（岩土工程专业论文）岩溶地区桥梁桩基承载特性研究.pdf

摘要 随着我国公路建设规模的进一步扩大，公路线路经过岩溶地区将越来越普遍，大量 桥梁基础将置于岩溶顶板之上。由于岩溶地区地质条件非常复杂，影响因素较多，国内 外关于岩溶桩基承载力的确定方法及岩溶桩基设计方法的观点至今仍不一致。工程中在 进行岩溶桩基设计及施工时均将其作为一般嵌岩桩考虑，并在此基础上对溶洞顶板简化 后进行安全厚度验算。岩溶地区嵌岩桩由于桩端下“空洞 的存在，在使用过程中受地 质水的物理化学作用，其承载机理同一般嵌岩桩显然有较大差异，简单将一般嵌岩桩设 计理论应用于岩溶地区嵌岩桩设计与施工中显然不尽合理。因此，对岩溶地区桥梁桩基 承载特性展开系统研究具有重要的理论意义和工程实用价值。 本文在参考国内外文献资料的基础上，深入分析了桩基围岩物理力学特性及嵌岩桩 工程特性，对岩溶地区桥梁桩基研究现状进行了归纳和总结。根据弹性力学及材料力学 理论，分别按薄板和梁理论建立了固支椭圆板、简支椭圆板、固支矩形板、简支矩形板、 固定梁、简支梁、固定一简支梁、悬臂梁、固支宽梁及简支宽梁等1 0 个力学模型对不同 地质条件下岩溶地区桥梁桩基桩一岩受力特性进行了分析，提出了各力学模型的具体适 用条件，并结合现场实体工程岩溶地质及几何条件对不同力学模型进行了对比分析。 基于克拉夫特荷载传递理论，分别对不同力学模型下的岩溶地区桥梁桩基极限承载 力特性进行了研究，提出了岩溶桩基极限承载力确定公式，并分析了不同嵌岩深度对岩 溶地区桩基极限承载力的影响。应用实体工程对研究结论进行对比分析，结果显示：( 1 ) 不同力学模型所得出的桩基极限承载力值差别较大，准确勘察桩位岩溶地质条件，选择 适合现场桩基的力学模型是合理确定桩基极限承载力的关键；( 2 ) 在保证必要的嵌岩深 度的条件下，岩溶地区桥梁桩基嵌岩深度应遵循“宜浅不宜深”的设计原则。 在结合现场试验对理论成果验证分析的基础上，采用计算机仿真技术对岩溶地区桥 梁桩基在荷载作用下的受力模式进行了模拟分析，并对不同溶洞几何特征对桩基承载特 性的影响进行分析。结论表明：( 1 ) 岩溶地区桥梁桩基荷载作用下的受力特性及破坏模 式同非岩溶地区桥梁桩基有很大不同，对其承载特性应专门分析并提出相应的设计方 法；( 2 ) 溶洞高度对岩溶桩基承载特性影响不明显，溶洞跨度及溶洞顶板厚度对桩基极 限承载力影响较大；( 3 ) 桩基极限承载力随溶洞跨度的增大而减小，随溶洞顶板厚度的 增加而增加，但两者的几何尺寸大于3 倍桩径后影响不明显。 最后，论文提出了岩溶地区桥梁桩基的设计方法。制定了岩溶桩基合理嵌岩深度、 桩基极限承载力及容许沉降的确定方法，并对特殊条件下的岩溶桩基设计与施工方法提 出了参考意见。 关键词：岩溶地区桥梁桩基承载特性仿真分析设计方法 a b s t r a c t t h ek a r s ti sc o m m o ni nm a n yc a s e so fb r i d g ec o n s t r u c t i o n a st h ek a r s tt o p o g r a p h yi s v e r yc o m p l e xa n dt h ep i l e s p r o p e r t i e si nt h e ma r ei n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s ，t h e r ea r em a n y d i v e r g e n to p i n i o n so nt h ep i l e sb e a r i n gp r o p e r t i e sa n dd e s i g nm e t h o d si nk a r s ta r e a s i n p r a c t i c e ，i ti su s u a lt or e g a r dt h ek a r s t sp i l ea st h ec o n v e n t i o n a lr o c k s o c k e t e dp i l e sd u r i n g d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n , a n dc h e c kt h et h i c k n e s so ft h ea v e n sr o o f - s u p p o r t i n g s i n c et h e r e a r es o m eh o l l o ws p a c e su n d e rt h eb o t t o mo fp i l e s ，w h o s ec h a r a c t e r i s t i ci sa f f e c t e ds e r i o u s l y b yt h eg r o u n d w a t e r , t h eb e a r i n gm e c h a n i s mo ft h ek a r s t sp i l eo b v i o u s l yd i f f e r sf r o mt h e c o n v e n t i o n a lr o c k - s o c k e t e dp i l e s s oi ti sa p p a r e n t l yu n r e a s o n a b l et od e s i g na n dc o n s t r u c t k a r s t sp i l e a c c o r d i n gt ot h ec o n v e n t i o n a lr o c k - s o c k e t e dp i l e s t h e o r y a sar e s u l t i ti s n e c e s s a r yt os t u d ys y s t e m a t i c a l l yt h ek a r s t sp i l e sb e a r i n gp r o p e r t i e sa n dc o m eu pw i t ht h e r e a s o n a b l ea n ds o p h i s t i c a t e dd e s i g nm e t h o d s n l ep a p e ra n a l y z e sr o c k s p r o p e r t i e sa r o u n dt h eb o t t o mo fp i l ea n dg e n e r a l i z e st h es t u d y o nt h ek a r s t sp i l eo nt h eb a s i so ft h er e f e r e n c e st ol i t e r a t u r es e a r c h i ts e t su pt e nm e c h a n i c a l m o d e l st os i m u l a t et h em e c h a n i s m p r o p e r t i e so fp i l e r o c ku n d e r1 0 a d i n gi nd i f f e r e n tg e o l o g i c c o n d i t i o n sa c c o r d i n gt h et h e o r yo ft h ee l a s t i cm e c h a n i c sa n dm e c h a n i c so fm a t e r i a l s ，a n d g i v e se a c hm o d e l sa p p l i c a b i l i t y t h e n , t h ep a p e rc o m p u t e st h er e s u l to fe a c hm o d e la n d c o m p a r e st h e mw i t he a c ho t h e ra c c o r d i n gt of i e l de n g i n e e r i n g a c c o r d i n gt ok r a f t sl o a d st r a n s f e rt h e o r y , t h i sp a d e l r e s p e c t i v e l ym a k e sas t u d yo ft h e u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fk a r s t sp i l ea n d g i v e st h eu l t i m a t eb e a r i n gf o r m u l ab ye a c hm o d e l ， t h e na n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h es o c k e tl e n g t ho nt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y t h ef o r m u l a r r e s u l t ss h o w ：( 1 ) t h ee a c hm o d e l sr e s u l td i f f e r sf r o me a c ho t h e rn o t i c e a b l y , s oi ti st h ek e yt o e x p l o r et h eg e o l o g i cc o n d i t i o na c c u r a t e l ya n dc h o o s es u i t a b l em o d e li nn a i l i n gd o w nt h e u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ek a r s t sp i l ei nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ( 2 1o nt h ec o n d i t i o no f m a k i n gs u r et h en e c e s s a r ys o c k e tl e n 2 吨l l ，i ts h o u l db ef o l l o w e dt oa d o p tt h es o c k e tl e n g t ha s s h o r ta sp o s s i b l ei nd e s i g n i n g a f t e rs t u d y i n gt h eb e a r i n gp r o p e r t i e so ft h ek a r s t sp i l e ，t h i sp a p e rc h e c k st h et h e o r e t i c a l r e s u l ta c c o r d i n gt of i e l de n g i n e e r i n gd a t a , a n ds i m u l a t e st h em e c h a n i s mp r o p e r t i e so ft h ep i l e i nk a r s t sa r e a su n d e r1 0 a d i n gb yc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n i q u e s t h ee m u l a t i o n a lr e s u l t s s h o w s ：( 1 ) t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd a m a g ep a t t e r n so ft h ek a r s t sp i l ed i f f e r c o n s i d e r a b l yf r o mt h ec o u n t e r p a r t so ft h ec o n v e n t i o n a lr o c k s o c k e t e dp i l e s ，s oi ti sn e c e s s a r y t om a k es p e c i a ld e s i g nm e t h o d ；( 2 ) t h ek a r s t sc a v e sh e i g h th a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h eb e a r i n g p r o p e r t i e so ft h ek a r s t sp i l e ，b u tt h ec a v e ss p a na n dt h er o o f - s u p p o r t i n g t h i c k n e s so fk a r s t s c a v ed oi ts h a r p l y ( 3 ) t h ek a r s t sp i l e su l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yd e c r e a s e sw i t ht h ea d v a n c eo f k a r s t sc a v e ss p a n , a n di n c r e a s e sw i t ht h ea d v a n c eo fr o o f - s u p p o r t i n g t h i c k n e s s b u tt h e t r e n d sb e c o m eu n o b v i o u sw h e nt h ec a v e ss p a no rt h er o o f - s u p p o r t i n g st h i c k n e s si si ne x c e s s o ft h r e et i m e so fp i l ed i a m e t e r f i n a l l y , t h i sp a p e rm a k e so u tt h eb r i d g ep i l e sd e s i g nm e t h o d si nk a r s t sa r e a , w h i c hg i v e s t h ep r o c e d u r eo fr e a s o n a b l es o c k e tl e n g t l 1 ，u l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t ya n da d m i s s i b l e s e t t l e m e n t ，a n do f f e r ss o m es u g g e s t i o i l sa b o u td e s i g na n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d so fk a r s t sp i l e i ns p e c i a lc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：k a r s t sa r e a ，b r i d g ep i l e ，b e a r i n gp r o p e r t y , s i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，d e s i g nm e t h o d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：脚瞎j 走 佃7 年彩月f o 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：洚露受 导师签 钠7 年6 具d 日 。q 年6 只f b 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章概述 我国的岩溶地区分布十分广泛，以广西、四川、云南、贵州等西南地区最为发育， 其余如河南、广东、浙江、江苏、山东、山西等地均存在规模大小不同的岩溶地区，面 积约占国土总面积的2 左右。作为一种在我国分布较广且危害较大的工程地质条件，岩 溶工程病害经常出现在工程建设中。以往由于工程规模较小，基础轻而浅，可以第四系 松散层为地基。而随着大型桥梁工程、高层、重型建筑物的兴建，一般均要求将基础深 埋并置于基岩之上，嵌岩桩因其特有的优点成为岩溶地区常用的基础形式之一。随着嵌 岩桩基础在岩溶地区应用的日益广泛，有关岩溶地区嵌岩桩基础竖向承载力的研究也日 益受到人们的重视。 由于岩溶区地质条件非常复杂，影响嵌岩桩竖向承载力的因素众多，目前关于岩溶 发育地区嵌岩桩竖向承载特性系统研究的报道并不多。岩溶地区嵌岩桩最佳嵌岩深度及 桩端持力岩层安全厚度的影响因素众多，我国公路及铁路现行各设计规范尚未对此有明 确的规定。工程中在岩溶桩基设计及施工过程中均将其作为一般嵌岩桩考虑，并在此基 础上对溶洞顶板安全厚度进行验算。岩溶地区嵌岩桩由于桩端下“空洞”的存在，及在 使用过程中要受地质水的物理化学作用，其承载机理同一般嵌岩桩显然有较大差异。一 般嵌岩桩的设计方法在岩溶地区桩基设计中的适用性有待进一步研究。 从国内外相关文献来看，对岩溶地区嵌岩桩的报道大都是针对具体工程所遇到的岩 溶地基( 溶洞地基、土洞地基、塌陷地基) 的分析评价，没有形成系统理论以指导生产。 因此，对岩溶地区桥梁桩基承载特性进行系统研究显得十分必要。本文借助理论及仿真 分析、现场试验等方法，对岩溶地区桥梁桩基承载特性进行较系统的分析研究。研究成 果将对岩溶地区桥梁桩基的设计与施工具有重要的理论意义和工程实用价值。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 嵌岩桩的研究现状 由于桥梁等上部结构对基础的承载力要求较高，在岩溶发育地区建设重要的工程， 常采用嵌岩灌注桩基础，即将桩基置于较稳定的基岩上，并嵌入一定的深度，以满足承 载力的要求。尽管嵌岩桩作为一种特定的桩基类型在我国从九十年代开始得到了广泛的 第一章概述 应用和研究，有关嵌岩桩工程特性的理论研究和工程应用情况国内外相关媒体均有大量 的报道，但有关嵌岩桩的理论研究和实际应用还有许多问题有待进一步的探讨。 1 嵌岩桩岩体状态的研究呻1 嵌岩桩所嵌入的岩体状态对嵌岩桩工作特性具有较大的影响，从某种意义上讲，岩 体的状态决定了嵌岩桩的工作特性。在软质岩体和硬质岩体上嵌岩桩的工作特性有较大 差别，这种差别的本质原因来自于岩体的状态。嵌岩桩桩底岩体状态的差异所引起的嵌 岩桩特性的差异，文献 1 0 给出了初步的研究结果。描述嵌岩桩所嵌入的岩体状态包括 两方面：一是嵌岩桩嵌岩段岩体状态；二是嵌岩桩桩底岩体状态。目前要想在两方面均 给出定量的描述还相当困难，对嵌岩段岩体有人提出了用岩体风化系数来定量描述岩体 的状态。 从岩体力学的观点来看，嵌岩段内岩体的强度与完整性及其裂缝位置、结合程度等 密切相关。因此，目前嵌固力计算中，只考虑岩块强度而未反映不同段岩体风化程度或 强度、完整性及裂隙状态等影响显然不够合理。嵌固力的计算必须反映岩体的特点，而 不能视岩体为均质岩石，同时要分层考虑。然而岩体风化程度的变化是一渐变过程，其 量化的具体描述有待进一步确定和研究。关于嵌岩桩桩底岩体状态的研究国内还未见到 有关报道。为了能够对岩体状态进行全面的分析，这一方面应进一步研究。 嵌岩桩出现之初人们并不区分嵌入的基岩是软质岩石还是硬质岩石，这种思想直到 现在仍然有不少的工程设计人员深信不疑。国内有学者认为可以根据作为桩基持力层岩 石的风化程度、单轴极限抗压强度将嵌岩桩划分为软岩嵌岩桩和硬岩嵌岩桩。我国的国 家标准规定新鲜岩块的饱和单轴极限抗压强度低于3 0 m p 的岩石为软质岩石，因此当嵌入 的基岩为软岩时，称为软岩嵌岩桩。否则，称为硬岩嵌岩桩。实际上建筑桩基技术规 范( j g j 9 4 - _ 9 4 ) 中所定义的嵌入微风化岩中的桩为硬岩嵌岩桩。 2 嵌岩灌注桩的承载机理研究 虽然嵌岩桩作为一种特定的桩基类型在我国应用较早，但其受力机理和工作特性的 研究一直不是很充分。9 0 年代后，黄求顺等人对嵌岩桩做了较为细致的研究，提出了嵌 岩桩的承载力主要是嵌固力，它与桩、土间的摩阻力有较大差别，桩、土间的摩阻力只 有在桩土间出现较大位移时才能充分发挥作用，而嵌岩桩的嵌固力只需桩身承受一定的 荷载便可同步出现，且嵌固力完全发挥所要求的临界位移较小。黄求顺等人同时提出嵌 岩桩的承载力由桩土间摩阻力、嵌岩桩嵌岩段的嵌固力及端阻力三部分组成，嵌固力为 主要承载因素。 2 长安大学硕士学位论文 关于嵌岩桩嵌岩段剪应力分布模式的研究国内外均进行了不少的研究，归结起来嵌 岩桩嵌岩段剪应力沿侧向从上向下分布模式有三种：上大下小式；上小下大式； 两头大中间小式。目前桩基础规范所提出的嵌岩桩嵌岩段极限承载力的计算公式的理论 依据是第一种分布模式：第二种分布模式认为嵌岩桩嵌岩段所嵌岩体是分层的，上部岩 体相对较软弱，下部岩体相对较硬，且抗压强度也较高；第三种剪应力分布模式是由中 科院武汉岩土所根据模型试验提出的，试验时模型嵌岩桩桩底为空底。 显然，嵌岩桩所采用的剪应力分布模式不同，得出的嵌岩桩嵌岩段的工作机理也不 相同。嵌岩桩嵌岩段承载力的计算随着嵌岩桩嵌岩段剪应力分布模式的不同而不同，仅 考虑一种嵌岩桩嵌岩段剪应力分布模式来计算嵌岩桩嵌岩段承载力，显然不能反映我国 各地区实际地质条件的差异，事实上我国大部分地区出现第二种情况的可能性更大，不 考虑这种实际情况确定桩基承载力的规范显然欠妥。因此，研究不同地区的嵌岩桩承载 力计算公式是今后对嵌岩桩承载特性理论研究的重点。 3 嵌岩桩的试验研究 嵌岩桩试验研究分为数值模拟、物理模拟两种，其中物理模拟研究的方法很多，目 前国内外主要可综合为三种：即现场试验、离心试验和相似模拟试验。 1 ) 嵌岩桩的数值模拟方法 对于嵌岩桩的理论分析是与数值模拟方法分不开的，文献 1 1 使用双节点法模拟桩 岩界面，研究了界面软化行为的影响因素。文献 1 2 采用弹塑性有限元法对嵌岩桩进行 排水和不排水加载分析，在排水分析中，他们采用了零厚度节理元模拟桩岩界面。文献 1 3 仍采用双节点法分析影响桩侧剪阻发挥的因素。文献 1 4 采用无限元模拟岩体的无 界域，从分析的结果看，考虑远域对结果影响不是很大。由于人们认识到桩侧嵌固力在 分担外荷载中的巨大作用，如何较好地模拟桩岩界面就成为嵌岩桩模拟的关键。刘树亚 n 印采用薄单元法和相应的界面模型对嵌岩桩的承载特性进行了模拟，同时也建议了桩、 土、岩共同作用的分析方法。在桩的数值分析中，岩体特性的恰当模拟也是一个关键， 但这可以参考岩石力学的数值分析方法。 2 ) 嵌岩桩的物理模拟方法 对于桩基的研究分为理论研究和应用研究，理论研究结果的正确与否，关键还是要 通过大量的工程实例和试验结果来验证。虽然利用数值模拟方法能够得出一定的关于嵌 岩桩承载特性的规律性的结论，但是数值模拟分析所选取和考虑的因素不是很完全，最 终仍须通过实际的物理模拟方法来分析与验证。 第一章概述 ( 1 ) 现场试验 现场试验主要是指现场静载试验，由于实际工程的需要，国内外相关单位做了不少 工作，积累了一定的实测资料。四川省公路勘察设计院n 6 1 1 9 7 4 年在南充嘉陵江大桥附近， 做了一次大型的嵌岩桩力学试验。试验桩为一根嵌岩3 m 桩和一根嵌岩1 m 桩，从大型试桩 资料的分析中，提出了非线性的土阻力数学模型。根据实测桩端边界条件提供了解算方 法，算出了与实测资料相吻合的荷载位移曲线。并扩大到其它试桩作验证，证实阻力 函数的形式及用平面分析法得到的参数是正确的。文献 1 7 中，通过大型的原型试验， 在满足桩的容许承载力的基础上，合理调整桩的嵌岩深度，减少了工程造价，如将嵌岩 深度由4 5 m 调整为1 0 1 5 m ，同样保证了桩基承载力。 但由于嵌岩桩承载力较大，试验耗费大，因而完整的试桩资料和实测资料并不太多。 另一方面实际工程中进行静载试验，一般将试桩作为工程桩，不会将桩破坏，对于极限 荷载只能通过数值分析和其它数学方法进行预测，并不能得到其真实值，这是制约人们 对其承载特性全面认识的原因之一。 ( 2 ) 离心试验 离心模拟试验技术是岩土力学和岩土工程领域中的一项新技术。对这项技术的研 究，国外在3 0 年代就已起步。由于离心模拟技术的独特优点，对模拟以自重为主要荷载 的岩土结构物的性状特别有效。据统计，我国目前已建的或在建的用于岩土工程的大小 离心机超过十台。离心模型试验涉及到高土石坝、地下支挡工程、路堤、码头、土工合 成材料复合地基、地质力学模型等方面的问题。 在桩基工程方面，国# f n u n e z n 副，s c o t t “9 1 ，b a r t o n 啪3 等人曾在离心机上做了横向受 荷桩试验的尝试，并获得较好的效果。他们从理论和实践两个方面证明了离心试验可以 较逼真地模拟现场复杂的情况，经济地预测现场不同规格和尺寸的桩的反应特性。 d y k e m a 和v a l s a n g k a r 职1 1 通过离心模型试验对竖向荷载嵌岩桩研究认为：现行各种预估极 限侧阻的方法太保守。国内成都科技大学的张利民瞳2 3 在核工业部九院四所离心机上进行 桩的横轴向荷载试验研究，分析了单桩和排桩在递增荷载和循环荷载条件下的荷载位移 特性、荷载传递特性，以及桩周土体反应。 ( 3 ) 模拟试验 在现场试验很难进行的情况下，许多学者选择了室内模拟试验。它是指在实验室内 进行桩基模型试验，分析桩基在一定的荷载作用下的荷载、位移以及荷载分布规律等之 间的关系，并与理论研究和数值分析的结果进行对比。模型试验方法是利用相似原理， 4 长安大学硕士学位论文 选择合适的相c a s k 和模拟材料进行模型模拟。 文献 2 3 、 2 4 中，刘云云对不同类型( 扭矩、侧向荷载、竖向力和弯矩) 荷载下的 嵌岩桩高桩承台的桩顶内力分布进行了研究，其模型比例为1 ：5 0 ，桩与承台用有机玻 璃模拟。试验时，选择桩群中的8 根桩埋设电阻片进行数据测量，分析了嵌岩桩基的实 测桩顶内力分布规律同外荷载与桩位之间分布的关系，指出实测桩顶内力与常规m 法分 析的偏差同外荷载与桩位之间的分布有关。弹性承台假设下的有限元计算结果与试验结 果相当吻合。 重庆建筑工程学院的张四平瞳5 2 旬用石膏砂混合体来模拟软质岩，用铝合金管做为芯 管，铝合金管外再用一定比例的砂、水泥，加上乳胶和水制成的水泥浆液进行粗糙处理， 试验在一个用1 8 m m 厚的钢板加工而成的大模型箱内进行。试验结果表明这种模型试验 方法对研究单桩的承载力是可行的。 国内还有一些学者如王庭正、吕福庆等，在模型箱内进行过桩基的模型试验。国外 b e n m o k r a n e 乜7 1 等人，通过嵌岩桩模型试验说明，在嵌岩桩桩底存在岩体软弱夹层面时， 夹层面倾角不同对嵌岩桩的极限承载力影响也不同，但如何考虑其影响有待进一步研 究。 模型试验具有试验条件容易控制、投资少、见效快等特点，在某些情况下模型试验 可以替代现场原型试验。 4 嵌岩桩最优嵌岩深度研究 关于最优嵌岩深度，张忠苗啪3 认为最优嵌岩深度约为1 o 2 5 m ，且不与桩径d 成正 比：明可前啪3 认为最优嵌岩深度约为4 倍桩径；黄求顺m 3 在试验基础上认为最优嵌岩深 度为3 倍桩径；刘松玉协妇等认为，泥质软岩中最优嵌岩深度为7 倍桩径；封昌玉口2 3 认为最 优嵌岩深度为( 1 2 ) d 。 事实上随着岩体状态的不同，最佳嵌岩深度也各不相同，若不讲条件地确定嵌岩桩 最佳嵌岩深度的提法似乎不够合理，且易产生误导作用。在实际工程中有些情况下岩体 的承载力是很高的，只要嵌岩0 5 m 就能符合设计要求，此时若仍按几倍桩直径进行设计 就会造成很大的浪费，尤其是大直径桩更是如此。 桩基础设计指南指出：嵌岩深度在可能条件下，宜浅不宜深，嵌岩深度应考虑 区分硬质岩石和软质岩石，硬质岩石宜控制在( 5 0 2 0 ) c m ，软质岩石宜控制在( 8 0 2 0 ) c i l l ，否则井孔过深，劳动条件差，工作面狭窄，钻深十分困难，如采用爆破，若太 深对整个场地及桩本身都极有影响。由此可见嵌岩桩最佳嵌固深度是随着嵌岩桩所嵌岩 5 第一章概述 体特性的不同而不同，应分别研究对待。 5 嵌岩桩竖向承载力设计计算方法研究 关于嵌岩桩承载力问题，如何考虑桩侧摩阻力是一个有争议的问题：一种观点认为 嵌岩桩的端阻力很小，构成嵌岩桩承载力主要是侧摩阻力，认为嵌岩桩是摩擦桩；另一 种观点认为桩侧土的摩阻力在总承载力中所占的比例较小，一般不超过1 0 左右，在大 于l o m 厚的土层中，桩侧土的摩阻力所占的比例更小，因此没有必要考虑。 事实上，上述分歧较大的原因主要有两方面，一是不同学者所依据的试验资料代表 性不同：二是对桩侧摩阻力的理解不同。如将嵌岩部分的阻力定义为嵌固力而不是摩阻 力，摩阻力的概念限制在桩土作用部分的侧阻力，则土的摩阻力所占的比例就不一定很 高，且由于嵌岩的原因，导致桩土界面摩阻力会出现一定程度的降低，因此可以对上述 两种不同观点得出较合理的解释。 此外，根据国内外大量试验资料可以看出，将嵌岩桩视为端承桩仅适用于短桩。随 着桩长径比的增大，端阻力所占的比例会很快下降，桩侧阻力( f i - 嵌固力) 所占的比重 增大，在l d = l o 一- - 1 5 时，桩侧阻力开始起主要作用。当2 0 o 与e o s 2 p = ( 仃l 一仃3 ) 2 ( 仃l + 仃3 ) 时， ( 吼一仃3 ) 2 + s a ，( 口l + 仃3 ) = 0 ( 2 4 ) 在单向压缩的情况下，盯，= o ，= 3 0 。，破坏条件为极限抗压强度 仃。= q = 一8 q ( 2 5 ) 格里费斯准则可改写为抛物线型的莫尔圆包络线方程： f 2 = 4 0 ，( a t - - e r 。) ( 2 6 ) 在压力下岩石的裂隙要闭合，以致裂隙面上有法向应力与摩擦力，有的研究者建议 采用摩擦系数厂对格里费斯理论做出修正，修正后的格里费斯准则为： ( 仃1 + 仃3 ) 厂+ ( 盯l 一0 3 ) 1 + 厂2 = - 4 q ( 2 7 ) 因f = 留缈，得 口：仃，+ (28)t+sin(p 4 盯tc o s 口 = - 仃3 + _ l 么子， i s t n 矽l s i n 矽 1 6 长安大学硕士学位论文 亦即 将式( 2 8 ) 与莫尔一库伦准则的厂( q ，仃，c a ，口) = 0 的q = c a + 盯3t a n 口形式相比较 c a = 2 0 - ， ( 2 9 ) f = 仃。t g 缈+ c 。= 仃。t g 伊+ 2 0 ， ( 2 1 0 ) 其中，仃。单轴抗压强度； 吼单轴抗拉强度，1 盯。，仃3 分别为最大主应力与最小主应力； 裂隙长轴与最大主应力q 所成的角度； c 口等效粘聚力。 c a ：q 掣：c a = 垄罢 ( 2 1 1 ) 1 一$ i n 缈1 一$ 1 1 1 缈 1 + s i n 口 t g a 2 = 。1 - _ s i n 二p 式中，矽土的内摩擦角，f = t g 缈称为摩擦系数。 在岩石力学中，应用于岩体的强度理论除了上述两种以外，还有专门描述岩体内薄 弱结构面的破坏的强度条件以及各向异性破坏准则，不过，这些强度理论形式过于复杂， 有关参数也难以确定，桩基设计所涉及的破坏由于其特殊的形式和性质，只有在某些特 殊的场合才偶然使用这些条件，这里不再赘述。 3 桩端岩石破坏机理 按传统理论，岩石加载破坏为跟踪与滑移破坏，而由于桩端加截面远小于岩石的起 伏尺寸，因此桩底岩石的破坏是局部荷载作用破坏与平底压头压入岩石的破坏相同。如 果把所有因素都考虑进去，那么这个受力分析将是一个十分复杂的力学问题，若主要考 虑岩石的受力情况，并作如下假设： ( 1 ) 不考虑桩周粘结力； ( 2 ) 桩底是平的且受到均匀压应力： ( 3 ) 岩石为无限大的弹性体。 则桩端下岩石典型的变形过程可分为四个阶段，其破坏曲线和破坏几何示意图如图 1 7 第二章岩溶桩基竖向承载机理 2 6 和图2 7 所示。 图2 6 典型的桩端岩石破坏曲线 第一阶段( 线弹性变形阶段) ，在该阶段荷载随变形增加成比例增长： 第二阶段( 屈服前塑性变形阶段) ，在该阶段裂纹明显产生，随荷载增加，裂纹不断