工中，桩底沉渣不可能清除干净，桩越长，清渣越难，因此在桩终孔时，桩底总是残留一部分沉渣，或者由于岩土被扰动时，这部分沉渣层或扰动层就形成一个可压缩的软垫。这一软垫的压缩，导致嵌岩桩段、岩体间桩身与岩体间产生相对位移。这样桩顶荷载传递到嵌岩段时，首先使桩侧阻力充分发挥出来，然后是桩底的沉渣压实，最后才传至桩端基岩，这样桩端阻力发挥就很小。

表2 钻孔灌注桩检测分析

4.2 嵌岩灌注桩设计中不要盲目做扩大头的原因

（1）当桩底产生一个很小的沉降后，扩大头侧面与岩体接触面会脱离。

（2）当桩端岩层为硬质岩，一般桩身混凝土强度为C30～C40，而基岩强度比桩身混凝土强度要高，因此在强度较高的岩体上钻孔，甚至做扩大头，然后灌入比岩体强度低的桩身混凝土，得不偿失。

（3）对于大部分嵌岩灌注桩都呈现摩擦型桩的特性，桩端阻力发挥总是滞后于桩侧阻力，桩端阻力很难达到极限状态。因此想通过采用扩大直径提高桩端阻力是无意义的。

5 施工中应注意的问题

5.1 控制泥浆制备确保桩侧摩阻力发挥

钻孔灌注桩成孔过程形成了厚约1～2 cm厚的护壁泥浆圈，呈胶泥状的泥浆圈的摩阻力是比较低的，桩在荷载作用下很可能沿混凝土与泥浆圈的胶结面或泥浆圈中的某一个界面发生滑移，使钢筋混凝土桩身不能直接与桩侧土体接触，因此泥浆制备应选用高塑性粘土或膨润土。

只有根据施工机械、工艺及穿越土层进行泥浆的配合比设计，才能保证钻孔灌注桩的成孔过程，保证桩身直径。在清孔过程中，应不断置换泥浆，使其成桩之后，桩侧不存在或存在很薄的泥浆，才能确保摩擦桩中主要摩阻力的发挥。

5.2 控制桩身的施工工艺，确保成桩质量

钻孔机具及工艺的选择，应根据桩型、桩孔深度、土层情况、泥浆排放及处理等条件综合确定。对孔深大于30 m的桩，应采用反循环工艺成孔或清孔。只有严格控制施工工艺的每一环节，才能确保桩身的成桩质量，避免缩颈、断桩或桩身夹泥等质量事故。

5.3 控制桩底沉渣厚度确保嵌岩桩的端承力的发挥

规范要求孔底沉渣厚度在50 mm之内，对于端承摩擦桩，孔底沉渣厚度≤100 mm。否则根据沉降量确定的极限承载力，控制在S-40 mm（非嵌岩桩60～80 mm）所对应的荷载为极限承载力就很难保证。

6 结语

（1）在上覆土层较厚强度较高的情况下，当依靠基岩以上的上覆土层计算的大直径灌注桩的竖向承载力已大于设计所要求的承载力时，再将桩端嵌人中风化以上程度的基岩，甚至加大嵌岩深度，加大桩的径是不适宜的。

（2）当计算出的单桩竖向承载力不能满足设计要求时，方可将桩嵌入基岩，以充分利用及基岩较高的桩侧阻力、桩端阻力。但应注意桩的长径比，适当选择嵌岩深度，一旦选择较小的嵌岩深度能满足设计承载力时，就不必为求安全而硬性规定嵌岩深度，不必拘泥于1倍或2倍桩径。

（3）为了达到单桩设计竖向承载力，应严格控制成孔成桩施工工艺和沉渣厚度。

总之，设计嵌岩灌注桩必须综合桩的长径比、上覆土层情况、基岩的承载特性和成桩工艺，才能使得设计更加安全、经济、可靠。

作者：梅瑞（1963-），女，本科，高级工程师，工业与民用建筑专业。

2014年中国水泥上市公司综合实力排名公告（节）

为展示中国水泥行业上市公司的竞争实力，鼓励水泥企业做优做强，培育具有国际竞争力和影响力的龙头企业，推动水泥行业健康持续发展，中国水泥协会本着公开、公正、科学的原则，组织业内专家和证券金融界的专家共同进行了论证评选，现将2014年中国水泥上市公司综合实力排名结果予以公告。

中国水泥协会

2014年7月18日

This paper introduces calculation of bearing capacity on bock socketed piles.The bearing characteristics on bock socketed piles,the relationship of pile side resistance and end resistance，the reason of difficulity to play on pile end resisistance，and problems encountered in the construction are discussed on lock socketed piles.

bock socketed piles；pile side resistance；pile end resistance；friction pile；end bearing pile

2014年中国水泥上市公司综合实力排名表

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2014-7-16）