桥梁嵌岩桩受力机理及最佳嵌岩深度研究

刘　洋

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

桥梁嵌岩桩受力机理及最佳嵌岩深度研究

刘洋

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要在嵌岩桩设计过程中，嵌岩深度观点各异。文中以实际工程项目为依托，借助国外流行的理论计算公式，分析了嵌岩桩竖向承载力的影响因素，总结了嵌岩桩受力机理及最佳嵌岩深度。

关键词嵌岩桩端承桩侧摩阻力端阻力最佳嵌岩深度

近年来，由于嵌岩桩沉降量小、承载力高、施工方便、经济等优点，在贵州桥梁工程中应用越来越广泛。然而，在嵌岩桩设计时，设计师们对嵌岩桩的受力特性认识不足，计算和分析重视程度不够，往往按经验进行取值，使得现有桥梁桩基设计过于保守或出现承载力不足的情况。大量的工程实例和试验资料表明，桩基底部地质情况的变化，嵌岩桩呈现不同的受力状态，其承载能力也会受较大的影响，不能简单按2.5D等经验值直接进行入岩设计。

大部分规范将嵌岩桩视为端承桩，不考虑侧阻力或将强风化岩层段的力按土层与桩的摩擦力计算，对于强风化层较厚的桩基，此种处理方式显然欠妥，造成了较大的浪费和加大了施工的周期和难度。嵌岩桩在岩层中受力复杂，同时受多种因素的影响，如嵌岩深度、桩的直径、桩周岩体特性、孔壁粗糙度等，因此，要综合考虑各种因素的影响，使嵌岩桩的设计更加合理，为工程的安全、合理、经济打下基础。本文主要对桥梁嵌岩桩受力机理及最佳入岩深度进行研究，并结合国内外的工程实例和试验，对其理论展开进一步的探讨，供设计和规范的修改、完善作参考。

[2]袁伦一.连续桥面简支梁桥墩台计算实例[M].北京：人民交通出版社，1998．

[3]曾照亮.高墩计算长度探讨[J].中外公路，2008(5)：160-162.

1目前对嵌岩桩存在的错误认识

1.1嵌岩桩的定义

一直以来，嵌岩桩与端承桩被视为同类桩基处理，受力一样。根据《公路桥梁地基与基础设计规范》[1]，计算进入岩层中的桩基的竖向承载力公式：

式中要求frk大于2 MPa，主要考虑的是桩端力，同时将强风化层和全风化层视为土层，当作桩、土间的摩擦力。这与端承桩的定义是相符的，但作为嵌岩桩的设计，偏于保守，特别是对于入岩段。《建筑地基基础设计规范》[2]中嵌岩桩定义为嵌入微风化岩中的桩，也将嵌岩桩与端承桩视为同类桩基考虑。将嵌岩桩与端承桩混为一团，造成嵌岩桩设计时不必要的浪费，应重视强风化层段桩基的受力。刘兴远等[3]把嵌入岩体中的桩视为嵌岩桩，岩体的风化程度不在局限于中风化或微风化。笔者认为，嵌岩桩与端承桩本质区别的关键就在于嵌入岩层的特性，嵌岩桩不同于端承桩对岩层承载力等有较高要求，两者应区别对待。

1.2嵌岩桩的工作机理

嵌岩桩处于基岩部分存在剪应力，而剪应力的分布模式一直未能认识清晰。相关的桩基设计规范中认为嵌岩段的剪应力呈上大小下分布，据此计算嵌岩段的竖向极限承载力。然而，嵌岩段的岩层往往出现强度不均匀分布，上层相对较弱，下层岩石更硬；那么嵌岩段的剪应力就呈上小下大的状态。贵州山区地质强风化层较厚，强度不均匀分布，桥梁桩基更符合这一特点。近期，有学者通过模型试验提出第3种分布模式，即两头大中间小。后2种观点更加证明了岩层的特性很大程度上决定了桩基的工作机理和受力，应根据具体地质情况，区别对待处理。

2嵌岩桩的受力特性

2.1嵌岩桩承受的竖向荷载

嵌岩桩承受的竖向荷载由3部分组成：桩、土间的摩阻力，嵌岩段的嵌固力和端阻力；三者中，嵌固力占主要因素。嵌固力虽与桩、土间的摩阻力性质相同，但产生的时间点和原理不同。当桩与土间发生较大位移或变形时，桩、土间的摩阻力才产生；而嵌固力是当桩身承受竖向荷载时就存在，同步发生。

嵌岩桩竖向承载力常用计算方法：规范法、分项综合设计法、利用岩体Hoek-Brown强度准则确定桩端阻力、按桩顶沉降控制嵌岩桩竖向承载力。研究表明，分项综合设计法更符合嵌岩桩的承载力传递特点。

2.2嵌岩桩受力影响因素分析

嵌岩桩在岩层中的受力极其复杂，受多种因素的影响，如嵌岩深度、桩的直径、桩周岩体特性、孔壁粗糙度等。

单桩的竖向承载力Qu主要考虑桩、土间摩擦力、侧阻力Qsu和端阻力Qpu，桩、土间的摩擦力根据桥涵规范进行计算，不计侧阻力和端阻力两者间的相互影响。桩侧摩阻力计算的理论依据为直剪试验中的土库伦准则，端阻力计算的理论依据为地基承载力的极限平衡理论。

2.2.1桩侧阻力的计算

Vijayvergiya和Focht[4]依据开口截面的钢筋管桩，其端部阻力可忽略不计，提出了一种计算单桩外侧阻力的方法，该方法在理论计算和相关规范中被大量引用。其表达式为

在后来的科研中，学者们不断对其公式进行了改进，适用范围更广，变成了如下公式[5]

2.2.2桩端阻力的计算

把桩基视为刚塑体，依据地基承载力的极限平衡理论，假定不同的破坏滑动面形态，推导出桩端阻力的计算公式。具有代表性的桩端阻力极限平衡理论有Terzaghi，Meyerhof &Vesic公式[6]，各桩基承载力公式可归纳如下：

式中:Nc，Nr，Nq为承载力因数；是土的内摩擦角ψ的函数；c为地基土的内聚力；σ0为桩端处的竖向应力；B为桩端直径；γ为土的容重。

现结合《贵阳东北绕城高速公路尖坡至小碧段改建工程》项目，选取比较典型的大型桥梁，根据地质勘察报告和现场的试验资料，依据上述桩端阻力和侧摩阻力计算公式，分别对嵌岩深度、桩的直径、岩石的抗压强度进行统计比对分析。计算时采用的基本数据如下：覆盖层厚2 m，强风化层厚3 m，中风化岩石抗压强度标准值frk=15 MPa。

(1) 嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响分析。取直径1 m的桩基，分别计算出不同入岩深度下土层的摩擦力、侧阻力、端阻力数值。见图1。

图1　直径1 m桩基竖向力组成随入岩深度分布图

从图1可见，入岩深度对桩基竖向承载力的影响较明显，特别是嵌岩段侧阻力。随桩基深度的增加，端阻力和侧阻力都有增加的趋势，但侧阻力增加得更快。嵌岩深度增加，侧阻力占的比重增大，端阻力会减小，因此存在着最佳嵌岩深度，侧阻力与端阻力两者均能充分发挥。

(2) 桩径对嵌岩桩承载力的影响分析。取直径D=1，1.5，2，2.5，3 m的桩基，分别计算出各自在不同入岩深度下的竖向承载力和侧阻力与端阻力的比例。见图2，图3。

图2　不同直径和入岩深度下桩基竖向承载力分布图

图3　不同桩径下侧阻与端阻嵌岩深度比例分布图

由图2，图3可见，桩径也是影响嵌岩桩竖向承载力的主要因素之一。桩径越大，竖向承载力也越大。桩径对端阻力的影响大于侧阻力。侧阻力与端阻力两者可结合起来，找出最佳的嵌岩深度。

(3) 底部岩石特性对嵌岩桩承载力的影响分析。嵌岩段岩石的特性不同，会影响其竖向承载力的大小。取不同的岩石抗压强度值，同一桩径，入岩深度变化时，计算出各自的竖向承载力。见图4。

图4　不同岩石特性对桩基竖向力的影响

由图4可见，嵌岩段的岩石特性在较大程度上影响桩基的竖向承载力，重点表现在对桩侧阻力的影响。嵌岩段岩层的特性不同时，入岩深度要根据岩石的强度和裂隙发育情况具体分析。

3嵌岩桩合理入岩深度

3.1国内外关于嵌岩桩入岩深度的研究成果

黄求顺等[7]通过试验和重庆地区的工程经验，提出3D为合理嵌岩深度，5D为最大嵌岩深度，当桩基入岩超过5D时，端阻力可忽略。李大营[8]认为嵌岩桩设计时应充分考虑侧阻力的作用，侧阻力对桩基竖向承载力的贡献最大。并提出嵌岩桩的有效深度为5D，入岩越深，端阻力的作用就越小。刘松玉[9]认为嵌岩桩的最大嵌岩深度为7D。明可前[10]在试验的基础上提出4D为最佳嵌岩深度。林天健等[11]认为，嵌岩桩设计时，在满足受力的条件下，尽可能浅入岩。岩性不同，入岩深度也应有差别。强度较硬的岩石宜控制在(50±20)cm，强度较低的岩石宜控制在(80±20)cm。Pells、Turner[12]假设桩基竖向承载力完全由端承力和侧阻力承担，两者都能充分发挥其作用。先根据桩径和岩石强度，计算出端承力Qb，然后用总的竖向设计荷载Q减去端承力Qb，即可得到侧阻力数值，再利用公式L=Qs/(πDτ)求出嵌岩深度。

3.2合理入岩深度的研究

从受力影响因素各图数值综合分析得出：最佳嵌岩深度不仅与桩径、嵌岩深度有关，还与嵌岩段的岩石强度有关。当岩石的单轴极限抗压强度frk>10 MPa时，最佳嵌岩深度为2D～3D之间，侧阻力和端阻力均能得到充分的发挥；当嵌岩深度达到5D时，侧阻力是端阻力2.5倍以上，端阻力只能发挥较小部分。对于强度较低的岩石，不能简单按最佳嵌岩深度数值直接确定下基深度。设计时，应根据具体情况，在满足受力的条件下，选择合理的桩径、嵌岩深度。

4结论

(1) 计算嵌岩桩的竖向承载力时，采用分项综合设计法，更符合嵌岩桩的承载力传递特点。

(2) 嵌岩深度对桩基受力影响较大，深度越深，竖向承载力越大。嵌岩深度对桩侧阻力更加敏感，桩侧阻力随深度增加更加迅速。

(3) 桩径在一定的程度上也影响桩基竖向承载力，但主要的贡献在于端承力。

(4) 岩石的特性会影响侧阻力的发挥，最佳嵌岩深度不仅与桩径、嵌岩深度有关，还与嵌岩段的岩石强度有关。

(5) 当岩石的单轴极限抗压强度frk>10 MPa时，最佳嵌岩深度为2D～3D之间，侧阻力和端阻力均能得到充分的发挥；当嵌岩深度达到5D时，侧阻力是端阻力2.5倍以上，端阻力只能发挥较小部分。

(6) 对于强度较低的岩石，不能简单按最佳嵌岩深度数值直接确定下基深度。设计时，应根据具体情况，在满足受力的条件下，选择合理的桩径、嵌岩深度。

参考文献

[1]JTGD63-2007公路桥梁地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社,2007.

[2]GB5007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[3]刘兴远,郑颖人,林文修.关于嵌岩桩理论研究的几点认识[J].岩土工程学报,1997,20(5):118-119.

[4]VIJAYVERGIYA V N, FOCHT J A J. A new way to predict the capacity of piles in clay[J].Proc. 4th Ann. Offshore Tech Conf. 2,1972:865-874.

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[7]黄求顺.嵌岩桩承载力的试验研究[C].中国建筑学会地基基础学术委员会论文集,西安:陕西高校联合出版社,1992:47-52.

[8]李大营,关于嵌岩桩承载力的讨论[J].电力勘测,1994(2):102-106.

[9]刘松玉,季鹏,韦杰.大直径泥质软岩嵌岩灌注桩的荷载传递性状[J].岩土力学,1996,17(3):84-96.

[10]明可前.嵌岩桩受力机理分析[J].岩土力学,1998,19(1):65-69.

[11]林天健,熊厚金,王利群.桩基础设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.

[12]PELLSe P J N,TURNER R M.Elastic solutions for the design and analysis of rock-socketed piles[J].Can Geotech,1979,16:481-487.

Study on Stress-mechanism and Best Rock

Socketed Depth of Bridge Rock-socketed Pile

LiuYang

(Guizhou Communications Planning Survey & Design Institute Co.,Ltd., GuiYang 550081, China)

Abstract： In the design process of the rock-socketed pile, previous error recognition and incomplete specification will cause the mechanical characteristics of unclear and different viewpoints of the embedding depth. Based on a practical engineering project, the calculation formula of using foreign popular theory and the influence factors of bearing capacity of rock socketed pile are analyzed, and the rock socketed pile stress mechanism and the best rock socketed depth are summarized, which provide the reference for the design and specification.

Key words: rock-socketed pile; end-bearing pile; lateral friction; tip resistance; the best rock-socketed depth

收稿日期：2014-09-30

Calculation Analysis of Effective Length of Bridge Pier in Mountain Highway

WangJianjin，ZhaoYang

(Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co.,Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：The calculation of effective length of the pier is a difficult problem for the design of mountainous highway bridges. Taking a highway bridge under construction for example, the calculation method of effective length of the pier is studied. The current analytical calculation method based on the Euler formula is described. Then a finite element model to take structural buckling analysis is created, and the effective length of the pier is got. According to the comparison of the two methods, finite element analysis method is more accurate because of its comprehensive consideration of the boundary conditions and transverse linkages of the pier.

Key words:high pier； effective length factor； Euler formula； finite element analysis

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.004