嵌岩桩嵌岩段的岩石极限侧阻力系数

鲁先龙，乾增珍，杨文智，郑卫锋

(1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083)

嵌岩桩是大型建(构)筑物的主要基础型式，已在工程中得到了广泛应用，主要用于承受上部结构的下压或上拔荷载。对抗压和抗拔嵌岩桩，嵌岩段桩的侧阻力通常都占总承载力较大比例。嵌岩桩荷载传递是桩-土-岩相互作用的复杂过程。目前，学术界和工程界普遍认为，嵌岩桩抗压承载力主要由基岩上覆土层的桩侧阻力、嵌岩段桩侧阻力和桩端阻力3部分组成。这在中国相关规范[1-4]给出的嵌岩桩承载力设计计算方法中均得到体现。嵌岩桩抗拔承载力主要由基岩上覆土层桩侧阻力和嵌岩段桩侧阻力2部分组成。通常采用折减系数，对土层和岩层抗压极限侧阻力进行折减。如文献[5]建议该折减系数为0.7。因此，研究嵌岩桩嵌岩段桩测极限侧阻力及岩石极限侧阻力系数对嵌岩桩的抗压和抗拔承载性能都具有重要的理论和工程意义。

目前，抗压嵌岩桩承载力计算主要是经验和半经验公式，经验参数较多。以中国现行行业标准《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[1]为例，其采用嵌岩段侧阻和端阻综合系数乘以相应岩石饱和单轴抗压强度的方法，计算得到嵌岩桩嵌岩段下压极限承载力。该方法简单且工程意义明确，便于工程设计使用[6]。然而，嵌岩段侧阻和端阻综合系数取值存在一定局限性。首先,侧阻力系数与端阻力系数来源不同，侧阻力系数来源于假定侧阻力分布模式的计算结果，而端阻力系数则来源于试验数据的统计结果。其次，综合系数中侧阻力系数仅按照软质岩和硬质岩2大档次取值，缺少进一步细划分，难以充分体现岩性差异。因此，迫切需要收集更多嵌岩桩试验数据，对嵌岩桩嵌岩段岩石极限侧阻力和岩石极限侧阻力系数进行分析，也为相关设计规范的完善提供参考。

收集了在不同时期、不同地区、不同岩石强度和不同嵌岩条件下所完成的145个嵌岩桩竖向下压承载力试验成果，分析了桩径、嵌岩深度、嵌岩深径比和岩石强度等因素对嵌岩桩嵌岩段桩侧极限侧阻力及岩石极限侧阻力系数的影响规律，建立了嵌岩段岩石极限侧阻力系数与岩石单轴抗压强度之间的拟合关系式。基于统计分析结果，给出了不同可靠度水平下嵌岩桩嵌岩段岩石极限阻力系数的取值，可为嵌岩桩极限侧阻力计算提供借鉴。

1 数据收集与整理

1.1 数据收集

试验资料来源于34篇文献[7-40]，共145个嵌岩桩竖向下压承载力试验成果，主要包括嵌岩段岩石类型、嵌岩段桩的直径d与嵌岩深度hr、岩石天然单轴抗压强度σc及嵌岩段桩的极限侧阻力qs等。相关文献作者及发表时间如表1所示。全部嵌岩桩嵌岩段下压承载力试验结果列于表2。

当前，学者们通常定义嵌岩段桩的极限侧阻力qs和岩石单轴抗压强度σc之间的比值为嵌岩桩嵌岩段岩石极限侧阻力系数，记为ξs，即

ξs=qs/σc

(1)

根据表2试验结果，按式(1)得到各试验基础嵌岩段岩石极限侧阻力系数ξs值，结果也列于表2。

文献中的试验工作是不同时期、不同地区学者在不同岩石类型与强度、不同桩端嵌岩条件下完成的，作者对嵌岩桩的极限侧阻力测试方法、极限承载力的确定原则也不尽相同。分析中均直接采用原文献结果，这种分析方法得到的研究结论应更具有一般性。

1.2 数据整理与分析

表2结果表明，不同岩性中嵌岩桩抗压承载力差异主要由嵌岩段岩体性质和桩端嵌岩特征的不同引起。桩端嵌岩特征主要包括桩径、嵌岩深度、嵌岩深径比。表2中嵌岩段岩石主要包括页岩、泥灰岩、安山岩、泥岩、砂岩、花岗岩、石灰岩、粉砂岩、凝灰岩、辉绿岩等多种类型。中国《工程岩体分级标准》(GB/T 50218-2014)[41]指出，影响嵌岩段岩体性质的因素主要是岩石物理力学性质、构造发育情况、承受的荷载(工程荷载和初始应力)、应力应变状态、几何边界条件、水的赋存状态等。在这些因素中，岩石坚硬程度则是反映岩体基本特性的一个重要因素。此外，学者们和工程界也都是采用嵌岩桩嵌岩段岩石极限侧阻力系数乘以岩石单轴抗压强度计算得到嵌岩桩嵌岩段桩侧岩石极限侧力。因此，为便于分析，根据表2试验成果，并参考《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009版)[42]中岩石坚硬程度分类规定，根据σc的大小不同，将试验数据分为5组：σc≤5 MPa，5 MPa<σc≤15 MPa，15 MPa<σc≤30 MPa，30 MPa<σc≤60 MPa和σc>60 MPa。据此分析嵌岩段岩体性质对嵌岩段桩极限侧阻力及岩石极限侧阻力系数的影响规律。各分组的试验样本量分别为40、49、23、22和11。

文献[42]中岩石坚硬程度按岩石饱和单轴抗压强度frk大小进行划分，而本文引用文献中的岩石强度σc均为岩石天然单轴抗压强度，这是二者的不同。采用根据σc大小进行试验数据分组的方法，主要是便于问题分析与成果对比。

表1 文献作者与年代[7-40]Table 1 Authors and years for the references in this study[7-40]

表2 嵌岩桩嵌岩段承载力试验结果Table 2 Database for the load test results of piles socketed into rock

续表2基础编号岩石类型d/mmhr/mmσc/MPaqs/MPaξs7/1白垩1 0508 0001.10.1900.1738/1页岩20390020.72.1400.1038/2安山岩45056010.551.1200.1068/3页岩20091021.11.7200.0829/1辉绿岩61512 2000.40.1220.30510/1泥岩9001 0001.090.1200.11010/2泥岩9001 0001.090.1800.16511/1页岩6102 9007.00.9320.13312/1泥岩1 0901 5002.30.8000.34813/1页岩63590015.20.8300.05513/2页岩63590015.20.8300.05514/1泥岩1 2001 0003.061.0500.34314/2泥岩1 2001 0001.930.9400.48715/1页岩7101 40010.41.0900.10516/1砂岩759606.00.8200.13716/2砂岩2109206.01.1200.18716/3砂岩3154006.01.4100.23516/4砂岩2101 3706.00.8900.14816/5砂岩2105186.00.8100.13516/6砂岩1604606.00.9400.15716/7砂岩1604506.01.1600.19316/8砂岩3155206.00.8900.14816/9砂岩2553306.01.6500.27516/10砂岩1606206.01.1300.18816/11砂岩3104506.00.4800.08016/12砂岩2106006.01.2000.20016/13砂岩2107006.01.1700.19516/14砂岩2901 3006.00.3200.05316/15砂岩7109006.00.6500.10816/16砂岩2901 2706.00.6800.11316/17砂岩21034030.04.7500.15816/18砂岩16018414.02.3000.16416/19砂岩6416014.02.6000.18616/20砂岩8413014.03.4600.24716/21砂岩8433014.02.4300.17416/22砂岩8438514.02.5900.18516/23砂岩16011214.05.2200.37316/24砂岩16016014.02.6900.19216/25砂岩9125514.00.1500.01117/1页岩9001 30021.01.2600.06017/2页岩45070034.02.5000.07418/1砂岩4711 0802.50.5300.212

注：1)基础编号中“/”的前一个数字代表文献序号、后一个数字代表该文献中试验基础个数的序号。2)表中“—”表示原文献中无相应数据。

2 嵌岩段桩的极限侧阻力及岩石极限侧阻力系数影响因素

2.1 桩径

图1和图2分别为嵌岩段桩的极限侧阻力和嵌岩段岩石极限侧阻力系数随桩径的变化规律。

图1 嵌岩段桩的极限侧阻力随桩径变化关系Fig.1 Variation of ultimate side shear resistance with diameter of the pile socketed into

图2 嵌岩段岩石极限侧阻力系数随桩径变化关系Fig.2 Variation of ultimate side shear resistance factor with diameter of the pile socketed into

从图1和图2可看出，嵌岩段桩的极限侧阻力及嵌岩段岩石极限侧阻力系数随桩径变化均具有较大的离散性，二者之间无明显的相关性。Williams等的试验也表明[28]，当桩径大于150 mm时，桩径对嵌岩桩的极限侧阻力影响可忽略不计。可能原因为：嵌岩桩嵌岩段桩侧阻力主要靠桩-岩间相对位移发挥，但岩体发挥极限侧阻所需的相对位移较小，对破碎砂质粘土岩和细砂岩约4 mm，完整细砂岩约3 mm，完整石灰岩和花岗岩≤2 mm[43]。由于桩-岩间极限侧阻发挥所需的相对位移主要与岩体类别有关，从而使得嵌岩段岩石极限侧阻力与桩径之间的相关性不强。

2.2 嵌岩深度

嵌岩深度是嵌岩桩设计的重要参数之一，直接关系嵌岩桩设计的安全性和经济性。嵌岩深度过大，虽然安全可靠，但施工难度大、费用高。反之，嵌岩深度过小，若桩端岩层性质差，嵌岩桩承载力和沉降可能不满足上部结构要求。

图3和图4分别给出了嵌岩段桩的极限侧阻力和岩石极限侧阻力系数随嵌岩深度变化规律。

图3 嵌岩段桩的极限侧阻力随嵌岩深度变化关系Fig.3 Variation of ultimate side shear resistance with depth of the pile socketed into

图4 嵌岩段岩石极限侧阻力系数随嵌岩深度变化关系Fig.4 Variation of ultimate side shear resistance factor with depth of the pile socketed into

图3和图4表明，嵌岩段桩的极限侧阻力和嵌岩段岩石极限侧阻力系数随嵌岩深度的变化都具有一定离散性，但总体随嵌岩深度的增加而减小。这与Rowe等[44]研究结论一致。即在一定嵌岩深度范围内，增加嵌岩深度可提高嵌岩桩承载力，但超过某一深度后，增加嵌岩深度对单桩承载力几乎没有影响，嵌岩桩存在最佳嵌岩深度，这也与中国学者对嵌岩深度普遍看法一致[44-49]，即嵌岩桩存在最佳嵌岩深度，可使嵌岩段桩侧阻力和桩端阻力发挥最为协调和充分。

2.3 嵌岩深径比

图5为嵌岩段桩的极限侧阻力随嵌岩深径比hr/d的变化规律。结果表明，嵌岩段桩的极限侧阻力总体随嵌岩深径比的增大而减小。中国学者对嵌岩桩最佳嵌岩深径比取值的研究结论也不一致。黄求顺[45]认为嵌岩桩最佳嵌岩深径比为3，而刘兴远等[46]认为一律将嵌岩深径比等于3作为最佳嵌岩深度不合理，应根据桩端所嵌入岩体状态确定。明可前[47]通过试验认为最佳嵌岩深径比为4。许锡宾等[48]认为硬质岩和软质岩最佳嵌岩深径比分别取3和5较合理。

图5 嵌岩段桩的极限侧阻力随嵌岩深径比变化关系Fig.5 Variation of ultimate side shear resistance with the ratio of rock rocketed depth to

图6为采用双对数坐标轴绘制的嵌岩段岩石极限侧阻力系数随嵌岩深径比变化规律。中国桩基规范[1]中岩石极限侧阻力系数与岩石强度、嵌岩深径比有关。图6中也给出了中国桩基规范中嵌岩段岩石极限侧阻力系数随嵌岩深径比的变化曲线。

从图6可看出，对极软岩和软岩(σc≤15 MPa)，规范取值总体偏小，而对较硬岩和硬岩(σc>30 MPa)，规范取值又总体偏大。同时，图6中相同和不同岩石强度下，嵌岩段岩石极限侧阻力系数与嵌岩深径比之间无明显的相关性。然而，中国桩基规范[1]中，不论是极软岩和软岩，还是较硬岩和硬岩，嵌岩段岩石极限侧阻力系数取值与嵌岩深径比相关，且随嵌岩深径比增加均略有下将，这显然不尽合理。

图6 嵌岩桩岩石极限极限侧阻力系数随嵌 岩深径比变化关系Fig.6 Log-log plots of ultimate side shear resistance factor with the ratio of rock rocketed depth to

2.4 岩石强度

学者们都是将嵌岩段桩的极限侧阻力和岩石单轴抗压强度联系在一起。这既表明嵌岩段桩的极限侧阻力和岩石单轴抗压强度之间有较好的相关性。学者们多采用qs=b(σc)0.50拟合嵌岩段桩的极限侧阻力qs和岩石单轴抗压强度σc之间关系，不同学者之间系数b的取值不同，如表3所示。

表3 嵌岩段桩的极限侧阻力表达式Table 3 Summary of equations of ultimate side shear resistance for piles rocketed into the rocks

续表3

根据表2数据，可得到嵌岩段桩的极限侧阻力随岩石单轴抗压强度变化如图7所示。图7给出了表3中不同系数b所对应的嵌岩段桩侧极限阻力和岩石单轴抗压强度的变化曲线。为便于进一步比较，将图7采用双对数坐标轴表示，结果如如图8所示。

图7 嵌岩段桩的极限侧阻力随岩石强度变化关系Fig.7 Ultimate side shear resistance versus unconfined compressive strength of

图8 双对数坐标轴下嵌岩段岩石极限阻力随岩石强度变化Fig.8 Log-log plots of ultimate side shear resistance versus unconfined compressive strength of

图7和图8均表明，嵌岩段桩的极限侧阻力随岩石单轴抗压强度增加而增加，可采用式(2)拟合。

qs=0.436(σc)0.32

(2)

图9给出了按表2数据得到的嵌岩桩岩石极限侧阻力系数随岩石单轴抗压强度的变化规律。

图9 嵌岩桩岩石极限极限侧阻力系数随岩石强度变化关系Fig.9 Ultimate side shear resistance factor versus unconfined compressive strength of

图9中岩石极限侧阻力系数ξs随岩石单轴抗压强度σc增加而下将，ξs和σc间可采用式(3)拟合。

ξs=0.436(σc)-0.68

(3)

显然，式(3)与按照式(1)、式(2)计算结果一致。

3 岩石极限侧阻力系数的取值建议

中国现行桩基规范[1]中嵌岩段岩石极限阻力系数的取值与岩石强度、嵌岩深径比和成桩工艺有关。但如前所述，桩径、嵌岩深度及嵌岩深径比对嵌岩段岩石极限侧阻力系数影响并不显著。岩石强度是影响嵌岩段岩石极限侧阻力系数的主要因素。

根据表2结果，对σc≤5 MPa、5 MPa<σc≤15 MPa、15 MPa<σc≤30 MPa和30 MPa<σc≤60 MPa各分组的岩石极限侧阻力系数进行统计分析，结果如表4。总的规律是岩石强度愈高，ξs愈低。

表4 不同岩石强度下嵌岩段岩石极限侧阻力系数统计结果Table 4 Summary of the statistics of ultimate side shear resistance factors for different unconfined compressive strength of rock

图10为不同岩石强度分组条件下，嵌岩段岩石极限侧阻力系数的累积分布曲线，其横轴为岩石极限侧阻力系数ξs值，纵轴为小于某ξs值数据个数所占的百分比。

图10 嵌岩段岩石不同强度下极限侧阻力系数累积分布曲线Fig.10 Cumulative distribution of ultimate side shear resistance factors for different unconfined compressive strength of

根据图10所示的极限侧阻力系数累积分布曲线，得到不同岩石强度条件下，具有给定保证概率的嵌岩段岩石极限侧阻力系数ξs取值。若以ξs小于某一数值的数据个数百分比为90%，则由此确定的ξs值将具有90%的保证概率，结果如表4所示。

4 结论

根据不同时期完成的145个嵌岩桩承载力试验成果，分析了桩径、嵌岩深度、嵌岩深径比和岩石强度对嵌岩桩嵌岩段桩的极限侧阻力和岩石侧极限阻力系数的影响规律,主要结论如下：

1)岩石强度是影响岩石极限侧阻力系数的最主要因素，可采用ξs=0.436(σc)-0.68拟合嵌岩段岩石极限侧阻力系数与岩石天然单轴抗压强度之间的关系。嵌岩桩嵌岩段岩石极限侧阻力系数与桩径间无显著相关性。相同岩石条件下，岩石极限侧阻力系数总体上随嵌岩深度增加呈下将趋势，但二者之间相关性不显著。

2)嵌岩段桩的极限侧阻力总体上随嵌岩深径比增大而减小。嵌岩段岩石极限侧阻力系数与嵌岩深径比间无显著相关性。中国现行桩基规范中，岩石极限侧阻力系数取值与嵌岩深径比相关，且随嵌岩深径比增加而减小，显然并不合理。此外，中国桩基规范对极软岩和软岩的岩石极限侧阻力系数取值总体偏小，而较硬岩和硬岩的取值又总体偏大。

3)针对岩石天然单轴抗压强度σc分组(σc≤5 MPa，5 MPa<σc≤15 MPa，15 MPa<σc≤30 MPa，30 MPa<σc≤60 MPa)所推荐的岩石极限侧阻力系数的均值及具有90%保证概率的岩石极限侧阻力系数取值，可作为不同可靠度水平下的工程设计依据。