（岩土工程专业论文）嵌岩桩荷载传递及承载机理研究.pdf

浙江大学硕上学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理 研究摘要和目录 嵌岩桩荷载传递及承载机理研究 摘要 嵌岩桩作为一种特殊的桩型， 以其承载力高， 沉降小， 群桩效应弱 等特点极大的满足了高层建筑， 桥梁工程等大型工程项目的需要， 对其承 载机理的研究也成为一个热门的课题。 目前， 国内众多学者纷纷撰文阐述， 嵌岩桩的承载性状，但由于嵌岩桩的独特工作机理，现场试验比较困难， 目前缺乏典型的试验资料， 基于此， 在广泛搜集国内外有关资料的基础上， 并利用弹塑性有限元理论， 对嵌岩桩的工作机理以及各种影响因素进行了 系统的分析和研究，得出了一些有益的结论。具体工作包括: ( i )对嵌岩段侧阻力的工作机理，进行具体分析，探讨了 i a n w . j o h n s t o n 和t h o m a s s . k . l a m的理论假设和试验数据。该假设假定桩岩 界面在微观上是三角形连接， 并依据此假定着重以试验模拟桩岩界面的剪 切行为。 在此基础上，研究了孔壁粗糙度对桩一岩侧阻力性状的影响。结 合施工方法探讨了岩石强度、 岩体质量、 桩径等因素与孔壁粗糙度之间的 关系。 ( 2 ) 分析研究桩端岩石破坏形式，及桩端阻力的传递机理及桩端 岩石强度， 沉渣厚度等对端阻力的影响。 总结了目前国内外的桩端阻力计 算方法 。 ( 3 )采用弹塑性有限元的方法模拟桩岩界面的凹凸槽，针对不同 嵌岩深度比， 岩石模量的变化等情况对荷载传递机理进行了数值分析， 得 出了一些具有指导性的结论。 并根据国内外学者针对嵌岩桩的设计所建议 的思路， 将有限元的计算结果用于嵌岩桩的设计当中， 总结出表格式设计 方法，可为嵌岩桩的设计，施工提供参考。 关键词:嵌岩桩 桩侧阻力 粗糙度 桩端阻力 有限元 设计方法 浙江大学硕士学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究摘要和目录 the load t rans f e r and beari ng cap aci ty m echani s m of rock- s ocketed pi les abs t rac t a s a s p e c i a l p i l e s t y l e ,t h e r o c k - s o c k e t e d p i l e h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c o f h i g h c a r ry i n g c a p a c i t y l o w s e tt l e m e n t a n d w e a k g r o u p e f f e c t s b e h a v i o r , w h i c h s a t i s f y t h e n e e d o f c o n s t r u c t i o n o f h i g h b u i l d i n g a n d b r i d g e e t c ,t h e m e c h a n i s m o f i t s l o a d t r a n s f e r h a s b e c o m e a h o t p r o g r a m . r e c e n t l y ,a g r e a t n u m b e r o f s p e c i a l i s t s p u b l i s h e d a r t i c l e s ,s t u d y i n g a n d s h e d d in g l i g h t s o n t h e b e h a v i o r o f t h i s s o r t o f p i l e .f e w o f t h e m , h o w e v e r h a v e p r o v i d e d t y p i c a l t e s t a n d c o n v i n c i n g d a t a o n m e c h a n i s m o f t h i s k i n d p i l e .i n v i e w o f t h i s ,b as e d o n w i d e l y c o l l e c t i n g i n v o l v e d d a t u m f r o m d o m e s t i c a l l y a n d a b r o a d ,t h e a u t h o r o f t h i s p a p e r s y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e d a n d s u m m a r i z e d t h e m e c h a n i s m o f r o c k - s o c k e t e d p i l e a n d i t s i n fl u e n t i a l f a c t o r s o f a l l k i n d s .i n t h e e n d , s o m e c o n c l u s i o n s w e r e o b t a i n e d . wh a t t h e a u t h o r h a v e d o n e a r e f o l l o w s : ( 1 ) a s t o t h e m e c h a n i s m o f p i l e s e c t i o n w it h i n r o c k s o c k e d ,t h e a u t h o r i n t r o d u c e d ,a n a l y z e d a n d d i s c u s s e d i a n w.j o h n s t o n a n d t h o m as s .k .l a ms t e s t d a t a a n d t h e i r t h e o ry , i n w h i c h i t w a s s u g g e s t e d th a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n p i l e a n d r o c k b e t r i a n g u l a r j o i n t b e t w e e n c o n c r e t e a n d r o c k o n m i c r o s c o p i c .a s e r i e s t e s t s a r e a c t e d t o s im u l a t e t h e s h e a r b e h a v i o r b e t w e e n p i l e a n d r o c k b a s e d o n t h e s u g g e s t i o n .o t h e r w i s e t h e a u t h o r a n a l y s e t h e i n fl u e n c e o f r o u g h n e s s o f t h e i n t e r f a c e t o t h e m e c h a n i s m o f p i l e s e c t i o n w i t h i n r o c k s o c k e t .c o m b i n e d w i t h t h e c o n s t r u c t i o n m e t h o d ,t h e a u t h o r d i s c u s s t h e r e l a t i o n o f t h e r o c k r i g i d i t y , r o c k q u a l i t y、p i l e d i a m e t e r e t c w i t h t h e r o u g h n e s s o f t h e i n t e r f a c e . ( 2 ) t h e a u t h o r a n a l y s e d t h e d e s t r o y i n g f o r m o f t h e r o c k a t t h e t i p o f p i l e , t h e e n d c a p a c i t y t r a n s f e r m e c h a n i s m a n d in fl u e n c e o f t h e r o c k r i g i d it y , s e d i m e n t t h i c k n e s s e t c t o t h e e n d c a p a c i t y .a t t h e s a m e t i m e t h e a u t h o r s u m m a r i z e d t h e c a l c u l a t i o n m e t h o d o f t h e e n d c a p a c i t y . ( 3 ) wi t h t h e e l as t i c - p l a s t i c m e t h o d ,t h e a u t h o r s i m u l a t e d t h e lo a d t r a n s f e r m e c h a n i s m as t o t h e s it u a t i o n t h a t w h e t h e r t h e r e a r e g r o o v e s b e t w e e n t h e r o c k a n d t h e p i l e , t h e d i ff e r e n c e o f t h e r a t i o o f s o c k e t e d d e p t h t o t h e d i a m e t e r , t h e c h a n g e o f t h e r o c k m o d u l e , s o m e v a l u e d c o n c l u s i o n s a r e o b t a i n e d .b a s e d o n t h e m e t h o d s t h a t a r e s u g g e s t e d b y t h e s c h o l a r as t o t h e d e s i g n o f t h e r o c k - s o c k e t e d p i l e s ,t h e a u t h o r a p p l y t h e f i n it e e l e m e n t m e t h o d r e s u l t t o t h e d e s i g n o f t h e r o c k - s o c k e t e d a n d s u m m a r i z e d t h e t a b l e d e s i g n m e t h o d ,w h i c h c a n o ff e r r e f e r e n c e t o t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f t h e r o c k - s o c k e t e d p i le . t h e k e y w o r d s : r o c k - s o c k e t e d p i le p i l e s k i n r e s i s t a n c e r o u g h n e s s p i l e e n d c a p a c i t y f i n i t e e l e m e n t m e t h o d d e s i g n m e t h o d 浙江人学硕卜 学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究 第一章 第一章绪论 1 . 1 嵌岩桩承机理分析研究的意义和方法 1 . 川 研究的意义 随着国家土木工程建设的发展， 工程实践。城市中的高层或超高层建筑， 嵌岩桩以其独特的优势越来越多地应用于 设计标准高，基础承重大，以岩石作为 持力层的嵌岩桩是满足承载力和变形要求的优选方案之一。在路桥，港口，海洋 石油钻采平台，高压输电线路杆塔和边坡抗滑等工程结构中，常用嵌岩桩来承受 垂直荷载或水平荷载，因此， 近年来嵌岩桩越来越受到工程界的重视。 嵌岩桩山于其承载力大，试验耗费大，且很难进行破坏实验，因而完整的 试桩资料和实测资料不多，这是制约人们对其承载性状全面认识的原因之一。九 十年代以前，人们普遍认为嵌岩桩是端承桩， 进入九十年代，人们在工程中逐渐认识到， 国家规范规定嵌岩桩按端承桩设计， 嵌岩桩的侧阻力不可忽视， 甚 至 成 为 平 衡 外 荷 载 的 主 要 反 力， 即 嵌 岩 桩 属 于 摩 擦 桩 或 端 承 摩 擦 桩， 侧阻有时 尽管如此 嵌岩桩的受力模式和受力机制尚认识不清，导致设计人员在嵌岩桩设计时持保守 态度。吴玉山( 1 9 9 5 ) 对武汉市6 个工程2 5 组试桩统计后认为，绝大多数的承载力 都超过设计要求，使得经济性与安全性的矛盾过大。在实际工程中，仍有设计人 员盲目地要求把桩端嵌入中风化或微风化岩层，甚至不适当的加以扩底，从而不 仅使得工程难度增加，也使投资规模加大 张振国( 1 9 9 2 ) ，刘金砺( 1 9 9 6 ) 。由于 试验的局限性，又缺少理论分析，有关嵌岩桩承载性能方面也存在一些值得探讨 的结论。 例如， 黄求顺( 1 9 9 2 ) 通过实验认为，嵌岩桩的最大嵌入深度为5 倍桩径， 超过5 倍桩径，桩端己 无阻力存在; 最佳嵌入深度为3 倍桩径，因为此时桩侧阻， 端承都可以得到较充分的发挥，史佩栋( 1 9 9 4 ) 在进行嵌岩桩承载机理分析赞同了 黄求顺的观点。在嵌岩桩实测资料分析的基础上，吕 福庆和吴文( 1 9 9 6 ) 认为， 嵌 入深度应该具体工程具体分析，黄求顺和吕 福庆的结论可能从不同角度反映了工 程中嵌岩桩的承载特性。对于承受抗拔力的嵌岩桩和水平荷载的嵌岩桩， 试验资 料和理论分析的成果都很少，对于抗拔桩，工程界关心的是，抗拔桩的桩侧极限 值与抗压嵌岩桩是否相同，也就是说，能否用资料积累的较多的抗压嵌岩桩的桩 侧极限阻力值去预测抗拔桩的承载力，同时，抗拔桩是否具有深度效应，对于侧 浙江大学硕士学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究第一章 向 受荷的嵌岩桩，侧向变形和极限承载力成为人们关心的两大问题，这两个问 题 的解决都离不开对其承载机理的分析。 嵌岩桩的广泛应用使得对其承载机理的研究变得有价值，因为只有在弄清机 理的基础上，才能使得嵌岩桩的设计尽可能的合理化。 1 . 1 . 2 本文的研究方法 和其他学科的科学研究一样，嵌岩桩的研究也应遵循理论和实际相结合， 定性与定量相结合的原则，鉴于影响嵌岩桩承载性状的因素众多，实验方法大多 数针对具体工程而选定，故而缺乏理论上的普遍性，且国内在这方面的研究大多 还局限在资料的整理分析方面，未上升到理论来剖析，本文采用数值方法，弹塑 性有限元作为模拟研究的手段，为了使得理论分析与实验结果相结合，在例子分 析时尽可能采用试验原始资料。 1 . 2 嵌岩桩承载机理分析研究综述 1 一 2 . 1 与之有关的几个概念 按成桩方法，可以 把嵌岩桩分成两类( 不考虑打入岩石的桩) :当基岩埋深 较浅时，一般采用人工挖孔成桩，即为所说的人工挖孔嵌岩桩;当埋深较大时， 则用机械钻孔成桩，即为所说的钻孔 ( 或冲击成孔)灌注嵌岩桩，两者均在现场 浇注混凝土，如果不考虑上覆土层的作用，两种桩型在承载性状上的区别在于清 孔，清底条件的不同。一般来说，人工挖孔桩的清孔清底较易得到保证 ( 或冲击成孔)灌注嵌岩桩则很容易在桩侧，桩端形成两个软夹层，但是 而钻孔 ，若人 f 挖孔与浇注混凝土两工序之间间隙过长，也会导致开挖面岩石的弱化。 从桩发挥的作用来分，可区分为承压嵌岩桩，抗拔嵌岩桩和水平受荷嵌岩 桩等。对于承压嵌岩桩，按桩侧、桩端分担外荷载的比 例不同，可分成三种， 鉴 于国 内 对此尚 无统一 命 名， 现定义 为: 侧阻 嵌岩 桩 ( s i d e s h e a r r o c k - s o c k e t e d p i l e ): 桩端以 下存在深厚的沉渣， 沉渣分担荷载的 作用可以 忽略; 端承嵌岩 桩 ( e n d b e a r i n g r o c k - s o c k e t e d p i l e ): 桩侧阻很小或很难发挥， 端阻分担了 外荷载的大部分，分析或设计时不考虑侧阻的作用;全阻嵌岩桩 ( c o m p l e t e r o c k - s o c k e t e d p i l e ) 端阻、 侧阻尽管发挥的 程度不同 但都参与到分担外荷载 的工作中。显而易见，侧阻嵌岩桩和端阻嵌岩桩是全阻嵌岩桩的两个极端情况。 浙江大学硕士学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究 第一章 1 . 2 . 2 承压嵌岩桩受荷机理研究综述 这方面的研究最早可追溯到七十年代，起初为了便于试验分析， 将嵌岩桩 区分为端承，侧阻，全阻嵌岩桩，分别进行研究。对于端承嵌岩桩，其受力特征 类似与 钻孔中刚性或柔性的承压板试验。由于弹性半空间上的基础的荷载位移关 系己知，只要能确定由于在岩体中嵌入一定深度对位移的影响系数即可。 b u r l a n d ( 1 9 7 0 ) 给出了 嵌入岩土介质不同 深度时的 柔性基础的沉降 折减系数图， 之 后p o l l a n d t u r n e r ( 1 9 7 9 通过弹性力学有限元分析，认为b u r l a n d 的结果是基础 中心点沉降的折减系数， p e l l 和t u r n e r 给出了基础平均沉降的折减系数， 并同时 给出了 刚性基础的沉降折减系数， 并与b u t t e r f i e l d 和b a n n e r j e e ( 1 9 7 1 ) 的结果进 行了比较。对于端承桩， p e l l 建议，当桩岩模量比大于等于5 0 时， 可采用刚性基 础的分析结果，否则要用柔性基础的折减系数值，对于侧阻嵌岩桩，桩在基岩表 面处的沉降仍可写成二 式中:工 为沉降影响系数。 p e i l a n d t u r n e r ( 1 9 7 9 ) 通过弹性有限元分析， 得出i 与不同的嵌入深度l / d 和 桩 岩 模 量 比 e l, i e ， 的 关 系 曲 线 。 之 后 ， d o n a l d 和c h i u ( 1 9 8 0 ) 也 采 用 弹 性 有 限 元 分析了端、侧阻嵌岩桩的沉降影响系数，其结果与p o l l s a n d t u r n e r 的结果相差 不大。 对全阻嵌岩桩，p o u l o s a n d m a t t e s ( 1 9 6 9 ) , o s t e r b e r g和 g i l l ( 1 9 7 3 ) 的弹 性理论解不论在嵌入深度还是在桩岩模量比 方面都存在局限性， l a d a n y i ( 1 9 7 7 ) 根 据。 s t e r b e r g和g i l l ( 1 9 7 3 ) 工 作， 绘制出 端承分担外荷载的比 值几/ p 与 相对嵌入 深 度l / d 的 关 系 曲 线 ， 以 及 全 阻 嵌 岩 桩 沉 降 影 响 系 数工 与l / d , e r, l e , 的 关 系 图 。 p e l l a n d t u r n e r ( 1 9 7 9 ) 又丰富了 上面两个图的内 容， 使得桩岩模量比 和相对嵌入 深度l / d的范围更大。由此可见， p e l l a n d t u r n e r 杰出工作，使得其弹性分析 成为嵌岩桩理论发展中的一个里程碑， 其意义在于: 使定性分析逐步转变为定量 分析;认为端承分担荷载比是桩岩模量比和嵌入深度比的函数，比国内的认识 早了十年; 建议的设计方法具有代表性，r o w e 和a r m i t a g e ( 1 9 8 7 ) 的设计就借鉴 浙江大学硕 i s 学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究第一章 了p e l l a n d t u r n e r ( 1 9 7 9 ) 的方法。 1 9 8 0 年在悉尼召开的 “ 岩基上的结构基础”的国际会议，在嵌岩桩的试验 研究、机理分析、设计方法方面取得了较大的进步。悉尼城市基岩埋深较浅，大 量的实践推动了嵌岩桩理论的发展， t h o r n e ( 1 9 8 3 ) 在悉尼w e s t m e a d 新综合医院进 行了 六根嵌岩桩的原型试验，l h o r n e 指出， 桩端压力达到。 . 8 人时， ( 人为 岩石 饱 和 单 轴 抗 压 强 度) ， 岩 体 仍 无 破 坏 现 象发 生( 当 时 的 规 范 规 定 为。 . 3 f , ) ， 规 范 规 定 侧摩阻 力为 0 . 0 8 人也显 得太 保守( 目 前 我国 钻孔灌 注嵌岩 桩规范中 侧阻 的 最 大 值 规 定 为。 . 0 8 人) 。t h o r n e 认为 工 作 荷 载 下 桩的 变 形 可以 采 用弹 性 理论 预 测， 但 对强风化或张开型节理分布的岩体， 弹性理论不适用，b a u e r ( 1 9 8 0 ) 通过原型桩的 观测和弹性有限元分析认为，在工作荷载下弹性有限元解可以较好的反应桩的荷 载传递情况。 上面各家在弹性范围内的研究， 不论理论分析还是试验研究结果，都很少 提供涉及桩侧阻力的分布和影响侧阻发展的因素方面的成果，由于侧阻在分担荷 载时占了很大的份额，分析嵌岩部分侧阻的发挥发展，影响因素，不仅是了解桩 承载性能的必要步骤，也是有效地提高桩的承载性能，正确评估桩的承载力的必 要性 研究。p e l l s在这方面进行了开创性的研究。p e l l s , r o w e和 t u r n e r ( 1 9 8 0 ) 鉴于当时嵌岩桩侧阻取值的任意性， 针对悉尼砂岩， 进行了有意义的侧阻嵌岩桩 室内模型试验和现场试验研究， 并得出了一些有意义的结论: 桩岩界面的粗糙 度是影响荷载位移曲线呈强化，弱化或屈服的主要因素，如果清孔彻底，那么节 理，裂隙等不连续面的存在可以 使界面的粗糙度增加 ( 后来多位学者研究表明， 桩侧极限阻力并不随岩石饱和单轴抗压强度的降低而成比例降低;桩岩交界面 清洁程度对侧阻也有重要影响，当界面光滑时，清洁程度决定了侧阻发挥的程度; 泥浆护壁钻孔灌注嵌岩桩的泥浆对侧阻会有所削弱，桩岩界面越光滑，削弱的 越严重;对风化程度不太严重的岩石，可以建立极限侧阻与无侧限抗压强度的 相关关系;侧阻值与直径和 l / d 值无关。但 p e l l s 等人的试验研究尚局限在桩 整体的受荷反映上，没有涉及桩岩界面各点的侧剪应力的变化，之后，r o w e和 p e l l s ( 1 9 8 2 ) 对影响桩岩界面侧剪应力位移关系硬化， 屈服或者软化的因素进行 了 弹 塑 性 有限 元 理 论 研 究 r o w e 通 过 理 论 分 析 认 为 ， 桩 岩 模 量比 e p i e ， 和 相 对 嵌 浙江大学硕士学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究 第一章 入深度对动员侧阻的大小产生影响。 软岩中桩的 侧阻比 硬岩中的桩的侧阻更容易 出 现弱化现象，短桩比长桩桩侧阻力更容易出现弱化现象，在荷载作用下短桩桩 侧可能会出现界面滑动，但只要桩端不出现破坏，由此引起的位移增加值不大。 桩 侧界 面的 摩 擦角 显 著 影响 侧 阻 的 发 挥 和 脆 性 剪 切比 : ， / : ， 。 剪 胀 角 对 桩的 剪 应 力一位移关系也产生严重影响，只要很小的剪胀角，就可以使桩侧剪应力一位移 曲 线保持不出现弱化， r o w e还研究了水平地应力 ( 或初应力) 对桩承载反应的影 响。 在 1 9 8 0 年的悉尼国际会议上， d o n a l d 和c h i u ( 1 9 8 0 ) 采用弹塑性有限元法， 研究了不排水，排水情况的全阻嵌岩桩的受荷反应，桩岩界面正应力，剪应力的 分 布。 d o n a l d 的。 一 必 分析 和。 一 沪 节理 元 分 析， 实际 上是 讨论了 理 想界面接触 和非 理想交界面时桩侧剪阻沿嵌入深度的分布，d o n a l d最后指出，用零厚度节理单元 模拟桩岩界面在桩端处容易出现应力奇异。为了研究桩侧剪应力沿嵌岩深度的分 布. w i ll i a m s , d o n a l d 和c h i u 进 行了 三 根 嵌 岩 桩的 原 型 试 验， 并 将 试 验 结 果 与 弹性理论分析结果做了比较。w i l l i a m s 试验中的桩侧剪应力分布与原来的弹性分 析结果相差很大，尤其在桩顶和桩端附近。因此，w i l l i a m s认为弹性理论分析有 待于进一步完善。但 p o u l o s ( 1 9 8 0 ) 同时给出了一个实测剪应力分布与弹性理论很 一致的例子，本文认为，侧剪应力分布随桩岩界面剪切模量的不同而变化，剪切 模量降低，剪应力分布也趋于均匀，w i l l i a m s 同时指出，由于侧阻的屈服， 桩端 分担外荷载的份额逐步增大。 在嵌岩桩的侧阻值研究方面 h o r v a t h功不可没，h o r v a t h，k e n n e y和 t r o w ( 1 9 8 0 ) 在总结澳大利亚，英国，美国5 0 多处嵌岩桩试桩资料的基础上， 把桩 侧阻力与岩石的饱和单轴抗压强度建立关系，其建议的公式为: t i. 一 ( 0 .2 一 。 .2 5 ) 祝 h o r v a t h 把桩与岩石的握裹力， 钢筋与硅的握裹力和单轴抗压强度关系绘到 一 张图 上， 发 现二者规 律相 似， 同 时，h o r v a t h 还 研究了_ ,i. i f , 与 粗糙 度的 关系， 鉴于桩端，侧阻在发挥作用时位移不相容及界面粗糙度对z h 。 的影响， h o r v a t h ( 1 9 8 0 ) ( 1 9 8 3 ) 认为有两条途径可以改善桩的承载性能: 桩端部预加荷载 浙江大学硕士学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究 第一章 或在桩端与岩石之间施加一膨胀荷载; 使界面粗糙化。 h o r v a t h 认为界面凹凸不 平可以使侧阻由混凝土和岩石本身的强度来承担而不由握裹力或摩擦力来承担。 h o r v a t h 的建议在理论上无疑是正确的， 在实践中也可以实现， 但一般工程单位认 为，与其采用新设备把桩岩界面做成粗糙的( r o u g h e d ) 、 有沟槽的( g r o v e d ) 或成形 的( s h a p e d ) ，还不如再钻深一点，h a r t l e y ( 1 9 8 0 ) 在讨论时就提到了这 一 点。 l a d a n y i ( 1 9 8 0 ) 通过试验得出 与h o r v a t h 略微不同的结论。 前者认为， 存在一个最 优的粗糙度，大于这个粗糙度，界面材料发生咬合爬坡破坏而不是滑动，低于这 个最优的粗糙度，界面的侧阻又动员不起来。针对地区岩性，w i l l i a m s和 p e l l s ( 1 9 8 1 ) 研究了 侧阻的发挥程度和影响因素。 可以 看出，8 0年代初，在嵌岩桩承载机理理论的研究方面，国外学者在理 论研究和试验研究方面都取得了较大的进步。从重视端承研究到重视侧阻研究， 从弹性理论研究进步到弹塑性理论研究， 从桩体系的极限侧阻值研究进步到桩侧 各点的剪应力分布研究。 r o w e 和a r m i t a g e ( 1 9 8 7 ) 研 究了 试 验 方 法 对 获 得的 桩 极限 阻 力 的 影 响， 他 们 指出，对于粗糙度大的试桩，位移控制法和荷载控制法对测得的极限侧阻值影响 小大， 但对光滑交界面， 荷载控制法会低估残余侧阻值，r o w e和a r m i t a g e 还对 影 响 侧 阻 发 挥的 几 个 因 素 包 括 桩 岩 模 量比 e , i e、 相 对 嵌 入 深 度l / d 初 应 力 、 界 面粗糙度进行了数值研究， l e o n g 和r a n d o l p h ( 1 9 9 4 ) 的研究也得出了同样的结沦， 即l. / d 增大， 桩侧阻力略有减小， d 增大， 单位侧阻略有减小， 岩性越好， 桩侧极 限阻力越大。l e o n g研究发现， 其数值计算结果与 w i l l i a m s ( 1 9 8 0 ) 试验结果不相 符，但通过降低桩端岩性的弹性模量，可使端、侧阻及整个桩的p - s曲线预试验 结果较好的符合。也就是说， w i l i i a m s的试验桩清底可能不大好。d y k e m a n和 v a l s a n g k a r ( 1 9 9 6 ) 通过离心机模型试验对铅直荷载嵌岩桩进行了 研究， 认为现行 的各种预测桩侧阻力的方法太保守; 相比 之下，r o w e和a r m i t a g e ( 1 9 8 7 b ) 的 方法 较接近实际。当然，试验并不能解决嵌岩桩存在的问题，因为其很难模拟实际中 的各种影响因素， h a s s a n 和d e i l l ( 1 9 9 7 ) 针对泥质软岩通过有限元模拟研究认为: 剪胀角对泥质软岩中嵌岩桩的影响不大。对于桩岩界面较光滑的情况，界面极限 侧阻与界面摩擦角之间关系不大。h a s s a n等还研究界面涂抹层对承载性状的负面 浙江大学硕十学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究; a -章 影响。 此外， g i l l s ( 1 9 7 0 ) , w i l l i a m s ( 1 9 8 0 ) 和h a s s o n ( 1 9 9 4 ) 均以 承压嵌岩桩承载 机理作为博士论文的选题。 在嵌岩桩承载机理研究方面，国内 学者也做了大量的工作，卢世深( 1 9 8 1 ) 对软岩中嵌岩桩承载力计算参数进行了讨论，李禄锌( 1 9 8 2 ) 报道了钻孔灌注嵌岩 桩施工方面的一些问题，杨嘉璞( 1 9 8 4 ) 认为嵌岩桩的受力机理不同于一般意义上 的摩擦桩，也不同于岩石中的打入桩，而是桩岩体系靠强大的嵌固力共同承担外 荷载，吴玉山( 1 9 9 5 ) 把这个强大的嵌固力称为体系端承力，并认为嵌岩部分可以 不再区分侧阻力和端承力。黄求顺( 1 9 9 2 ) 在山区嵌岩桩试验的基础上，提出了最 大嵌岩深度， 最佳嵌岩深度的概念， 并认为土层侧阻只能有限的发挥， 杨世忠( 1 9 9 2 ) 探讨了强风化岩层中嵌岩桩的承载性能，认为强风化岩层可以作为嵌岩桩的持力 层。张振国( 1 9 9 2 ) 报道了广州嵌岩桩设计得经验，认为只要变形和强度满足要求， 可以不把桩嵌到微风化层。史佩栋( 1 9 9 2 ) 分析美国自由广场一 嵌岩桩的长期观测资 料后认为，嵌岩桩属于摩擦桩，桩侧阻力不可忽视;史佩栋( 1 9 9 4 ) 建议，除非承 受 较 大的 抗 拔力 或永 平力， 否 则 均不 宜 将桩 嵌 入中 风 化 程度以 上的 岩 层。 明 可前 ( 1 9 9 8 ) 在试验的基础上， 得出的结论是: 嵌固力及承载力随l / d 线性增加， 当l / d = 4 时，嵌固力最大，即 4倍桩径的嵌入深度是最佳嵌入深度，另外，嵌固力与岩石 的饱和单轴抗压强度成正比关系。 可以看出，国内学者的研究多集中在试验研究，经验分析和总结方面，缺 乏对承载机理的细致的理论分析。 1 . 2 . 3 嵌岩桩数值模拟方法研究综述 嵌岩桩的数值模拟包括三部分， 即岩体， 桩身混凝土和桩岩交界面， p o u l o s 和d a v i s ( 1 9 6 8 ) 采用m i n d l i n 积分法只能适用于桩岩模量比大于 1 0且泊松比效应 可忽略的情况。 p o u l o s ( 1 9 8 0 ) 也报道了 使用边界元法模拟嵌岩桩的例子，由于嵌 岩桩粗短的几何形状及影响因素的复杂， 有限元法成为嵌岩桩数值模拟的主要方 法。 在嵌岩桩分析中，有限元法的发展经历了由线弹性有限元法向非线性有限 元法发展的过程，二者各有优缺点，弹性有限元需要参数少，计算简单，某些情 况下可满足工程要求，但在桩岩界面出现破坏或桩身混凝土， 岩石出现破坏时就 无法分析，也无法进行破坏数值分析，理论上说非线性有限元分析可以模拟嵌岩 浙江大学硕士学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究 第 一 章 桩的 大部分特性，但参数能否获得和参数的准确性成为发展和应用的制约因素。 早期的弹性有限元法只模拟混凝土和岩石，因此在引用弹性结果时要注意 到这一 点，因为其暗含的假设是:桩岩界面胶结或嵌固良 好，界面无相对滑动 之后的研究发现桩岩界面在多数情况下会出 现滑动。r o w e ( 1 9 8 0 ) 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。 d o n a l d和 c h i u , s l o a n ( 1 9 8 0 ) 采 用弹塑性有限元法对嵌岩桩进行了排水与不排水加载分析，在排水分析中，他们 采用了零厚度节理元模拟桩岩界面。r o w e ( 1 9 8 7 ) 仍采用双节点法分析了影响桩侧 剪阻 发挥的因素。 l e o n g ( 1 9 9 4 ) 采用无限 元模拟岩体的 无界域， 从分析成果看， 考 虑远域对结果影响不是很大。 l e o n g 又建议了 一种能考虑硬化、 软化及剪胀效应的 界面单元，但该模型要求的参数较多。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。同时，模拟 岩体节理的一些方法也被应用于嵌岩桩。s e i d e l ( 1 9 9 5 ) 介绍了一种利用分形理论 描述三角形凸起界面的模拟方法。h a s s a n和 0 n e i l l ( 1 9 9 了 ) 认为软质泥岩中桩岩 界 面 的 不 丫整 方 式为正 弦分 布， 他 们 直 接 采 用曲 线的“ 滑动 线” 单 元 模拟 界 面。 但作者没有讨论网格对精度的影响和如何应用到三维问题中。 d e s a i ( 1 9 8 4 ) 建议用 薄层单元法模拟岩石的节理或交界面，认为薄单元比g o o d m a n的零厚度单元更能 反应实际情况。之后， d e s a i ( 1 9 9 2 ) 提出可以考虑界面软化、剪胀的扰动状态模 型。在 d e s a :的基础上，殷宗泽( 1 9 9 4 ) 用薄单元法研究了土与混凝土接触面的变 形和数学模拟方法。韩国城( 1 9 9 4 ) 研究了混凝土防渗墙与砂之间的剪切特性，认 为当交界面没有泥浆护壁形成的泥皮时，可不设界面单元而采用在界面处加密剖 分的方法。雷晓燕( 1 9 9 6 ) 建议了 一种分析三维接触问 题的界面模型。这些对桩岩 界面的模拟都具有很好的借鉴作用。 1 . 2 . 4 嵌岩桩设计理论研究综述 设计理论经历了由经验性向半理论、半经验性，由线弹性向非线性发展的 过程。尽管杨嘉璞( 1 9 8 4 ) 和吴玉山( 1 9 9 5 ) 提出了体系端承力的想法，但作为普适 性的设计方法， 仍以 侧阻、 端承分开计算为好。早在 1 9 7 2年， f r e e m a n ( 1 9 7 2 ) 就对嵌岩桩的设计方法进行了总结，认为有 4种方法，即:按端承桩设计: 按侧阻桩设计:使端承达到容许端阻值， 剩下的荷载由侧阻承担;理论分析 得到端阻和侧阻的分布， 按各自 分担的 荷载份额进行设计。 p e l l : 和t u r n e r ( 1 9 7 9 ) 浙江大学硕士学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究第一音 的弹性理论设计法和 r o w e ( 1 9 8 7 ) 的弹塑性理论设计法都可归类到方法。 r o s e n b e r g 和j o u r n e a u x ( 1 9 7 6 ) 通过 试验认为， 桩 侧阻 力与位移的关系一般都不会 出现弱化现象，因此他们建议:把桩侧的极限侧阻值作为设计值，按此设计嵌岩 桩的嵌入长度， 安全系数为极限端阻与实际端阻的比值。 r o s e n b e r g 的假定具有一 定的试验基础( j a c k s o n等，1 9 7 7 ) 和理论基础( r o w e等，1 9 8 0 ) ，但界面握裹强度 的 取值便成为关键， 时间效应也可能导致端阻分担荷载的 增大( l a d a n y i , 1 9 7 6 ) . 同时，试验得到的结论也带有区域局限性和施工方法的局限性， v o g a n ( 1 9 7 7 ) 认 为 r o s e n b e r g的方法对于桩岩界面出 现滑裂破坏或清孔、清底难以保证的情况就 偏于不安全。g i l l ( 1 9 8 0 ) 综合上述方法，对嵌岩桩进行了实际设计操作，并探讨 了 水平软弱夹层对计算系数的影响。 w i l l i a m s , j o h n s t o n 和d o n a l d ( 1 9 8 0 ) 针对悉 尼砂岩，提出了以试验为基础的非线性设计方法，且可以同时满足沉降要求和承 载力要求。 其原理为: 通过试验得到端承桩和侧阻桩的p -s 曲线， 先按弹性计算， 然后.通过荷载的释放以考虑非线性的影响。 r o w e 和a r m i t a g e ( 1 9 8 7 ) 在上述各方 法的基础上，基于弹塑性有限元，建议了一种设计方法，其方法的关键是用有限 元 算出 各e p, 1 e ， 和 各l / d 情 况 下 的 沉 降 影 响 系 数 。 黄求顺( 1 9 9 2 ) 和史佩栋( 1 9 9 4 ) 建议的桩极限承载力求法本质上是一致的， 只在参数取值上有所不同，桩极限承载力可以写成: q u = q . + q ， 十 q .h 式中: q v 为 桩身极限 承 载力， q ,. 为 土层 侧阻力， qs为 嵌岩段侧阻 力， q i 为嵌岩段端阻力。 刘金砺( 1 9 9 2 ) 也建议了上面的公式。这样，国内学者在这方面基本达成了 一致， 这一 一致性在规范中 体现出 来。 一致性中 也包括， 相对嵌入深度l / d 大于5 时不计岩层的端阻。 此外，向春尧( 1 9 9 0 ) 还推导了 岩石桩基硬持力层冲切安全厚度计算公式， 并认为: 当持力层硬岩厚度大于2 . 2 倍桩径， 或下卧层与持力层的弹模比 大于0 . 5 , 可不考虑桩的冲切问题。 针对 泥 质软 岩， h a s s a n ( 1 9 9 7 ) 认 为 桩 侧阻q s 和 端阻吼都 是 桩 顶 沉降 的 函 数，其设计公式为: 9 浙江大 学硕士学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究第一章 q , = 7d l a 广 f ax + 7rd 2 q b q , = ; td l ,6 f 9 1刃z m . +一 万一 q b 4 式中 :f . . 、 为界 面 极限 侧阻 力。 上 述 两 式 分 别 适用 于界 面 滑动 破坏 前和 滑 动 破 坏 后 情 况 ， 式 中 。 ， 两、 q b 都 是 桩 顶 沉 降 的 函 数 ， 具 体 的 函 数 关 系 是 通 过 有 限 元分析得到的。因此， h a s s o n的方法在应用到其他岩性中的嵌岩桩之前，必须 经过试验或理论分析，验证其是否合适。 1 . 3 本文的研究内容 从 仁 面的叙述可知，国内外学者在嵌岩桩研究方面取得了较多成果，在实 践中创造了应用价值，但嵌岩桩的理论研究还不成熟，许多问题还有待解决。 在 数值模拟方面，桩岩界面的模拟对求解影响很大，而以 往采用的 g o o d m a n零厚度 单元在模拟桩岩界面时存在缺陷;在承压嵌岩桩的承载机理方面，桩的承载性状、 影响因素等还需进一步探索， 例如: 桩底沉渣及桩岩侧界面弱化的影响， 桩土 岩共同作用分析，桩在外荷载作用下的时间效应等问题，而对于抗拔和侧向受荷 嵌岩桩，还基本属于新领域。 如何进一步弄清嵌岩桩的工作，使嵌岩桩的设计尽 可能的合理化，在嵌岩桩大量使用的今天，无疑具有极高的经济意义。基于此， 笔者做了如下工作，力求对于嵌岩桩工作机理的认识有所裨益: 分析了i a n w . j o h n s t o n , t h o m a s s . k . l a m , b . i n d r a r a t n a 等人关于桩岩 界面的假设及的室内 试验成果，该试验是揭示嵌岩桩嵌岩段工作机理的一次有益 尝试; 利用岩石的相关破坏理论，对嵌岩桩桩端的工作机理进行了分析研究; 采用弹塑性有限元法对嵌岩桩的竖向承载性状进行了数值分析，研究了 岩石强度、界面粗糙度、嵌岩深度等因素对桩侧阻和端阻的影响; 建立了可以考虑桩端岩性劣化和沉渣影响的承压嵌岩桩的设计方法，并 可与现行规范方法结合起来。 浙江大学硕士学位论文嵌岩桩荷载传递及承载机理研究第二章 第二章桩岩侧阻力机理分析 正常工作状态下， 由于荷载一定， 狈 1 阻力和端阻力之间存在着此消彼涨的 矛盾， 同时， 侧阻力的发挥需要桩岩之间产生足够的位移， 而桩端阻力则必然遏 制这种位移的形成。 相反若这种位移能发生， 桩侧阻力得到了充分的发挥， 则桩 端岩石必然不足以抵抗较大荷载或有较厚残渣，即桩端阻力没有得到充分发挥。 为了进一步研究侧阻力和端阻力各自 的工作机制， 分析各自的影响因素， 有必要 将两者分开，形成独立的系统加以分析。 2 . 1 桩岩侧阻力工作微观机理分析 2 . 1 . 1 滑移一剪胀机理概述 嵌岩桩一般都要在岩石中钻孔或冲孔，然后灌入混凝土成桩。在成孔时， 通常在孔壁形成一定粗糙度的凹凸槽， 灌入混凝土后， 桩岩之间在二维图上，