规范讲课嵌岩桩9

2020/3/4桥梁嵌岩桩承载力研究龚维明教授2020年3月4日土木工程学院2020/3/41.前言传统观念一直把嵌岩桩作为端承桩来设计，完全不考虑其桩侧阻力。大量的实测资料表明，嵌岩桩即使是在无覆盖层条件下或长径比L/d5的短桩，也并非一律是端承桩。忽视上覆土层侧摩阻力和嵌岩段岩层侧摩阻力，把桩端嵌入微风化程度以上的基岩，套用规范盲目加深嵌岩深度或扩大桩端尺寸，无助于调动基岩的承载能力，却造成浪费并增加施工的难度。2020/3/41.前言随着对嵌岩桩承载性状的深入研究，人们逐渐认识到，嵌岩桩的侧阻力不可忽视，有时甚至成为平衡外荷载的主要反力，即嵌岩桩也可能成为摩擦桩或端承摩擦桩。由于嵌岩桩受力机制复杂，现阶段尚未认识清楚，导致了设计人员设计过于保守。2020/3/42.嵌岩桩的定义岩石为颗粒间连接牢固、呈整体或具有节理裂隙的岩体。岩石的风化程度分为未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化5个等级。国外学者多认为：只要桩端嵌入岩体中，不论岩体的风化程度如何、坚硬性如何，都称为嵌岩桩。国内：《建筑桩基技术规范》规定桩端嵌入中等风化程度以上岩层的桩称之为嵌岩桩。《公路桥涵地基与基础设计规范》隐含的定义是：桩端嵌入微风化岩或新鲜基岩中的桩称之为嵌岩桩。本研究认为：桩端支承于中等风化程度以上岩层的桩就可称其为嵌岩桩,不包括嵌入全风化、强风化岩情况。2020/3/43.嵌岩桩承载力的现行计算方法《建筑地基基础设计规范》规定当桩端嵌入“完整及较完整的硬质岩”中时，按下式估算承载力：1)只计桩端阻力规定“桩周边嵌岩最小深度为0.5m”以确保桩端与岩体面接触。对于嵌入破碎岩和软质岩石中的桩，单桩竖向承载力按摩擦桩计算。2020/3/4《公路桥涵地基与基础设计规范》对单桩容许承载力按下式计算：2）只计嵌岩部分的侧阻力和端阻力hr—桩嵌入基岩深度，不包括风化层；Ra—岩石天然湿度的单轴抗压强度;c1、c2—根据清孔情况、岩石破碎程度定的系数2020/3/4《铁路桥涵设计规范》规定，嵌入新鲜岩石层内的桩轴向容许承载力：R—岩石试块单轴极限强度；h—自新鲜岩面（平均高程）算起的嵌入深度；c1、c2—据岩石层破碎程度和清孔情况规定。2020/3/4《建筑桩基技术规范》（征求意见稿）按下式计算：3）考虑土层的侧阻力、嵌岩段侧阻力和端阻力2020/3/44.嵌岩桩承载力计算方法通过151根试桩，提出嵌岩桩承载力计算方法•—单桩轴向受压承载力容许值（kN）。桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；•—根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，按表5.3.4采用；•—桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积:12111[]2mnaprkiirkisiikiiRcAfuchfulqaR1cpA2020/3/4•—桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa），黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，当小于2MPa时按摩擦桩计算；•—根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数，按表5.3.4采用；•—各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；•—桩嵌入各岩层部分的厚度（m），不包括强风化层和全风化层；•m—岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；•—覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端确定：当2MPa≤15MPa时，；当15MPa≤30MPa时，；当30MPa时，；rkf2icuihsrkfrkfs0.8rkfs0.5s0.22020/3/4•—各土层的厚度（m）；•—桩侧第i层土的侧阻力标准值（kPa），宜采用单桩摩阻力试验值，当无试验条件时，对于钻（挖）孔桩按本规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按本规范表5.3.3-4选用；•n—土层的层数，强风化和全风化岩层按土层考虑。ilikq2020/3/4嵌岩桩上覆土层侧阻力值Qs采用下式表示：1）土层侧阻系数分析qsk—土层极限侧阻力标准值的加权平均值；qsik—第i层土的极限侧阻力标准值；hs—土层厚度；U—嵌岩桩穿越土层部分的截面周长。2020/3/4上覆土层发挥系数ζs采用下式计算：嵌岩桩上覆土层侧阻力由土层极限侧阻力和发挥系数决定。土层极限侧阻力通常有勘察报告提供。土层侧阻发挥系数受桩长、桩径、成桩工艺响。2020/3/4（1）挖孔嵌岩桩依据29根试桩,可求得具有95%保证率的土层侧阻系数2020/3/4（2）钻孔嵌岩桩依据软岩嵌岩桩26根试桩，可求得具有95%保证率的土层侧阻系数依据硬岩嵌岩桩7根试桩，可求得具有95%保证率的土层侧阻系数2020/3/4由上述计算结果，可以保守估计覆盖土层的侧阻力发挥系数；当Ra≤15MPa时，ζs=0.8；当Ra＝15～30时，ζs=0.5；当Ra30MPa时，ζs=0.2。2020/3/4参照《公路桥涵地基与基础设计规范》采用相同的系数c1和c22）嵌岩段侧阻和端阻系数分析2020/3/4•注：（1）当入岩深度小于或等于0.5m时，乘以0.75的折减系数，＝0；（2）对于钻孔桩，系数、值应降低20％采用；桩端沉渣厚度t应满足以下要求：d≤1.5m时，t≤50mm；d1.5m时，t≤100mm；（3）对于中风化层作为持力层的情况，、应分别乘以0.75的折减系数。1c2c1c2c1c2c2020/3/45.结论结合国内外研究资料可以认为：1桩端支承于中等风化程度以上岩层的桩就可称为嵌岩桩,不包括嵌入全风化、强风化岩情况。2非嵌岩部分的侧摩阻力不可忽视。3不同成孔方式的嵌岩桩，其承载性能也有差异。4按基岩性质将桩分为软岩嵌岩桩和硬岩嵌岩桩。2020/3/4二、支承在基岩上或嵌入基岩内桩的受压承载力容许值计算•资料：安阳地区通化大桥Sz2号采用钻孔灌注桩试桩，桩径为1m，桩长60.5m，桩身混凝土强度等级C40，地质情况为：①淤泥质土，埋深0～-39.7m；②粉质粘土，埋深-39.7～-59m；③全、强风化基岩，中风化凝灰岩。桩嵌岩持力层为中风化凝灰岩，岩层较完整，深度1.5m，岩石饱和单轴抗压强度标准值10MPa。2020/3/4•计算公式上述公式中参数取值如下：为清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，查表取0.75×0.6×0.8=0.36。为根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数，查表取0.75×0.05×0.8=0.03。mna1prk2iirkisiiki=1i=112RcAfuchfulq1c2ic2020/3/4•为桩嵌入各岩层部分的厚度（m），取1.5m，不包括强风化层和全风化层。•为岩石饱和单轴抗压强度标准值取10，粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，当小于2MPa时按摩擦桩计算。•为覆盖层土的侧阻力发挥系数，由于2MPa≤＝10MPa15MPa，取0.8。•为各土层的厚度，本例分别取39.7m,20.9m；实际工程中应严格取承台底面或局部冲刷线以下的土层厚度。ihrkfrkfsrkfil2020/3/4•为桩侧第i层土的侧阻力标准值（kPa），宜采用单桩摩阻力试验值。由于无试验条件时，钻（挖）孔桩按表选用，①土层取20kPa，②土层取55kPa。•结合上述参数可以求解嵌岩钻孔桩单桩承载力如下：*桩身自重标准值与置换土重标准值（当桩重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑。ikqkNRa29.6684)9.20557.3920(0.1142.38.05.0100005.103.00.1142.3100004/0.1142.336.022020/3/4三、当河床岩层有冲刷时，桩基嵌入基岩的有效深度计算•资料：宁川某水文站超声波水位计水位塔基础圆形灌注桩打在岩石上时，为保证水位计的安全，需对桩基入岩深度进行有效计算。书中采用的计算公式Hrk0.066Mhfd2020/3/4•为在基岩顶面处的弯矩（kN·m），本例中取600kN·m。•为岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa），粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，本例取4000kPa。•d为桩身直径，取0.8m。•为系数，＝0.5～1.0，根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值；节理不发育的取大值。本例中岩层发育较好取0.5。HMrkf2020/3/4•结合上述参数可以求解灌注桩有效嵌固深度：6002.382.40.50.0660.540000.8hmmm