嵌岩桩的极限端阻力发挥特性及其端阻力系数

鲁先龙，乾增珍，杨文智，郑卫锋

(1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100191；2.中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083)

嵌岩桩作为承受大型建(构)筑物荷载的主要基础型式，已在工程中得到了广泛应用。然而，由于嵌岩桩具有承载力大、试验费用高、难以进行破坏性试验等特点，系统且完整的静载试验实测数据不多，从而制约了人们对嵌岩桩承载性状的全面认识[1-2]。目前，各行业规范对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[3]，设计方法及其参数取值也不尽相同，其原因主要源于对嵌岩桩荷载传递机理与承载性状认识存在偏差[4]。

中国建筑地基基础设计规范[5]认为嵌岩桩是端承桩，按端承桩设计。但学术界和工程界都普遍认为，嵌岩桩抗压承载力主要由基岩上覆土层桩侧阻力、嵌岩段桩侧阻力和桩端阻力3部分组成，这已体现在中国相关规范[6-9]所给出的嵌岩桩承载力设计方法中。鲁先龙等[10]通过收集整理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对嵌岩桩嵌岩段桩侧极限阻力和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，给出了不同可靠度水平下岩石侧极限阻力系数取值建议。但大量现场试验表明[11-14]，嵌岩桩在竖向荷载作用下，桩体首先发生竖向位移，桩体和桩侧岩土体之间发生相对位移，桩顶荷载通过桩侧岩土体阻力逐渐传递至桩端，嵌岩段桩侧阻力一般先于桩端阻力发挥。嵌岩桩岩石端阻力发挥过程更加复杂，研究嵌岩桩极限端阻力发挥特征将具有重要的理论和实践意义。

本文收集整理了学者们在不同时期、不同地区、不同岩石强度和不同嵌岩条件下所完成的165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对嵌岩桩极限端阻力和端阻力系数的影响规律，建立了嵌岩桩极限端阻力及端阻力系数与岩石天然单轴抗压强度之间的拟合关系式，可为嵌岩桩极限端阻力计算提供借鉴。

1 试验数据收集与整理

1.1 数据收集

所收集的试验数据来源于34篇文献[15-48]，共165个嵌岩桩竖向下压承载力试验结果，主要包括嵌岩段岩石类型、嵌岩段桩径d、嵌岩深度hr、岩石天然单轴抗压强度σc以及嵌岩桩极限端阻力qp等。相关文献作者与发表时间列于表1。全部嵌岩桩嵌岩条件及其极限端阻力试验结果列于表2。

表1 文献作者与年代[15-48]Table 1 Authors and years for the references in this study[15-48]

当前，学者们都通常定义嵌岩桩极限端阻力qp和岩石单轴抗压强度σc之间的比值为嵌岩桩极限端阻力系数，记为ξp，即

ξp=qp/σc

(1)

根据表2试验结果，按式(1)得到各试验基础的极限端阻力系数ξp值，结果也列于表2。

这里需特别说明，引用文献的试验工作是不同时期、不同地区学者，分别在不同岩石类型与强度、不同桩端嵌岩条件下完成的，作者对嵌岩桩极限端阻力的测试方法、极限承载力确定原则等方面也不尽相同。本文分析中均直接采用了原文献结果，这种方法分析得到的研究结论将更具一般性。

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。

1.2 数据整理与分析

如表2所示，嵌岩桩抗压承载性能差异主要由嵌岩段岩体性质和桩端嵌岩特征不同引起。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黏土岩、页岩、泥页岩、砂砾岩、石膏岩、石灰石、凝灰岩和角砾岩等多种类型。

中国规范[49]指出，影响岩体性质的因素主要是岩石物理力学性质、构造发育情况、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。这里还需要特别说明的是，规范[49]中岩石坚硬程度是按岩石饱和单轴抗压强度大小进行划分，而本文所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。

2 岩石极限端阻力与端阻力系数影响因素

根据表2所收集与整理的嵌岩桩端阻力试验数据，分析桩径、嵌岩深度、嵌岩深径比和岩石强度对嵌岩桩极限端阻力和端阻力系数的影响规律。

2.1 桩径

图1和图2分别为嵌岩桩极限端阻力及端阻力系数随桩径变化的规律。图1和图2结果表明，桩径对嵌岩极限桩端阻力影响并不显著，嵌岩桩极限端阻力与桩径之间无明显相关性。桩端阻力系数总体随桩径增加而呈下降趋势，当桩径小于0.5 m时尤为明显，当桩径大于0.5 m后，这种下降趋势表现得并不显著。

图1 嵌岩桩极限端阻力随桩径变化Fig.1 Variation of ultimate end-bearing capacity with diameter of the pile socketed into

图2 嵌岩桩端阻力系数随桩径变化Fig.2 Variation of ultimate end-bearing resistance factor with diameter of the pile socketed into

2.2 嵌岩深度

嵌岩深度不仅影响嵌岩段侧阻力发挥性状，对桩端分担的荷载大小也有较大影响。此外，嵌岩深度也直接关系到嵌岩桩应用的安全性和经济性。嵌岩深度大，虽安全可靠，但施工难度大、费用高。反之，嵌岩深度过小，若桩端岩性差，嵌岩桩承载力和沉降可能不满足上部结构要求。图3给出了嵌岩桩极限端阻力随嵌岩深度变化规律。

图3 嵌岩桩极限端阻力随嵌岩深度变化Fig.3 Variation of ultimate end-bearing capacity with depth of the pile socketed into

图3表明，嵌岩桩极限端阻力随嵌岩深度变化虽有一定离散性，但总体上随嵌岩深度增加而略有减小，这与Rowe等[50]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，但超过一定深度后，嵌岩深度的增加对单桩承载力几乎没有影响，即嵌岩桩存在最佳嵌岩深度，这也与我国学者对嵌岩深度普遍看法一致，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。但不同学者对最佳嵌岩深度取值研究结论也不一致。黄求顺[12]认为最佳嵌岩深度为3d，而刘兴远等[51]认为一律将嵌岩深度取为3d不合理，应根据桩端所嵌入岩体状态确定。明可前[52]通过试验认为最佳嵌岩深度为4d。许锡宾等[53]认为硬质岩和软质岩最佳嵌岩深度分别取3d和5d较合理。

2.3 嵌岩深径比

图4为嵌岩桩极限端阻力随嵌岩深径比hr/d的变化规律。结果表明，嵌岩桩极限端阻力总体随嵌岩深径比的增大而减小，这与史佩栋等[13]统计分析结果一致。史佩栋等[13]根据150根嵌岩桩下压实测结果，绘制了嵌岩桩极限端阻分担荷载比与桩身嵌岩深径比hr/d之间的关系曲线。结果表明，嵌岩桩极限端阻力总体随嵌岩深径比的增大而减小，当1.0

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图4 嵌岩桩极限端阻力随嵌岩深径比变化Fig.4 Variation of ultimate end-bearing capacity with the ratio of rock socketed depth to

中国桩基规范[6]中嵌岩段侧阻和端阻综合系数是随嵌岩深度变化而变化的，在较小嵌岩深径比下，嵌岩段总阻力的发挥程度随嵌岩深度的增加而增大，而随着嵌岩深度继续增加，嵌岩段总阻力发挥程度有所变缓，嵌岩桩极限端阻力系数存在深度效应。图5给出了嵌岩桩极限端阻力系数随嵌岩深径比变化规律，也给出了规范[6]中二类岩石强度条件下，嵌岩桩极限端阻力系数随嵌岩深径比变化曲线。

从图5可看出，对极软岩和软岩(岩石饱和单轴抗压强度≤15 MPa)、较硬岩和硬岩(岩石饱和单轴抗压强度>30 MPa)，中国规范取值总体偏小。同时，图5中端阻力系数与嵌岩深径比之间并无明显的相关性。而中国规范[6]中嵌岩桩端阻力系数取值与嵌岩深径比相关，随嵌岩深径比增加而略有下将，这与收集整理的试验结果并不吻合。

图5 嵌岩桩端阻力系数随嵌岩深径比变化Fig.5 Plots of ultimate end-bearing resistance factor with the ratio of rock rocketed depth to

2.4 岩石强度

根据表2数据，可得到嵌岩桩极限端阻力随岩石天然单轴抗压强度变化规律，如图6所示。为便于更加直观地比较，将图6结果采用双对数坐标轴表示，如图7所示。图6和图7表明，嵌岩桩极限端阻力随岩石天然单轴抗压强度增加而呈非线性增加，可采用式(2)进行拟合。

qp=4.99σc0.30

(2)

图6 嵌岩桩极限端阻力随岩石强度变化关系Fig.6 Ultimate end-bearing capacity versus unconfined compressive strength of

图7 双对数坐标轴下嵌岩桩极限端阻力随岩石强度变化Fig.7 Log-log plots of ultimate end-bearing capacity versus unconfined compressive strength of

图8给出了嵌岩桩端阻力系数随岩石单轴抗压强度的变化规律。嵌岩桩端阻力系数随岩石单轴抗压强度增加而下降，可采用式(3)拟合。

ξp=4.99σc-0.70

(3)

图8 嵌岩桩端阻力系数随岩石强度变化关系Fig.8 Ultimate end-bearing resistance factor versus unconfined compressive strength of

显然，式(3)与按照式(1)、式(2)计算的结果一致。

与嵌岩段桩的极限侧阻力研究[10]相似，国外学者也都是通过桩端阻力系数将嵌岩桩极限端阻力和岩石单轴抗压强度联系在一起，嵌岩桩极限侧阻力和岩石天然单轴抗压强度之间的典型关系式如表3所示。图9给出了嵌岩桩端阻力系数随岩石天然单轴抗压强度变化的结果比较。

表3 嵌岩段桩的极限侧阻力表达式Table 3 Summary of equations of ultimate end-bearing capacity for piles rocketed into the rocks

从图9可看出，基于收集整理的165个嵌岩桩端阻力试验成果，所给出的嵌岩桩端阻力系数和岩石单轴抗压强度之间的拟合结果总体偏于安全，可作为今后工程设计计算依据。

图9 嵌岩桩端阻力系数随岩石单轴抗压强度变化结果比较Fig.9 Comparison of end-bearing resistance factor against the unconfined compressive strength of

3 结论

根据165个嵌岩桩端阻力试验成果，分析了桩径、嵌岩深度、嵌岩深径比和岩石强度对嵌岩桩极限端阻力和端阻力系数的影响规律。主要结论如下：

1)嵌岩桩极限端阻力与桩径间无显著相关性，但其总体上随嵌岩深度、嵌岩深径比增加而略有减小。嵌岩桩极限端阻力qp随岩石单轴抗压强度σc增加而呈非线性增加，可采用qp=4.99σc0.30进行拟合。

2)岩石强度是影响嵌岩桩极限端阻力系数的最主要因素，可采用ξp=4.99σc-0.70拟合嵌岩桩端阻力系数与岩石天然单轴抗压强度之间的关系。

3)嵌岩桩端阻力系数随桩径、嵌岩深度增加而略呈下降趋势，但二者之间相关性并不显著。嵌岩桩极限端阻力系数与嵌岩深径比之间无显著相关性。中国现行桩基规范[6]中嵌岩桩端阻力系数取值总体偏小，且其取值与嵌岩深径比相关，随嵌岩深径比增加而减小，这与本文试验分析结果并不吻合。