基于安全系数法嵌岩灌注桩嵌岩区域承载能力的确定方法

刘友万

（陕西省何家塔煤矿，陕西榆林719300）

斯里兰卡地区由于受冲积地质作用小，基岩埋藏深度浅，同时基岩的完整性好，抗压强度较高，使得嵌岩灌注桩基础在当地的桥梁工程、房建工程等领域得到了广泛的运用。但由于现行的欧洲规范（EC7）、英国规范（BS8004），以及其他国际通用的规范，对嵌岩灌注桩嵌岩区域承载能力的计算参数选取没有给出统一和明确的规定，导致在嵌岩灌注桩的承载能力设计上存在很强的经验性。

本文结合科伦坡港南集装箱码头和龙喜国际佛教大学两个项目灌注桩基础的设计，对嵌岩灌注桩嵌岩区域承载能力计算和确定进行讨论，并对嵌岩区域的承载能力设计参数选取进行总结，为后续项目桩基的设计工作提供参考。

一、嵌岩灌注桩承载能力设计方法及安全系数

桩基础作为承担建筑物或构筑物上部结构所传递荷载的作用主体，其设计应保证在设计年限内：⑴桩基础自身有足够的安全度，避免出现强度破坏而引起上部结构乃至整个结构的破坏；⑵地基有足够的安全度，不至于出现地基失稳，坍塌等失败；⑶桩基础不出现过大的变形，影响结构的正常使用。

1、承载能力设计方法

桩基础的设计方法主要可以分为以下两种设计方法：

⑴单一安全系数法。该方法最主要的特点是采用单一的设计安全系数，通过该系数综合考虑了荷载、材料强度、地质条件等一切可变因素，以确保桩基础的安全性。采用单一安全系数法在设计参数选取方面存在较强的经验性，很难客观地表达各项不利因素对设计的影响，但是，由于该方法在表达式上比较简单，经过几十年的发展，各个地区也总结出了可靠参数选取方法，因而，目前在桩基设计方面得到了广泛而成功的运用。

⑵极限状态设计法。极限状态设计法是将设计分为几个极限状态，常见的为承载能力极限状态和正常使用极限状态，并在不同的极限状态对荷载、材料强度（材料抗力）、施工工艺等因素采用不同设计安全分项系数进行考虑，在表达上较单一安全系数法更科学。但由于在设计统计上缺乏经验，目前仅在少数国家和地区得到了应用，主要包括:以美国AASHTO规范为代表的荷载及抗力分项系数设计法和以欧洲EC7规范为代表的荷载和材料分项系数设计法。

2、安全系数

在桩基础的设计过程中，通常采用对桩侧极限摩阻力（Qsu）和桩端极限端阻力（Qbu）分别除以分项安全系数（Fs）和（Fb）确定桩的允许承载能力；同时对桩总的极限承载能力（Qsu+Q bu）除以综合的安全系数（Fg）确定桩的允许承载能力；并选取两种中的较小值作为桩的允许承载能力值。其具体表达式如下：

其中：

Pag——桩允许承载能力

Qsu——桩侧极限摩阻力Qsu=×∑(fsu×AS)

i——覆盖土层的层数

Qbu——桩端极限端阻力Qbu=fbu×Ab

fsu——每层覆盖土层的单位桩侧极限摩阻力

fbu——单位桩端极限端阻力

As——桩的桩身侧面积

Ab——桩的桩端地面积

Fs——桩侧摩阻力安全分项系数

Fb——桩端端阻力安全分项系数

Fg——桩的综合安全系数

二、嵌岩区域荷载传递机理

相对于桩身土体部分的侧阻承载力而言，桩嵌岩区域的承载能力的确定比较困难，具有较强的经验性，其主要原因在于嵌岩区域的荷载传递机理比较复杂，同时影响该区域承载能力发挥的因素众多。嵌岩桩嵌岩区域的承载能力主要可以分为嵌岩区域的桩侧摩阻力和桩端端阻力。

在竖向荷载作用下，桩侧摩阻力和桩端端阻力对荷载的分担情况跟桩的嵌岩深度和桩径比、桩身混凝土和基岩弹性模量的比值等因素有关。Osterberg和Gill等人对此进行了详细的研究，并总结绘制了相应的荷载分布图（图1）。由图可知，嵌岩部分的桩侧摩阻力分布沿嵌岩位置的加深而减小，同时，当嵌岩深度和桩径比大于4时，全部的荷载将由桩侧摩阻力承担，桩的端阻力不再发挥作用。

图1 桩嵌岩部分桩侧摩阻力分布图

（引至 Osterberg,J.O.andGill,S.A.,Loadtransfer mechanismsforpiers socketed in hard soils or rock,Proceedings of the Ninth Canadian Symposium on Rock Mechanics,Montreal,Quebec,Canada,pp.235-262,1973.)

同时对于在竖向荷载作用下，对嵌岩桩嵌岩区域桩侧摩阻力和桩端端阻力随桩身位移的发展，前人也做了大量的研究，研究表明：嵌岩区域桩侧摩阻力对桩身位移较桩端端阻力敏感，通常在桩身位移达到5mm时，桩侧摩阻力就得到了充分的发展，而桩端端阻力的发展尚不足40%。由于在设计过程中，几乎所有的设计规范对桩在荷载下的位移都有严格的控制，不允许桩基础出现过大的竖向位移。因而,如果是采用湿作业方式施工，同时桩底的清孔得不到有效保证，即便是在嵌岩区域桩的桩端端阻力比桩的桩侧摩阻力高出数倍甚至数十倍的情况下，在桩的设计时偏于保守的忽略桩端端阻力对荷载抵抗作用（Tomlinson,el1986)。但同时也有相关的规范（如英国规范BS 8004、香港规范DB 2004a），根据该地区长期的桩基荷载试验结果，总结出了在保证足够嵌岩深度前提下不同基岩的桩基嵌岩区域综合承载能力的设计允许值，由于规范规定的嵌岩深度往往比较深，达到3倍的桩径，使得设计偏于保守，不经济。

三、嵌岩区域桩侧摩阻力的确定

如上所述，嵌岩桩嵌岩区域桩侧摩阻力在竖向荷载的作用下优先得到发展，因而采用桩侧摩阻力来设计嵌岩桩更趋于合理，使设计更加经济，因为桩的嵌岩深度可以根据竖向荷载的大小由计算决定。

对于嵌岩区域桩侧摩阻力的允许设计值的选取，不同的规范根据不同地区的桩基试验经验亦总结出了相应的数据：如香港地区的规范根据岩石的分类情况规定桩侧的摩阻力的允许设计值介于0.5～1.0MPa之间；马来西亚地区根据Neoh,Thorne等人的研究成果对桩侧摩阻力的允许设计值进行的规定：石灰岩为0.3～1.0MPa，砂岩为0.1uc q，页岩为0.05uc q，对于uc q大于30MPa的花岗岩为1.0～1.5MPa，其中uc q为岩样的无侧限抗压强度值。除了规范规定相应的嵌岩区域的桩侧摩阻力的允许设计值以外，由Rosenbeng&Journeaux （1976）、Horvath（1978）、Williams&Pells（1981）等人提出的由半经验公式确定的桩基嵌岩区域桩侧摩阻力的方法，也在世界上多数地区（如欧洲、马来西亚、斯里兰卡-ICTAD规范）得到了广泛的运用。该公式主要考虑了岩样的抗压强度和基岩的节理对摩阻力的影响，可简单的表示为：uc sfq=××αβ式3

其中：

sf——嵌岩区域桩侧极限摩阻力；

α——和岩样无侧限抗压强度uc q有关的折减系数（图2）；

β——和基岩节理间距有关的修正系数（图3）；

ucq——岩样的无侧限抗压强度

图2 极限摩阻力和岩样抗压强度相关的修正系数α（引至Tom l i nson 2005）

图3 极限摩阻力和基岩完整性相关的修正系数 β（引至Tom l i nson 2005）

对已由以上公式求得桩侧摩阻力，在设计的工程中，应根据本文“安全系数”部分的要求，除以相应的安全系数。

对于科伦坡港南集装箱码头项目办公楼和龙喜国际佛教大学项目行政楼等建筑物的嵌岩灌注桩，在设计过程中，均采用仅考虑嵌岩区域桩端阻力的设计方法（经验法），而未考虑桩侧摩阻力对承载能力的影响。在这种情况下，桩的嵌岩深度，岩石端阻力均由个人经验确定，使得桩的承载能力设计取值存在很大的差异，使得桩的安全性和经济性很难得到准确的评估。

四、结论

由于目前斯里兰卡地区的嵌岩桩基的设计经验性很强，不同设计的设计成果差异性很大，可能造成桩基的安全性和经济性得不到很好的保证；同时作为中国承包商，由于对斯里兰卡的地质条件不熟悉，甚至知之甚少，在行使EPC和DB合同的设计时，桩基的设计将会存在很大的风险。

通过本文对桩基嵌岩区域承载能力计算的研究，可以得到如下结论：

1、对于湿作业的嵌岩灌注桩，桩端承载能力的发展需要桩体发生很大的位移，在设计时应谨慎考虑这部分承载力对荷载抵抗的作用。

2、采用经验法确定桩基承载能力，使得桩基嵌岩深度的确定存在很大的随意性，使得桩的安全性和经济性很难得到保证。

3、为克服上述不确定性，推荐嵌岩灌注桩设计过程中，采用通过经验公式计算嵌岩区域的摩阻力，同时通过打试验桩验证桩基的承载能力，保证设计的经济合理性。