嵌岩桩竖向承载性能试验研究进展

闫楠, 赵香梅, 白晓宇*, 蒋冲, 魏玉峰, 张健, 张明义, 赵广, 刘正明

(1.青岛理工大学土木工程学院, 青岛 266520; 2.中南大学资源与安全工程学院, 长沙 410082; 3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 成都 610059; 4.山东农业大学水利土木工程学院, 泰安 271018; 5.中冶东方工程技术有限公司, 青岛 266555)

嵌岩桩是桩端嵌入岩层一定深度的桩,凭借其具有承载力高、可以充分发挥桩身及其周围岩土体的强度等优点[1],在众多桩基类型中脱颖而出,被广泛应用于国内外高层和超高层建筑、大型桥梁基础以及高耸构筑物基础中[2-3]。

20世纪90年代以前,诸多学者认为嵌岩桩沉降小,桩侧摩阻力难以发挥,在《建筑地基基础设计规范》(GBJ 7—1989)[4]中规定嵌岩桩按端承桩设计。21世纪以后,嵌岩桩开始得到广泛应用和深入研究,中国在修订《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD 63—2007)[5]时把桩侧土、嵌岩段、桩端3个部分总阻力作为嵌岩段承载力,并给出了半经验公式,但其未能充分考虑岩石与混凝土的材料特性、混凝土-岩石界面的摩阻力发挥特性、边界条件及界面粗糙度等因素对嵌岩桩承载力的影响。而《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[6]中则将桩周土和嵌岩段的总极限阻力作为嵌岩桩单桩竖向极限承载力,但其对应力条件和界面形状等考虑欠佳。随着高层建筑与跨江桥梁工程的不断发展,建(构)筑物的基底压力逐渐增大,对建(构)筑物的沉降控制要求以及桩基进入持力层的强度要求越来越高[7]。根据不同地质情况,嵌岩桩的设计呈现出类型多样性、适用范围广等特点,如适用于未风化岩层的螺纹桩[8]、Y形沉管灌注桩[9]、扩底楔形桩[10]、挤扩支盘桩[11]、扩底桩[12]、后压浆灌注桩[13]等,以及适用于硬质岩层中的DX桩(多节挤扩灌注桩)[14-17],这些桩型在一定程度上提高了桩侧或桩端阻力。

由于中国复杂的地形地貌和土岩条件,嵌岩桩的承载性能往往受到很多因素的影响。目前,对嵌岩桩相关研究仅考虑了单一因素的影响,得出嵌岩桩承载特征的相关成果存在较大差异性,因此目前国内外工程界将目光聚焦在嵌岩桩承载性能的研究上[18-20]。充分掌握和厘清嵌岩桩的承载特性,是实现嵌岩桩合理设计和安全使用的前提。现从嵌岩桩的荷载传递规律及破坏模式、承载特性、影响承载特性的主要因素等4个方面入手,探讨嵌岩桩的竖向承载性能,归纳室内模型试验和现场静载荷试验对嵌岩桩竖向承载性能的最新研究进展,梳理出当前嵌岩桩竖向承载性能的研究不足并给出针对性建议,以期为嵌岩桩竖向承载性能的研究提供新的思路与方向。

1 嵌岩桩的荷载传递规律及破坏模式

单桩承载力的确定是嵌岩桩设计的最重要内容之一,明确单桩承载力之前必须掌握桩-土-岩体系的荷载传递特性,为此众多学者对嵌岩桩的荷载传递规律和破坏模式开展了深入的研究。

1.1 嵌岩桩的荷载传递规律

随着上部结构对桩基承载力要求的不断提高,嵌岩桩的应用也日益广泛。但是嵌岩桩试验耗费高且难以进行破坏性试验,目前关于嵌岩桩承载性能较系统的实测资料较少,从而制约了人们对嵌岩桩荷载传递规律的全面认识[21-24],因此,探究嵌岩桩荷载传递规律成为研究嵌岩桩竖向承载性能的重点工作之一。

早期对于嵌岩桩荷载传递规律的研究认为嵌岩桩桩身与岩体接触时会呈现出凹凸不平的粗糙曲面。如图1所示,在受荷时,首先发挥作用的是桩-岩间的黏结力,由于黏结力有限,在其达到极限时两者接触面之间发生滑移错动,在这个过程中粗糙曲面间的相互作用加大,当其产生的剪切强度小于外荷载时,接触面之间的滑移错动就会转为剪切机制[25]。董平等[26]基于桩-岩界面的剪胀理论建立了荷载传递函数,公式为

图1 桩岩接触面作用原理示意图[25]Fig.1 Sketch of interface of pile and rock[25]

(1)

式(1)中:τ(z)为桩z深度处单位面积上的摩阻,kPa;φ为摩擦角;Erm为岩体的弹性模量;Vc为岩石泊松比;D为桩径,m;α为剪胀角;S为深度z处桩岩的相对位移,mm。式(1)能够反映桩径、岩石模量等因素对桩侧阻的影响,有助于更充分研究嵌岩桩嵌岩段的荷载传递规律。

同济大学邢皓枫团队主要从事桩基工程的研究工作,在研究嵌岩桩荷载传递机理及受力特性方面做出了突出成果。邢皓枫等[27]、孟明辉等[28]基于桩-岩接触面剪切特性的嵌岩桩荷载传递规律,考虑到胶结作用及初始应力条件对桩-岩界面剪切特性的影响,将剪切界面破坏分为胶结破坏、滑动剪胀及剪切滑移,提出了完整的桩-岩界面剪切机制。针对上述桩-岩界面剪切过程中3个阶段特点,周家全等[29]提出了桩-岩界面胶结作用和界面粗糙体磨损特性的荷载传递计算模型如图2所示,经工程实例分析得出其与传统计算结果相比更为合理。

l0为剪切滑移区深度,m;l1为滑动剪胀区深度,m;l为胶结弹性变形区深度,m;Pd为施加在桩顶上部的竖直向下荷载,kN;τ为桩侧摩阻力,kPa;Sd为桩顶竖向位移,mm;P(l0)和Pb分别为z=l0和z=l处的桩身截面轴力值,kN图2 嵌岩桩荷载传递计算示意图[29]Fig.2 Schematic diagram of load transfer calculation for rock-socketed piles[29]

对嵌岩桩工程经验的日益积累及理论研究的不断深入,使得学者们对桩-岩(土)体系荷载传递规律的认识愈加深刻:桩体随着上部荷载的施加产生向下位移,在这个过程中桩身因与桩周土层发生摩擦错动而产生向上的侧摩阻力,桩侧摩阻力将上部荷载传递至桩周土中,桩周土层侧摩阻力最先发挥。桩周岩层的侧摩阻力随荷载增加由上而下依次逐渐发挥,桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥,而整个过程中桩身轴力随岩层深度增加而减小。

1.2 嵌岩桩的破坏模式

吕福庆等[30]通过对9根现场试桩的静载荷试验,发现嵌岩桩可能在桩体、桩-岩底界面或桩-岩周界面发生破坏,并将嵌岩桩的破坏模式分为3类。张建新等[31]、王耀辉等[32]根据模型试验总结出桩的破坏是混凝土-岩石界面的剪切破坏引起的,发生破坏的位置在桩岩界面、桩周围岩等。邢皓枫等[33]对大量嵌岩桩现场试桩资料进行统计分析,证实了嵌岩桩发生破坏的位置与模型试验一致,并且将嵌岩桩的破坏模式归结为桩体破坏和嵌岩部分破坏。但是上述试验仅考虑了桩岩相对刚度、桩周岩体变形等对嵌岩桩承载力的影响,而忽略了桩身强度、嵌岩体的结构、应力特性和施工技术水平等对嵌岩桩工作特性的影响。

2 嵌岩桩承载力试验研究

中国经济建设的高速发展和现代建筑的不断扩容使得嵌岩桩的应用日益广泛,国内外工程界学者越来越关注对所处岩石地基之上的建筑物承载性状的研究。

2.1 室内模型试验

在强度较高的岩体中,嵌岩桩工程试验难以加载至极限,从而影响对嵌岩桩承载特性的深入研究,因此学者们通过室内模型试验模拟嵌岩桩的加载过程,直至加载破坏,进而研究嵌岩桩的承载特性。王耀辉等[32]通过室内荷载试验确定了嵌岩模型桩的极限承载力,得到了桩-岩界面侧摩阻力分布曲线,如图3所示。研究发现,桩-岩界面的侧摩阻力分布是非均匀的;模型桩破坏时在嵌岩段上部产生的侧摩阻力远大于下部的侧摩阻力。这一结果表明,对于高强度岩体中的嵌岩桩,桩-岩石界面的摩阻力特性极大地影响嵌岩桩的承载特性。在嵌岩桩承载特性研究领域,东南大学以赵明华为代表的团队在该领域做出了突出贡献,他们发现嵌岩桩的承载性能主要取决于桩-岩接触面的剪切强度[34]。在竖向荷载作用下,嵌岩桩桩-岩界面先后经历弹性剪切、剪应力跌落和摩擦剪切3个阶段[35],Xing等[36]通过模拟不同嵌岩深度和桩长情况下的嵌岩桩,发现对于超长嵌岩桩,桩端也分担部分上部荷载,桩端阻力与桩侧阻力异步发挥。张建新等[37]为了探究桩侧阻力与桩端阻力之间的关系,基于室内模型试验发现,当桩身位移较大时,桩端阻力与桩侧阻力间存在着相互影响和相互制约的关系。

图3 模型桩侧摩阻力分布曲线[32]Fig.3 Distribution curves of resistance of model piles[32]

然而,由于现场的实际土层分布和室内试验相差较大,室内模型试验难以模拟出与实际现场一致的土层分布。在一定试验条件下,室内模型试验得到的最大荷载与位移均大于现场试验实测值[18],因此探寻一种能够真实反映实际嵌岩桩承载特性的室内模型试验具有重大意义。为此,国内学者对于目前模型试验进行了相应的改进,如刘海峰等[38]为获取礁灰岩嵌岩桩中桩端应力的变化规律,考虑实际地层的侧限作用,依据固定侧限压缩的方式限制破坏裂纹的发展,使得溶孔和裂隙对岩样强度的影响减小;叶琼瑶等[18]针对软岩嵌岩桩介绍了一种采用改进的静三轴压力室对岩样施加围压和轴向压力进行的软岩嵌岩桩模型试验,通过应变测量可以再现嵌岩桩的受荷全过程;刘海峰等[35]为了避免在模型试验中岩样与水接触造成岩样失效的后果,对压力室进行了改进。

针对室内常规桩基模型试验无法看到桩土相互作用的过程和破坏形式,难以获得直观真实的单桩承载机理和破坏模式,国外学者将电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)可视化技术引入单桩物理模型试验,对软岩中嵌岩桩的研究具有重要意义。但目前桩基模型试验中CT技术的研究成果很少,Otani等[39]、Eskiar等[40]在这个主题上做了一些工作。Huang等[41]通过实例验证了软岩嵌岩桩模型试验可视化技术的可行性和可靠性,并将软岩嵌岩桩的破坏模式直观地揭示为桩端球形孔洞扩张模式。Xu等[42]创新性地利用微X射线CT和室内实验设备直观地支持了球洞膨胀理论在软岩嵌桩端部承载力计算中的适用性。但由于小尺度模型的局限性,该研究并没有将研究结果用于相应的定量分析,而是将试验所获得的定性结果用于促进大尺度桩的破坏机理研究上。

2.2 现场试验

2.2.1 静载荷试验

大直径嵌岩桩基础在城市建设中扮演着重要的角色,上部荷载经由嵌岩桩桩身传递到深层稳定的基岩中,进而提高桩基础的承载力并能减少沉降[43],由于室内试验获得的试验数据,往往不能反映整个岩体的情况,为了研究其承载特性,众多学者将研究的重点集中在原位静载荷试验[44-45]。根据现有成果对大直径嵌岩桩承载力进行静载荷试验的研究可知,工作状态下的大直径嵌岩桩,单桩阻力主要由以下几部分提供,随着桩顶荷载的增加,桩侧土层的侧摩阻力开始发挥,继而嵌岩段岩壁受到荷载的作用,开始提供侧摩阻力,荷载增加到某一限值,桩侧摩阻力难以提供足够的作用力,桩端阻力得以发挥[46],白晓宇等[47]在研究风化岩地基大直径长螺旋钻孔灌注桩承载性状时也证实了这一点。诸多学者经过现场静载荷试验发现嵌岩桩桩身侧摩阻力的发挥与桩周地层的性质和埋深有关[48],随着埋深的增加,嵌岩段的侧摩阻力发挥也会增大[49-51]。为明确嵌岩桩的侧阻和端阻发挥的程度,张建新等[31]基于两组现场试验发现,A组桩侧岩、土阻力只承担小部分荷载,B组桩侧岩、土阻力承担了大部分荷载,可见嵌岩桩仅按文献[4]中所述端承桩设计存在较大弊端。邢皓枫等[33]、赵明华等[52]通过对大量嵌岩桩现场静载试桩资料的统计分析得出,嵌岩桩侧阻与端阻的发挥是异步的,即侧阻先于端阻发挥,嵌岩桩嵌岩段承担了大部分桩顶荷载,且嵌岩段摩阻力起主导作用。

但是Kulhawy[53]对于上述桩端阻力与桩侧阻力异步发挥提出了异议,通过大量试验认为桩基侧阻与端阻同步发挥,只是发挥程度差异较大,并将其荷载(Q)-沉降(s)曲线划分为3个阶段,如图4所示的桩基Q-s、Qs-s和Qp-s曲线阶段图。第1个阶段即OA段,桩顶位移较小,桩侧阻力和桩端阻力共同承担桩顶荷载;第2个阶段即AB段,随着桩顶荷载的增加桩顶产生较大沉降,桩侧阻力在达到极限后趋于稳定,桩端阻力单独承担桩顶荷载;第3个阶段即BC段,桩顶沉降发生骤降,单桩承载力达到极限,桩侧阻力和桩端阻力均已充分发挥。董秀芸等[54]通过研究桥梁桩基的承载特性开展了现场静载荷试验,发现各级荷载作用下桩基Q-s曲线呈缓变型发展,随着桩顶荷载的增加,曲线由线性逐渐变为非线性,表现为典型的摩擦桩承载性状;在静载试验全过程中,桩的受力状态处于Kulhawy理论的第1阶段,桩侧阻力和桩端阻力的发挥并无先后次序,而是同步发挥。工程桩桩顶Q-s曲线如图5所示。

图4 桩基Q-s曲线阶段图[53]Fig.4 Q-s curve stage diagram of pile foundation[53]

图5 试桩桩顶Q-s曲线[54]Fig.5 Test pile top Q-s curve[54]

按反力装置的不同,静载试验可分为堆载法、锚桩法、堆锚联合法及新发展起来的自平衡法等。传统的堆载法、锚桩法由于经济性、安全性差,难以应用于超长或超大直径桩静载荷试验,而采用自平衡试桩法可较好检测此类桩型[55]。故通过自平衡试桩法和分布式光纤传感测试技术来探讨大直径嵌岩桩竖向承载性能。

2.2.2 自平衡法

自平衡法[56-57]是一种较为简便的桩基载荷试验方法,其荷载加载值由上部桩身的侧摩阻力与下部桩身的摩阻力和端阻力来平衡,荷载箱的埋设原则是荷载箱放在桩身平衡点处,因此可清楚地分出侧阻力与端阻力分布。自平衡测试示意图如图6所示。

一般的静载荷试验难于准确测出深长嵌岩段的桩侧摩阻力和桩端阻力,马晔等[58]、龚成中等[59]为了探究泥岩地区大直径深嵌岩桩的承载特性,基于自平衡桩基测试技术研究发现:在泥岩地区大直径深嵌岩桩桩顶Q-s曲线主要以缓变型为主;桩侧摩阻力的发挥受土层特性、桩-土相对位移量等因素的影响,对比砂性土,黏性土桩侧阻力发挥所需桩土位移相对位移较小、作用较快,表现出较高的极限侧摩阻力。

双荷载箱技术通常应用于桩端承载力占总承载力的比例较大的嵌岩桩基中。龚成中等[60]利用双箱荷载技术如图7所示,经检测分析得出在软岩地区大直径深长嵌岩桩桩顶荷载位移曲线主要以缓变型为主,承载力随着嵌岩深度的增加而增大,桩体变形减小。程晔等[61]针对不同嵌岩深度和扩大头尺寸的软岩嵌岩桩基,分别采用单荷载箱测试、双荷载箱测试、小尺寸嵌岩桩测试共3种不同型式的试验装置对其进行承载性能试验,如图8所示。对比3种不同型式的试验装置所测得的试验结果发现,浸水会极大地削弱软岩桩基的承载性能。

HT为试验桩桩长;H为荷载箱与桩端间的距离;DD为试验桩扩底直径;D为试验桩直径;d为钢筋笼底部尺寸图8 自平衡试桩示意图[61]Fig.8 Sketch of self-balanced test piles[61]

但这种方法在从Q-s曲线向P-s曲线转换时,除自平衡测试加载中荷载传递与传统静载存在一定差异外,还会受到桩-土(岩)关系及其计算模型、环境温度变化和施工干扰对桩基承载力的影响,测出的极限承载力实测值均大于理论计算值[62],说明按理论值来设计该嵌岩桩相对来说还是偏于安全的。所以,如何准确、可靠测试出嵌岩桩竖向承载力已经成为当前亟待解决的科学问题。

2.2.3 分布式光纤传感测试技术

目前分布式光纤传感测试技术已在建筑、桥梁、桩基础、隧道等监测中得到了广泛运用[63-66]。基于时域定位的布里渊分布式光纤传感技术主要分为布里渊光时域反射(Brillouin optic time domain reflectometer,BOTDR)[67-68]和布里渊光时域分析(Brillouin optical time-domain analysis,BOTDA)[69]两种。基于BOTDR的分布式光纤传感技术在埋设光纤传感器时,传感器分布较为连续,并且擅长长距离检测。基于BOTDA的分布式光纤传感技术可以克服不匹配的标定系数和不一致受力环境这个问题,可以跟踪整个大直径嵌岩桩在不同受荷情况下桩基应变曲线,反映嵌岩桩的荷载传递机制和承载特性。

为验证分布式光纤传感技术检测嵌岩桩桩身承载性能的可行性,部分学者开展了大量的试验研究。朴春德等[70]通过现场试验研发出了一套光纤传感器埋设工艺,提出了一种应用于钻孔灌注桩检测的基于小波分析和移动平均法的BOTDR检测数据频谱处理方法。之后朴春德[71]基于BOTDR的分布式传感技术,通过预埋在嵌岩桩桩身的光纤传感器对嵌岩桩桩身轴力、侧摩阻力分布以及桩端阻力等进行了检测,研究发现具有一定上覆土层厚度的嵌岩桩,随着桩顶荷载的增加,桩身轴力逐渐增加;沿深度方向桩身轴力呈现出逐渐减少的现象,侧摩阻力在接近嵌岩段上部时较大,而在嵌岩段下部则相对较小。罗勇等[72]基于BOTDA分布式光纤传感技术对大直径嵌岩桩承载性能进行研究,通过整个测试过程的数据显示,具有一定嵌入深度的嵌岩桩在设计时应按摩擦桩考虑,这是因为桩侧摩阻力的发挥先于端阻,且上部结构荷载主要由侧摩阻力承担。

虽然分布式光纤传感技术克服了传统点式传感器容易出现漏检、接触不良或断裂等缺点,但目前对于分布式光纤传感技术应用于检测嵌岩桩承载力的研究鲜有报道,攻克检测嵌岩桩承载力的适配性技术成为当前一大挑战。

3 影响嵌岩桩竖向承载性能的因素

对嵌岩桩竖向承载性能进行的大量试验研究表明,其单桩承载力与界面粗糙度、嵌岩深度、岩层岩性和强度以及截面尺寸等因素有关。现从粗糙度、嵌岩深度、基岩岩性和截面尺寸出发,深入探究各因素对嵌岩桩竖向承载性能的影响规律。

3.1 粗糙度

3.1.1 孔壁粗糙度

诸多学者通过大量试验研究发现孔壁粗糙度对嵌岩桩的承载力有着较大影响。在泥岩中,孔壁粗糙度变化较大,因为导致孔壁粗糙性状的因素很多,例如岩石完整性、钻孔技术及速度等[73]。Horvath等[74]提出了用凹凸度因子来定量描述孔壁粗糙度的方法,后又经过模型试验对比分析进一步提出桩侧阻力与凹凸度因子的关系:其他条件一定,凹凸度因子越大,桩侧阻力越大,从而桩的承载力就越高。在此基础上,Seidel等[75]、Kong等[76]分别提出桩阻力系数和利用FLAC3D技术反映孔壁粗糙度对桩侧摩阻力的影响。然而学者们在探究上述研究成果时,并未充分考虑岩石和地质条件的复杂性,在未来仍需进一步探索和考究。

龚成中等[77]为了探究孔壁粗糙度因子对嵌岩桩承载性能的影响,通过室内模型试验研究发现,增大孔壁粗糙度有利于提高嵌岩桩的极限承载力和侧摩阻力,桩端阻力发挥作用所需的位移逐渐减小。黄生根等[78]根据嵌岩桩静载试验资料分析证实了孔壁粗糙度对嵌岩桩的承载力影响较大,如图9所示,由不同粗糙度与荷载关系曲线可知,在相同桩顶沉降情况下,嵌岩部分孔壁的粗糙度越大,嵌岩桩的承载力就越高,影响原因为:孔壁越粗糙更容易引起桩岩孔壁方向发生剪胀作用,进而提高桩的侧摩阻力。

图9 粗糙度与荷载关系曲线(桩顶沉降=15 mm)[78]Fig.9 Curves of relationship between roughness and load (pile top settlement=15 mm)[78]

3.1.2 桩-岩界面粗糙度

桩-岩界面粗糙度与岩石节理的抗剪强度一样,桩身在岩石中的阻力是一种摩擦响应,它取决于混凝土桩身与岩石界面的粗糙度,桩-岩接触面的粗糙程度制约着嵌岩桩摩阻力的发挥,进而对嵌岩桩的承载能力影响较大[79]。国内外学者在研究桩-岩界面粗糙度对嵌岩桩竖向承载力影响方面均已取得了一定的成果。Zhang等[80]通过研究分析发现桩-岩结构面受粗糙度影响较大,增大桩-岩界面粗糙度能减少桩顶沉降,然而在研究时对侧阻力的发挥程度并未充分考虑。Jeong等[81]、Dai等[82]、Zhao等[83]、Chong等[84]通过建立粗糙体模型研究粗糙度对桩-岩结构面剪切行为的影响,研究结果表明,桩岩界面粗糙度越大,嵌岩桩的承载性能越好,承载力越大。但上述试验研究的开展是在将粗糙体剪切破坏面假定为平面的基础上,Gu等[85]却通过室内模型试验发现软岩嵌岩桩桩-岩界面粗糙体破坏面为曲面而非平面。赵明华等[86]对于软岩中的嵌岩桩研究时也证实了将桩-岩界面粗糙体剪切破坏面考虑为曲面能更合理。所以目前将粗糙体的剪切破坏面假定为平面的与工程实际情况明显不符。

在此基础上,寻求不规则桩-岩接触面的本构关系更符合工程实际。赵明华等[34]引入分形维数表示的结构面抗剪强度理论模拟桩-岩粗糙接触面的受力性状,研究发现分形维数越大,轴力在桩身上部衰减越快,传递到桩端的荷载越小,所需桩长越小。在文献[32]中通过模型试验同样也得出了粗糙表面会明显影响桩侧摩阻力分布,进而影响桩的承载力特性。

3.2 嵌岩深度

嵌岩深度在设计嵌岩桩和承载力取值时,大多数情况下是凭借施工经验增加嵌岩深度,这显然会对嵌岩桩的设计造成不必要的浪费[87],因此确定合适的嵌岩深度是嵌岩桩在设计时能够达到经济、安全、可靠目的的前提,众多学者纷纷开展对嵌岩桩合理嵌岩深度的研究。明可前[88]认为,嵌岩桩承载力及嵌固力在嵌岩深度为4倍桩径时达到最大。刘松玉[89]通过分析大量的现场试验资料,发现桩端阻力所占总阻力的比例较大,提出软岩嵌岩桩的最大嵌岩深度并非定值,而与岩体强度有关。《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[6]规定嵌岩深度与桩径比大于5时,端阻力为零。宋仁乾等[90]提出了软土地基中不同桩径具有不同的最佳嵌岩深度,并表明不存在最大嵌岩深度,由此可见嵌岩深度是影响嵌岩桩承载力的重要原因之一。吴兴序等[91]对昔格达岩层中13根灌注桩进行了单桩竖向静载荷试验,结果表明,单桩竖向承载力与嵌岩深度的增加有关且呈非线性关系,单桩承载力随桩端嵌岩深度的增加而增大。Kim等[92]、Chen等[93]通过研究发现嵌岩段桩侧摩阻力随嵌岩深度增大而呈现出减小趋势。

3.3 基岩岩性和强度

国内各地区岩层存在较大差异,所以把基岩岩性和强度作为影响嵌岩桩承载力的一个重要因素[94]。东南大学代表赵明华团队[19]结合现场嵌岩桩试桩资料分析得到不同持力层的嵌岩桩Q-s曲线如图10所示,可以分析得出桩端基岩强度越大承载力就越大。龚成中等[56]在研究泥质岩地区大直径深嵌岩桩的承载特性时,同样得出桩端岩石风化程度对端阻力影响较大,微风化的泥质砂岩和白云岩作为持力层的桩基极限承载力要比弱风化的泥质灰岩高。王向军[95]在研究嵌岩桩承载变形特性时,分析得到岩石单轴抗压强度越大,嵌岩段承载力就越大。岩石单轴抗压强度与桩基承载力关系如图11所示,试桩在不同基岩岩性下的承载力如表1所示。

表1 试桩在不同基岩岩性下的承载力[95]Table 1 Bearing capacity of test pile under different bedrock lithology[95]

图10 不同持力层的嵌岩桩的Q-s曲线[19]Fig.10 Q-s curve of rock-socketed pile in different bearing layer[19]

图11 岩石单轴抗压强度与桩基承载力关系[95]Fig.11 Relationship between uniaxial compressive strength of rock and bearing capacity of pile foundation[95]

3.4 截面尺寸

不同桩身和岩性条件下嵌岩桩表现出不同的承载变形性状,其中桩的截面尺寸是主要影响因素之一。目前根据中国现行嵌岩桩承载力计算规范和实际工程总结积累的经验都可看出,增大桩径有利于提高嵌岩桩的承载力。但对于大直径嵌岩桩而言却并非如此,Pells等[96]较早发现大直径嵌岩桩的桩侧摩阻力会随着桩径的增大而减小,并通过模型试验来进行考证,试验结果证实了大直径嵌岩桩的这一特殊性。国内学者对嵌岩桩的尺寸效应研究较少,张建新等[97]、张琦等[98]研究表明,嵌岩桩的桩端极限承载力与嵌岩深度和桩径密切相关,存在明显的尺寸效应。龚成中等[99]为了进一步验证桩的截面尺寸对承载力的影响,基于现场试验发现桩端阻力随着桩径的增加其减小趋势较为明显,如表2所示。

表2 桩端阻力与位移关系[99]Table 2 Relations of tip resistance and displacement[99]

4 结论

现代建筑的不断扩容使得建筑物建造在岩石地基上的可能性越来越大,当前嵌岩桩作为一种特殊桩型在工程界发挥着重要作用。以下从嵌岩桩竖向承载性能的试验研究出发,对其试验研究进展进行总结,得到以下结论。

(1)根据大量试验研究表明嵌岩桩在受荷时桩身与桩周土、岩作用产生侧摩阻力,且侧摩阻力所占总阻力比例较大,其荷载传递特性主要取决于桩-岩接触面的剪切特性。基于嵌岩桩荷载传递规律发现剪切破坏位置发生在桩岩界面、桩周围岩等。

(2)在嵌岩桩设计时,仅按端承桩设计是不科学的,依托于大量试验研究,嵌岩桩所表现出的承载特性可为端承桩、摩擦桩或端承摩擦桩的特性。目前大部分学者普遍认为嵌岩桩在工作时,其桩侧阻力先于桩端阻力发挥,但也有学者认为桩端阻力与桩侧阻力并非异步发挥而是同步发挥。

(3)通过梳理影响嵌岩桩承载力因素的已有研究可知,嵌岩桩承载力随孔壁或桩-岩界面粗糙度、基岩强度的增大而增加;对于大直径嵌岩桩而言,无限的增加嵌岩深度会导致承载力降低,无限增大桩径会使嵌岩桩的桩侧摩阻力在一定程度上发生减小现象,在嵌岩深度和桩径取值时应依据实际岩土层情况而定。

5 未来研究展望

通过研究发现,现有的试验研究中存在一些不完备之处。

(1)室内模型试验局限于场地、环境条件,无法完全还原桩基现场土层分布,所获得的数据值较大;现场试验虽然是研究嵌岩桩承载力最可靠的试验方法,但因现场嵌岩桩基本不能加载到极限承载力而无法充分了解其承载特性。两种试验方法均存在无法全面获取嵌岩桩在整个受力过程中的真实变形情况。

(2)自平衡试验虽然可以获取深长大直径嵌岩桩桩侧摩阻力和桩端阻力的分布规律,但通过这种方法从Q-s曲线向P-s曲线转换时,除自平衡试验加载中的荷载传递与传统静载存在一定差异外,还会受到桩-土(岩)关系、周围环境温度变化等因素影响,从而使得极限承载力实测值与理论计算值出现极为明显的差异,难以准确掌握嵌岩桩的承载特性。

(3)对于测试大而深的嵌岩桩单桩承载力技术方面,光纤传感技术较传统点式测试技术有着明显的优势,具有分布式特性。但此技术在实际工程中应用于嵌岩桩承载力测试的研究并不普遍,目前采用光纤传感技术对嵌岩桩承载性能的研究仍不够全面和充分。

在对目前试验研究现状梳理和总结的基础上,结合试验研究中存在的问题,提出以下建议。

(1)由于实际工况的限制,寻求更贴近实际工况的室内模型试验方法成为今后研究的重点。而对于现场静载荷试验中利用自平衡测试法和分布式光纤传感技术研究嵌岩桩承载力时,也会受到诸多因素的影响,如何克服这些影响因素是在今后现场试验研究中努力的方向。

(2)CT技术的出现为可视化注入了新的血液,在岩土研究领域得到了越来越广泛的应用。CT扫描模型试验装置能够实现桩顶加载过程的可视化,能够直观、真实地获得嵌岩桩在软岩中的承载机理。由于目前应用较少,系统研究和开发CT技术对深入、直观地获得嵌岩桩的承载性能具有重大意义。

(3)目前国内外学者对嵌岩桩承载性状及其影响因素做了大量试验研究,得出了较为客观的研究成果,但在实际工程应用及分析研究时遇到的例如如何经济、有效、完全地获得嵌岩桩分析所需基础性资料以及要更加重视试验与理论分析相结合等问题的研究工作尚且不足,同时在研究嵌岩桩竖向承载性能时,要综合考虑各方面因素的影响,从而对嵌岩桩承载力做出更加精确的估算。