大直径嵌岩基桩极限承载力判定的对比研究

摘""要：为判定大直径嵌岩桩基础极限承载力，采用桩基础竖向静载荷试验方法、桩基础承载力理论和泛函数分析方法，构造嵌岩桩系统的势能函数、比能函数，提出嵌岩桩极限承载力判定的比能对比法，即当桩端应力超过嵌岩段桩周岩体的极限抗剪强度时，嵌岩桩达到极限承载状态。研究结果表明：嵌岩桩基础极限承载力与嵌岩深径比、岩体强度呈正相关关系，比能对比法可以客观判定嵌岩桩基础极限承载力。研究结论为大直径嵌岩桩基础极限承载力判定提供新的方法。

关键词：嵌岩桩基础；大直径桩；极限承载力；载荷沉降曲线；比能

中图分类号：TU44 """""""""""""""""""文献标志码：A """""""""""""文章编号：1008-0562（2024）06-0656-06

Study on determinations of ultimate bearing capacity of large diameter rock-socketed pile

CHENG Linggang¹， LIU Gangpeng²， BAI Jiangtao²， YANG Bo²， ZHANG Xin²

（1. China Communications Construction Urban Investment Holding Limited Company， China Communications Construction Limited Company， Beijing 100022， China; 2. Second Engineering Limited Company， China Communications Construction Group Limited Company， Nanchang 330038， China）

Abstract： For estimating the ultimate bearing capacity of large-diameter rock-socketed pile"foundation"（LDRSPF）， the vertical static load test method for pile foundations and pile foundation bearing capacity theories and universal function analysis method were used to construct the potential energy function specific energy function of rock-socketed pile （RSP）， and the specific energy comparison method （SECM） for determining the ultimate bearing capacity of RSP was proposed， that is， RSP reached the ultimate bearing state when the stress at the end of the pile exceeds the ultimate shear strength of the rock mass around the rock-socketed section. The results show that a positive correlation is between the ultimate bearing capacity of RSP and both the socketed depth-to-diameter ratio and the strength of the rock mass， and the ultimate bearing capacity of RSP may be objectively determined by the objectivity of SECM for determining. The research conclusion provides a new method for the ultimate bearing capacity of LDRSPF.

Key words： rock-socketed pile"foundation; large diameter pile; ultimate bearing capacity; load-settlement curve; specific energy

0 "引言

嵌岩桩基础主要通过人工挖孔、冲击钻孔、旋挖钻孔等成孔，进而灌注混凝土成桩，具有承载力高、稳定性好的优点，广泛应用于大体量、大载荷的建筑物和构筑物^[1-2]。静载荷试验的加载方法除了传统的平台堆重法、桩-反力梁法^[3-4]，还有群锚杆

反力梁法^[5]、自平衡法^[6-7]等。由于大直径嵌岩桩承载力高，使用这些方法仍难以达到大直径嵌岩桩的极限承载力，其载荷沉降曲线呈缓变型，难以根据载荷沉降曲线拐点判定极限承载力。

目前，确定大直径嵌岩桩基础的极限承载力，需要通过桩基础静载荷试验方法获得嵌岩桩基础的桩顶载荷、桩顶沉降，进而按照《建筑基桩检测技术规

范》（JGJ"106—2014）^[8]的载荷-沉降曲线、沉降-时间对数曲线确定极限承载力，或将5%桩径沉降量对应的桩顶载荷作为极限承载力。缓变型载荷沉降曲线下大直径嵌岩桩基础的极限承载力判定方法可分为三类。第一类是通过理论方法确定极限承载力。杨石""春^[9]采用极限平衡理论和滑移面摩擦方法，建立了承载力增量的计算方法。刘艳敏等^[10]采用桩基础载荷传递函数理论，构造桩-岩界面胶结软化载荷传递模型，分析载荷沉降曲线判定极限承载力及其不同工程地质条件的适用性。第二类是在缓变型载荷沉降曲线基础上，根据桩基础的承载特性，提出新的极限承载力判定方法。DONG^[11]根据桩顶沉降、桩顶载荷的增量变化过程，采用突变理论、能量理论，提出单位载荷沉降增量-势能曲线法（Ds/DQ-E曲线法）。解志等^[12]从桩周岩土体强度角度，分析了桩周岩土体强度与桩体能力的关系，为解决超长桩基础的极限承载力判定问题提供了新方案。第三类是采用数值仿真分析方法，采用载荷增量极限分析方法^[13-14]或强度折减极限分析方法^[15-17]，获取极限承载力。

嵌岩桩基础呈现出大直径、超长桩的发展趋势，单桩承载力显著提高，桩顶载荷-位移曲线（Q-s曲线）更多呈现缓变型特点，原有的理论方法、经验方法已经不适合判定嵌岩桩极限承载力。同时，受到岩体离散性、力学非线性影响，现阶段确定嵌岩桩基础极限承载力的数值计算方法难以统一。因此，本文从大直径嵌岩桩基础承载机理和破坏特征出发，构造嵌岩基桩系统的承载力泛函数、势能函数，分析不同的桩径、嵌固深度、桩长、岩体强度对大直径嵌岩桩基础极限承载力的影响，探究嵌岩基桩系统比能与嵌固段岩体材料的极限抗剪强度关系，提出大直径嵌岩桩基础极限承载力判定的比能对比法。

1 "嵌岩基桩的破坏模式与极限承载力确定方法

1.1 "嵌岩基桩的破坏模式

嵌岩桩基础破坏模式主要由桩体强度和嵌岩段及其下部岩体的岩性决定^[18-19]，主要有以下类型。

（1）桩体强度不足或长细比过大，导致桩体断裂、失稳，Q-s曲线表现为陡降型。

（2）嵌岩段及其下部岩体为完整、较为完整的坚硬岩、较硬岩，岩体不易发生剪切破坏形成塑性区，岩体对嵌入桩体约束强，Q-s曲线表现为缓变型。

（3）嵌岩段岩体强度低（强风化岩、中风化软岩），桩岩界面易产生剪切破坏，形成局部塑性变形，岩体对桩体径向膨胀约束较第二类情况的约束弱，在屈服荷载之前Q-s曲线平缓，之后到极限承载力之前，基桩Q-s曲线虽表现为缓变型，但曲率加大，极限承载力后出现倾斜曲线或陡降曲线。

（4）桩端岩体下存在软弱结构面、溶洞等，基桩受压到一定荷载后，沿结构面剪切破坏，或溶岩顶板发生冲切破坏、剪切破坏与弯拉破坏，Q-s曲线表现为陡降型。

1.2 "极限承载力确定方法

嵌岩基桩极限承载力的确定方法主要有静载荷试验方法、经验公式法、原位参数试验方法（确定嵌岩段阻力的岩基载荷板试验）和数值试验方法。目前，工程建设中采用静载荷试验方法和经验公式法，少量大体量、复杂工程的分析采用数值仿真试验辅助工程设计。大直径基桩是桩径D大于等于0.8 m的桩基础，竖向承压基桩破坏模式常表现为渐进破坏，Q-s曲线表现为缓变型。

（1）竖向承压静载荷试验方法

嵌岩桩的静载荷试验获得的缓变型Q-s曲线较多，陡降型Q-s曲线较少，判定基桩极限承载力主要从沉降随桩顶荷载变化、沉降随时间变化、桩顶沉降量、桩顶沉降稳定等方面确定。因嵌岩桩往往属于大直径桩基础，也从沉降控制角度（上部结构次生应力控制）提出了s≤5%D（D为桩径，s为桩顶沉降）的确定条件。在极限承载力判定的客观性方面，陡降型Q-s曲线具有明确的物理意义。

（2）经验公式法

经验公式法^[20]是在大量工程试桩、室内试验、岩土勘察参数基础上，经过统计分析得到的，在桩基础初步设计、校核中得到了广泛应用。主要形式有两种，见式（1）和式（2）。

，"（1）

式中：Q_uk、Q_sk、Q_pk分别为基桩承载力特征值、侧阻力特征值、端阻力特征值，kN；q_ski为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；q_pk为极限端阻力标准值，可以依据勘察报告或规范经验值确定，kPa；l_i为桩侧第i层土的厚度，m；u为桩周长，m；A_p为桩端面积，m²。

，"（2）

式中：Q_rk为嵌岩段桩端阻力的特征值，kN；f_r为岩石饱和单轴抗压强度，kPa；z_r为嵌岩段侧阻、端阻综合系数，与嵌岩深径比、岩石软硬程度、成桩工艺等有关。

当桩端为完整、较完整基岩时，可采用式（2）估算极限承载力。

目前的工程应用研究表明，嵌岩桩基础静载荷试验确定的基桩极限承载力一般高于经验公式计算的极限承载力。

2 "嵌岩基桩的比能对比方法

分析嵌岩基桩破坏特征和式（2），嵌岩桩基础破坏主要是嵌岩段桩周岩体的破坏，与岩体强度、嵌岩深径比、嵌岩段变形等因素密切相关。根据文献[12]，假设嵌岩桩传力系统中，未发生摩擦引起的能力损失，桩体发生弹性变形，卸载后出现的残余沉降量为嵌岩段塑性变形。嵌岩基桩系统势能为

，""""""（3）

式中：E₀为嵌固段桩体弹性模量，MPa；A为嵌固段桩体截面积，m²；L_q为嵌固段桩长，m；Ds为嵌岩桩桩顶沉降量，m。

嵌岩基桩系统的比能为

，"""""""""（4）

式中，V_q为桩体体积，m³。

桩土系统中嵌岩段的抗剪强度可以采用折减后的岩心强度表示，即

。"""""""""（5）

当嵌岩基桩系统比能达到嵌固段岩体材料的极限抗剪强度后，嵌固段岩体发生强度破坏或失稳，基桩达到极限承载力，即桩体传递的应力超过嵌岩段桩周岩体的最大抗剪强度，嵌岩段桩周岩体的极限抗剪强度为

。""""""""（6）

当F_q/t_egt;1时，嵌岩段桩周岩体、界面出现塑性区，但受到周边岩体的较强约束，限制了嵌岩段地基的变形。继续施加桩顶荷载，桩体传递荷载使嵌岩段桩周岩体在一定范围出现剪切破坏并连通塑性区，或桩体失稳，桩顶沉降出现陡降变形。

3 嵌岩基桩极限承载力判定对比分析

3.1 "嵌岩基桩的极限承载力确定

某工程位于嘉陵江Ⅰ级阶地，自上而下依次划分为第四系全新统素填土（Q₄^ml），第四系全新统冲洪积层（Q₄^al+pl）粉土、粉砂、卵石，以及下伏侏罗系上统遂宁组（J₃sn）泥岩。泥岩层有强风化泥岩和中等风化泥岩两个亚层，产状近于水平。桩基础嵌入中等风化泥岩亚层。中等风化泥岩层的岩芯较完整，裂隙较发育，岩芯呈短柱状、长柱状，岩质相对较硬，最大揭示厚度14.6 m，层间偶夹薄层破碎泥岩。

选取该工程10根检验性试桩开展极限承载力对比分析，嵌岩基桩和嵌岩段岩体参数见表1。从施工记录、低应变检测获取桩径D、桩长L、嵌岩段长度L_q，由钻芯取样、抗压试验获取岩石饱和单轴抗压强度f_r和混凝土抗压强度f_c。参数b为嵌岩深径比，即嵌岩基桩的嵌岩段深度与桩径的比。分别采用Q-s曲线法、logQ-s曲线法、Ds/DQ-E曲线""""法^[15]、比能对比法，确定嵌岩基桩的极限承载力。

（1）Q-s曲线法

10根桩的Q-s曲线见图1。

基桩桩顶沉降量区间为10.55～22 mm，均为缓变型Q-s曲线。根据文献[8]，若桩顶沉降量控制量s≤5%D，即桩顶沉降量控制值分别为40 mm、""""50 mm和60 mm，则极限承载力为桩顶沉降量对应的载荷。嵌岩段深径比最小的QY-4桩（b=1），其Q-s曲线也未出现陡降情况，但在Q超过2 760 kN后接近于直线，见图1（b）。

（2）logQ-s曲线法

logQ-s曲线法适用于渐进破坏的大直径桩基础极限承载力判定。QY-1～QY-10的logQ-s曲线见图2。当曲线开始平行于s轴时，该点对应的桩顶载荷为基桩的极限承载力。logQ-s曲线没有出现平行于s轴的情况，说明随着桩体沉降、膨胀，以及嵌岩深度增加，桩周岩体的约束增大，单位载荷嵌岩桩桩顶沉降减小。嵌岩段深径比b=1（QY-4桩）的极限承载力为3 220 kN，见图2（b）。b=3的QY-6、QY-10桩极限承载力分别为8 000 kN和9 630 kN，b=4的QY-5桩极限承载力为6 000 kN，b=5的QY-1、QY-2、QY-3、QY-7、QY-8、QY-9桩极限承载力分别为8 400 kN、8 800 kN、8 800 kN、 """""""7 200 kN、12 000 kN、8 400 kN。综上，大直径嵌岩基桩承载力主要由嵌岩段深径比、嵌岩段桩周岩体强度控制。

（3）Ds/DQ-E曲线法

单位载荷沉降增量-势能曲线法（Ds/DQ-E曲线法）是将基桩、桩周岩体视为两个相互作用的承载子系统，桩周形成的桩端反力、桩周阻力共同作用于桩体上。若桩体在单位荷载增量DQ下出现沉降增量Ds趋于极小值，桩体势能趋于局部极大值，即出现突变现象，表明桩周岩体系统发生塑性破坏，此时对应的桩顶荷载为该桩的极限承载力。嵌岩基桩的Ds/DQ-E曲线见图3。除QY-4桩外，其他桩均表现出势能激增趋势，桩顶荷载最大加载量即为极限承载力。QY-4桩在Q超过2 760 kN后，曲线接近平行于E轴，单级加载下势能增量提高了1倍，其极限承载力为2 760 kN。

（4）比能对比法

采用比能对比法计算嵌岩基桩的极限承载力，结果见表2，表中s₁和s₂分别为桩顶达到极限承载力时的桩顶沉降量和卸载完成后的桩顶沉降量。QY-4桩顶载荷为3 220 kN时，F_q/t_e=124.40%，桩体传递的应力超过嵌岩段桩周岩体的最大抗剪强度，判定该级荷载为极限承载力。其他试桩的F_q/t_e介于5.98%～15.16%，均小于1.00，嵌岩桩桩顶的最大加载量判定为嵌岩桩基础的极限承载力。

采用上述4种方法得到的嵌岩基桩极限承载力见表3。QY-4桩、QY-5桩的桩径均为0.8 m，嵌岩深度分别为0.8 m和3.2 m，嵌入段岩体的单轴饱和岩石抗压强度均为6.99 MPa，b分别为1.0、4.0，采用比能对比法得到的极限承载力分别为 """"""3 220 kN、6 000 kN。QY-5桩极限承载力较QY-4桩嵌岩桩极限承载力提高了接近1倍，可知适当加大嵌岩段深径比可以提高单桩的极限承载力。QY-6桩、QY-10桩嵌岩段深径比相同、岩体强度相近，f_r分别为6.92"MPa、6.99"MPa，极限承载力分别为8 000 kN、10 700 kN。QY-6桩直径（1.0 m）小于QY-10桩直径（1.2 m），QY-6桩极限承载力较QY-10桩极限承载力减小了约25.2%。QY-1、QY-7～QY-9桩的直径均为1.2 m，嵌岩段深度为6 m，b=5，f_r介于6.11～6.36"MPa，极限承载力达到12 000 kN时，F_q/t_e介于5.98%～9.51%，总体小于b为1、3、4时F_q/t_e值。

3.2 "嵌岩深径比对极限承载力的影响

与土基中基桩不同，嵌岩桩基础在传力过程中，嵌固段岩体强度较大，桩端嵌固段的岩体对所嵌入的桩体形成了较强的约束作用，桩端岩体压缩变形量减小。选取表2中相同嵌岩深径比的F_q/t_e，计算其平均值，并绘制β-F_q/t_e曲线，见图4。

当b=1时，如QY-4桩，该桩嵌岩深度虽满足规范的嵌岩深度要求，但嵌岩段岩体约束弱，F_q/t_e=124.40%gt;1，桩端应力超过嵌岩段桩周岩体的极限抗剪强度，说明桩基础已达到极限承载状态。

当b≥3时，桩体嵌固岩体较深，桩周岩体对桩体产生较强的约束，嵌岩基桩系统比能与嵌固段岩体抗剪强度之比（F_q/t_e）介于5.98%～15.16%，说明桩顶载荷作用下的嵌固段岩体应力远小于岩体极限抗剪强度，嵌岩桩未达到极限承载状态。

比能对比法引入了岩土体强度准则，注重岩土体强度破坏条件，明确岩体破坏引起了基桩破坏。F_q/t_e随着b的增大而减小，与b呈负相关。

4 "结论

围绕大直径嵌岩基桩极限承载力确定及其影响因素，总结了嵌岩基桩破坏模式和Q-s曲线形态特征，对不同方法计算的嵌岩桩极限承载力进行了对比，得到如下结论。

（1）在相同桩径、桩体强度条件下，随着嵌岩深径比、岩体强度的提高，嵌岩基桩的极限承载力也相应提高，即嵌岩深径比、岩体强度与嵌岩基桩极限承载力呈正相关。

（2）基于桩体传递的应力超过嵌岩段桩周岩体的极限抗剪强度条件，提出了用于嵌岩基桩极限承载力判定的比能对比法。采用Q-s曲线法、logQ-s曲线法、Ds/DQ-E曲线法、比能对比法，对10根大直径嵌岩桩的极限承载力判定进行对比分析，结果表明比能对比法可以客观判定嵌岩桩基础的极限承载力。

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