1、1嵌岩桩设计一、概述嵌岩桩以其桩端嵌入岩层而得名。其在我国已广泛应用与建筑、市政、桥梁工程，港口码头工程等工程领域。由于嵌岩桩的承载现状及设计施工方法的特殊性，近年来备受我国工程界和学术界的高度关注，纷纷立题进行研究。人们传统的观念和国内外许多教科书及规范（如建筑地基基础设计规范GB50007-2002）都曾把嵌岩桩作为端承桩的典型。许多国家规范规定当桩端嵌入完整的硬质岩层时，按桩端岩石的承载力计算单桩承载力，而不考虑其桩侧阻力。然而大量的试验研究工作表明，很多情况下增加嵌岩深度及扩大端承面积无助于调动基岩的端承作用，却更加使得施工难度增加，工程造价增大，且工期延长。因此对嵌岩桩受力机理的探讨
2、及研究显得非常的必要。二、嵌岩桩的主要类型根据近十多年来施工工艺及设备的不断发展，目前在建筑、市政、公路桥梁、港口码头等工程领域，所应用的嵌岩桩大致可分为：34而作为建筑工程中广泛采用的为等直径的人工挖孔或钻孔灌注桩以及带扩大头的人工挖孔桩。三、嵌岩桩受力基本特性国外嵌岩桩的应用与研究开展的比较早。Reese 等于 1668 年发表了世界上比较早的一根埋设量测元件的嵌岩桩桩顶荷载随深度变化的试验报告，该报告中桩长 5.5 米，桩径 0.76 米，长径比 L/d=11.7，嵌岩深度 hr=4.2d(d 为桩径)，持力层为岩土页岩，实测结果表明：桩端反力约占总荷载的 15 25%。美国自由广场一号
3、楼下的一根 L=8.8m，L/d=3.4，嵌岩深度 hr=1.65d 的嵌岩桩，从成桩至上部结构竣工后持续两年多的观测表明：在不同的荷载水平下，桩顶始终有 60%70%的荷由桩侧承担，国内对嵌岩桩承载性能的研究开始于上个世纪七十年代，在四川某桥梁工地实测的一根桩径 0.6m，桩嵌入砂质粉土页岩 3 米，无覆盖层的荷载传递曲线表明，该桩侧阻在总荷载中所占比例为 88%，而桩端阻力仅为 12%。80年代广东洛溪大桥嵌岩桩进入泥质砂岩 3.0 米，桩长 28.5 米，桩径 1 米，实际测得桩端荷载在总荷载中所占比例为 11%。嵌岩桩的承载和变形性状受到许多因素的影响，十分复杂，通过国内外大量试桩资料
4、的分析，可以将嵌岩桩的承载性能的基本特征归纳为如下几个方面：1) 在通常情况下，当 L/d1.0 米时，岩面以内的 10 米以内范围的覆盖层取 0.50.710 米以上范围的覆盖层取 1.0qfi桩周第 i 层土的极限侧阻力标准值（KPa） ；li桩穿过第 i 层 土的厚度（m） ；frc岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa） ；A嵌岩段桩端面积（m 2） ；hr桩身嵌入基岩的深度（m） ；rcs覆盖层单桩轴向受压承载力分项系数，灌注桩取 1.65；建筑桩基技术规范（JGJ94-94）5.2.11Quk=Qsk+Qrk+Qpk=u si qsik li+u sfrc hr+ pfrc Apn1式
5、中 Q sk、Q rk、Q pk分别为土的总极限侧阻力、嵌岩段总极限侧阻力、总极限端阻力标准值； si覆盖层第 i 层土的侧阻力发挥系数；qsik桩周第 i 层土的极限侧阻力标准值,根据成桩工艺取值；9frc岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa） ；hr桩身嵌入基岩的深度（m） ； s、 p嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数，与嵌岩深径比 hr/d 有关，按表 5.2.11 采用。南京地区地基基础设计规范（DB32/112-95）9.9.4Quk=Qsk+Qrk+mQpk=U sQ ski Lsi+U sfrk hr+ m0 sfrk Ap式中 Q sk土的总侧阻力，当桩径的长径比小于或等于 5 时，
6、Q sk=0；Qrk嵌岩段岩石的总侧阻力（KN） ，Q rk=（1/101/12）Uf ru hrU桩截面周长(m)；fru岩石的极限承载力标准值（KPa） ，可通过载荷试验确定；hr桩身嵌入基岩的深度（m） ；Qpk总端阻力（KN） ，Q pk =frk Ap；Ap 桩底面积（m 2） ；m0清孔影响系数。Qski个土层极限侧阻力（KPa） ；frk岩石单轴极限抗压强度（KPa） ； s、 r、 p分别为桩间土侧阻力，嵌岩段侧阻力及端阻力修正系数。表中数值为在不同规范下计算得出的单桩承载力特征值。 （单位:KN）规范孔号地基基础规范高层建筑岩土工程勘察规程港口工程嵌岩桩规程建筑桩基技术规范南
7、京地区地基基础规范G1 孔 6079 6077 4036 3827 5683G9 孔 6479 6477 4269 4089 612310比较一下得地基与高层岩土，由于没有系数，得出的承载力最大。另外在 frc（岩石饱和单轴抗压强度标准值）与 qpa （桩端岩石承载力特征值）的取值方面也存在很大人为经验性。桩基规范由于折减较多，相应的承载力偏低，而港口规范与南京规范介于两者之间，港口规范略大于桩基规范 8%，南京规范略小于地基与高层岩土 5%，港口与南京相差 27%左右。六、嵌岩桩承载力计算及设计要点现行的桩基规范 JGJ94-94，地基规范 5007-2002，高层建筑岩土工程勘察设计规范（
8、JGJ72-2004） ，港口工程嵌岩桩设计与施工规程，及一些地方规范如南京地区地基基础设计规范DB32/112 等对嵌岩桩承载力的计算均有相关的公式及要求。相对而言，嵌岩桩承载力考虑覆盖土层的侧阻力，嵌岩段的侧阻力及端阻力三个部分比较合理。Q=u bskiL si+ u rfrkhr+ m pfrkAp1) 公式中第一项，一般不能存在问题，如果土层较差或桩长较短，自然其所占比重较小，更多的趋向于端承桩，而港工规范还根据桩径及桩长对侧阻系数进行了相关的调整。桩径 D1.0 米时，岩面以上的 10D 范围的覆盖层取 0.50.7，10D 以上的为 1.0.D1.0 米时，岩面以内的 10 米以内
9、范围的覆盖层取 0.50.710 米以上范围的覆盖层取 1.02）公式中第二项，各规范均有所不同。港工规范及桩基规范 JGJ94-94 根据嵌岩强度与桩径的比值 Hr/d 对嵌岩段侧阻进行调整，而南京规范则根据桩长与桩径的比值 L/d 对嵌岩段侧阻进行调整，而实际中这两种因素应同时存在，而南京规范主要是根据当地的土层情况及岩层特征得出更符合当地情况的经验公式，而桩基规范中由于嵌岩比 hr/D 对侧阻折减太多，有可能会出现嵌岩强度愈多承载力愈低的奇怪现象，这也是不尽合理，相对而言，我们认为港工规范更为合理一些，此外必须注意的是，如果桩端采用扩大头，则扩大头高度范围内的侧阻力不应考虑，这也容易理解
10、，桩基受力时，该范围内的土层与桩身有可能出现悬空的情况。3）公式中的第三部分，是承载力的重要组成部分，但现行规范中，关于桩端阻力的计算仍存在一些问题，并不能准确反应桩端岩石的实际受力情况。a.根据岩石承载力计算嵌岩桩桩端阻力按照，Qpk= pfrcAp 进行计算时，由于 frc 采用的是岩石饱和单轴抗压强度标准值，首先对岩石的取样存在较大的困难，而且对破碎岩石的取样更为困难，其次位于桩端的岩石处于三向受力状态，而采用岩体试样进行实验室试验很难模拟实际的情况。最后对于遇水软化的岩体如采用岩石饱和单轴抗压强度则更为不合适，为此南京地方规程则建议采用天然湿度抗压强度进行计算比较合理。b.此外，也可根
11、据岩石的风化程度确定岩石承载力（高层建筑岩土工程勘察规程JGJ72-2004 及国家地基规范 GB50007-2002） ，但这是一项经验性非常强的工作，只能作为辅助方法，且具有较强的地方经验色彩，且人为的因素的影响较大。c.相对而言，对 frc 采用地基规范附录 H 的试验法，采用深层载荷试验则更加符合实际的受力情况，采用载荷试验的结果与岩石单轴抗压强度的结果有时会相差好几倍，我们认为荷载试验的结果更为合理。最后，对岩石桩端承载力的取值，应考虑场地地下水及施工条件的影响，水11软化及只能水下浇注砼的情况，其承载力应予以折减，或采用后注浆等辅助措施，对采用人工挖孔等方式成桩，应注意采用高强度早
12、强水泥对桩底岩石进行及时封堵，避免岩石的遇水软化而影响强度，同时进行荷载试验的条件与实际施工的工作条件应该一致。还有一点必须值得注意的是，对桩端岩性的确认及对软弱夹层的关注，桩端岩性应由勘察单位进行确认，并封闭岩石样本备查，对承载力较大的桩体应进行逐根施工勘察，勘察深度应深入持力层标高以下 58d，对不符合上述持力层厚度时，应采用现场载荷试验，确定是否继续深入软弱层以下，对于岩性较好，限于加载能力，加载试验应增加到不少于设计要求承载力的两倍。七、嵌岩桩设计的构造要求1、嵌岩桩的端部应嵌入中等风化或微风化基岩中，其最小嵌入深度不宜小于0.5m，一般不宜超过 5 倍桩径。对于极软岩石（单轴极限抗压
13、强度小于 5MPa） ，可根据单桩承载力的要求适当加深嵌岩深度。2、嵌岩桩嵌入岩石的部分（包括强风化基岩） ，浇灌的混凝土应与岩层紧密相连，对于挖孔桩，当挖至设计要求的持力层时必须及时使用混凝土封底，以免岩体侵水软化。对于钻孔桩，达到设计嵌岩深度后应及时清孔，桩底沉渣厚度不应超过50mm。3、嵌岩桩桩底以下存在软弱夹层、破碎带或溶洞时，桩底下支撑岩层的厚度为直径的 3 倍且不小于 2m，否则应对支撑岩层的强度进行验算。4、灌注型嵌岩桩嵌岩段的直径与配筋，应根据桩的受力状况确定，主筋宜采用变形钢筋且不小于 14mm，截面积应计算确定，且配筋率不宜小于 0.4%，根数不宜小于 12 根，应沿周长均
14、匀通常布置，当嵌岩孔径小于桩径时，嵌岩段主筋伸入上部桩内的长度不应小于 35 倍主筋直径，同样桩内主筋应锚入承台 35 倍主筋直径，箍筋宜采用级钢，直径不应小于 6mm，间距应为 200300，在岩面上下1000 范围内箍筋间距不应大于 60mm，宜采用螺旋或焊接环式箍筋，并宜每隔2m 左右焊接一道加强箍筋，其直径不宜小于 16mm。5、一般嵌岩桩的混凝土强度不低于 C30，主筋的混凝土保护层厚度不小于35mm，水下灌注桩混凝土不得小于 50mm。6、扩底灌注桩扩底端尺寸宜按下列规定（见图-7）当持力层承载力低于桩身混凝土受压承载力时，可采用扩底，扩底端直径与桩身直径比 D/d，应根据承载力要
15、求及扩底端部侧面和桩端持力层土性确定，最大不超过 3。扩底端侧面的斜率应根据实际成孔及支护条件确定，a/hc 一般取 1/31/2，砂土取约 1/3，粉土、粘性土取约 1/2，矢高 hb 取（0.10.5）D。图-7八、桩的承载力检测5长期以来，单桩静载试验一直被认为是确定桩承载力的可靠办法，但由于一般嵌岩桩承载力很高，而柱下或墙下布置的桩数很少，所以不具备采用锚桩法试桩的条件，因此只能采用堆载法进行试桩，而堆载法对大承载力的嵌岩桩是既不安全也不经济的，特别是对于地下室承台以下的桩采用人工挖孔桩时更无操作的可能，而现行地基基础规范又要求对施工完成后的桩进行承载力检测，这就要求采用较为合理的试桩
16、方法进行承载力检测。根据国内外的资料，自平衡法（Osterberg） （见图-8）可作为大承载力试桩的可行方法，其试桩方法有以下特点：加压装置简单、试桩方便、费用低廉，既节约时间空间又具有较好的操作性，近年来已在国内外得到的推广及应用。图-8 打入式钢管桩中 Osterberg 试桩法的装置1-活塞；2-箱壁；3-盖顶；4-输压竖管；5 芯棒；6-钢管桩；7-基准粮；8、9、10-千分表；11-密封圈；12-压力表；13-输压横管其试桩原理是通过设置在桩身中一定位置的液压，千斤顶的荷载箱（一般设置在桩的中下部，根据土层条件情况）对桩的上下部进行加压，通过上下段桩的侧阻力及下段桩的桩端力及部分桩
17、侧力的平衡，使得桩侧阻力与桩端阻力渐渐被发挥，直至两者之一发生破坏，在试验过程中记录逐级加载以及相应的桩身向上位移和桩底土的向下位移，通过迭加及转换得到荷载-位移曲线。工程实践表明，在粘性土层中桩侧向上的摩阻力与向下基本一致，而砂性土层中向上的摩阻力略大于向下的摩阻力，固而在砂性土层中其结果偏于安全。如果针对特定地区，有足够的试验资料，采用 Osterberg 自平衡法进行试桩是较为理想的方式。同样与传统试桩方法相似，地下室范围高度的桩的侧阻力必须扣除，该试验方法还有一个比较大的优势在于承载力特别大的桩，可采用按比例缩小的模型桩进行试验，以进一步减少试桩的费用，只是目前该试桩方法的稳定性及认可度尚需加强。此外，除了自平衡法之外，也可通过桩底岩层的载前试验得到桩端的承载力，而桩身混凝土的强度及施工质量保证则通过超声波动测法及钻芯法予以保障，这种不进行试桩而通过桩端载荷试验的办法在南京地区已获得认可，对于承载力不太大的嵌岩桩，也可结合大应变动测法进行相关的试桩工作。
