大直径嵌岩桩承载机理与设计理论

1/56大直径嵌岩桩承载机理与设计理论

第四界“深基础”会议东南大学汇报人：龚维南大学土木学院2/56目录

一、研究背景

二、荷载传递机理分析

三、理论研究

四、室内实验研究

五、现场原位试验

六、嵌岩桩承载力计算

七、工程应用

八、取得成果东南大学土木学院3/56嵌岩桩是指桩身一部分或全部埋设于岩石中的桩基础。与其它桩基相比，嵌岩桩具有明显的优点，逐渐被广泛地应用到各种重要的建筑、水利、桥梁工程中。

由于岩层种类繁多，岩石强度差异较大，嵌岩桩特别是大直径深长嵌岩桩承载机理复杂，且很难进行破坏试验，诸多原因制约了人们对其承载性能认识。嵌岩桩定义：

一、研究背景1研究背景东南大学土木学院4/56

国内大部分规范如建筑桩基08规范，公路桥涵07规范(铁路)，都规定把嵌入中风化（未分化）岩层以上的桩称之为嵌岩桩，全风化和强风化（中风化）按土层考虑，这一点相对于国外规范还有一定保守，国外规范一般规范都认为只要嵌入岩层的桩都是嵌岩桩，不管是嵌入强风化还是全风化岩层。

国内外对嵌岩桩定义的区别一、研究背景东南大学土木学院5重庆寸滩码头

在土木工程基础中，桩基础的使用占70%以上。每年使用量约300万根以上。

嵌岩桩是桩基础的两种形式之一。广泛地应用到桥梁、建筑、港口、铁路、水利工程中。南京德基广场一、研究背景东南大学土木学院6/56部分重点工程青岛海湾大桥重庆码头二期工程荆岳长江大桥润扬长江大桥南京长江三桥西堠门跨海大桥重庆乌江特大桥南京紫峰大厦贵州坝陵河大桥黑瞎子岛乌苏大桥哈大客运专线南水北调中线润扬长江大桥荆岳长江大桥一、研究背景东南大学土木学院7/56工业与民用建筑港口工程公路工程铁路工程其他应用领域地铁工程水利工程一、研究背景东南大学土木学院8/56随着桥梁跨径增大、房屋向超高发展，嵌岩桩直径及嵌岩深度越来越大。嵌岩桩发展趋势乌江特大桥桩径4.0m椒江二桥桩长136m紫峰大厦桩径2.0m一、研究背景东南大学土木学院9/56超大直径嵌岩桩的主要技术难题缺乏对超大直径（d≥2m）嵌岩桩承载机理的研究。尺寸效应对桩基承载力的影响研究不足。虽对嵌岩桩的嵌岩深度做了必要的探讨，但对目前采用的深嵌岩桩的承载特性缺乏分析。现有桩基规范不足。一、研究背景东南大学土木学院10/56a）桩－土体系的荷载传递分析

当竖向荷载施加于桩顶，桩身的上部首先受到压缩而发生桩－土相对位移，使桩周土产生剪切变形，于是桩周土在桩侧界面产生向上的摩阻力,桩顶荷载通过摩擦力传递到周边土层，荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程。

二、荷载传递机理2荷载传递机理东南大学土木学院11/56现有：仅与岩石单轴抗压强度有关破坏机理：粘结-滑移-膨胀b）桩－岩体系的荷载传递分析自重引起法向应力径向约束＋考虑：二、荷载传递机理东南大学土木学院12/56“滑移-剪胀机理”桩岩界面的粘聚力先发挥作用,桩岩之间将发生相对滑移。桩身在孔壁方向发生侧向剪胀，提高桩岩的侧阻力。随着外荷载的增加，滑移机制变为剪切机制，此时孔径不再膨胀。在桩岩界面发生剪切破坏前，桩侧阻力达到峰值；发生剪切后的桩侧阻力会有不同程度的降低。b）桩－岩体系的荷载传递分析二、荷载传递机理东南大学土木学院2023/1/14岩石名称破碎砂质粘土岩和细砂岩完整细砂岩完整石灰岩和花岗岩δ岩(mm)43≤2

相对位移τ－δ曲线中风化以上的岩层提供的侧阻力要比土层高十几倍，甚至几十倍，达到极限所需的相对位移却比土体要小的多。破碎岩体的δ约为粘性土的1/2，完整岩体约为粘性土的1/4。

τ－δ曲线具有如下特征：1：τ达到极限值所需的相对位移δ小于土层所需的δ；2：完整基岩中，摩阻力呈脆性破坏，τ由峰值减小到某一残余强度。

岩体发挥极限侧阻的相对位移14/56基于Hoek-Brown嵌岩段桩-岩侧阻力计算方法小孔扩张理论＋自重应力的算法桩侧摩阻力分析模型二、荷载传递机理东南大学土木学院基于Hoek-Brown嵌岩段桩-岩侧阻力计算方法通用Hoek-Brown准则σ1和σ2为破坏时大、小主应力，m和s

为与岩体类型、完整性、风化程度等因素有关的常数GSI=RMR-5；mi(见附录2)；RMR(%)(见附录4)D(见附录1)为岩块的扰动系数，σc为完整岩石的无侧限抗压强度，n与岩破碎程度有关的参数(n=0.5～0.65)(σ2=σ3)2023/1/14

嵌岩桩桩端基岩的破坏模式

桩直接支撑在基岩上，当基岩达到极限承载力时，桩端形成楔形体的破坏模式，图中符号（1）类似于主动区，图中符号(2)区为被动区,桩端产生滑移和偏转。

当嵌岩比(HR/D)大于2时，当基岩达到极限承载力时，桩端产生冲切破坏,桩端下岩体破裂形成截锥塞(b)。(a)桩端直接支承在基岩上（b）嵌岩比大于217/56P破坏过程：分四个阶段提出：基于三维Hoek-Brown计算方法c）桩端阻力研究PPP环状裂纹现有：仅与单轴抗压强度有关二、荷载传递机理东南大学土木学院基于二维Hoek-Brown破坏准则嵌岩桩桩端阻力计算ZhangandEinstein（1998）运用二维Hoek-Brown破坏准则并考虑上覆土(岩)层影响的桩端阻极限承载力的确定方法:对于平面应变问题:ZONEB:ZONEB过渡到ZONEA条件:ZONEA:(σ2=σ3)分析模型方程Mindlin解2023/1/14分类参数及评分A.CLASSIFICATIONPARAMETERSANDTHEIRRATINGS参数Parameter取值范围Rangeofvalues1完整岩石材料的强度Strengthofintactrockmaterial点荷载试验强度指数Point-loadstrengthindex>10MPa4-10MPa2-4MPa1-2MPa单轴抗压强度很低的情况下：Forthislowrange-uniaxialcompressivetestispreferred单轴抗压强度Uniaxialcomp.strength>250MPa100-250MPa50-100MPa25-50MPa5-25MPa1-5MPa<1MPa评分Rating1512742102钻孔质量DrillcoreQualityRQD90%-100%75%-90%50%-75%25%-50%<25%评分Rating201713833不连续面间距Spacingofdiscontinuities>0.6-2.m200-60-<评分Rating201510854节理状况(见E)Conditionofdiscontinuities(SeeE)非常粗糙表面，不连续，无分离，未风化围岩VeryroughsurfacesNotcontinuousNoseparationUnweatheredwallrock微粗糙表面分离＜微风化围岩SlightlyroughsurfacesSeparation<Slightlyweatheredwalls微粗糙表面分离＜高度风化围岩SlightlyroughsurfacesSeparation<Highlyweatheredwalls擦痕面或凿深<厚或分离1连续SlickensidedsurfacesorGouge<thickorSeparation1Continuous凿深>厚或分离>连续Softgouge>thickorSeparation>Continuous评分Rating3025201005地下水GroundwaterInflowpertunnellength(l/m)None<1010-2525-125>125岩块分类指标Rockmassclassification[A.4]表A.5岩块分类系统(AfterBieniawski1989)TableA.5:RockMassRatingSystem(AfterBieniawski1989).

(Jointwaterpress)/(Majorprincipal)0<0.10.1,-0.20.2-0.5>0.5

GeneralconditionsCompletelydryDampWetDrippingFlowing

评分Rating1510740

B.节理走向调整值（见F）B.RATINGADJUSTMENTFORDISCONTINUITYORIENTATIONS(SeeF)StrikeanddiporientationsVeryfavourableFavourableFairUnfavourableVeryUnfavourableTunnels&mines0-2-5-10-12

Foundations0-2-7-15-25

Slopes0-5-25-50

C.总体评价中决定岩块等级C.ROCKMASSCLASSESDETERMINEDFROMTOTALRATINGSRating100←8180←6160←4140←21＜21ClassnumberIIIIIIIVVDescriptionVerygoodrockGoodrockFairrockPoorrockVerypoorrockD.岩石类别的涵义D.MEANINGOFROCKCLASSESClassnumberIIIIIIIVVAveragestand-uptime20yrsforspan1yearforspan1weekforspan10hrsforspan30minforspan岩块的粘聚力Cohesionofrockmass(kPa)>400300-400200-300100-200<100岩块的摩擦阻力角Frictionangleofrockmass(deg)>4535-4525-3515-25<15E.不连续面状态的分类E.GUIDELINESFORCLASSIFICATIONOFDISCONTINUITYconditionsDiscontinuitylength(persistence)<1-3-10->评分Rating64210Separation(aperture)None<0.1-1->评分Rating65410粗糙度Roughness非常粗糙Veryrough粗糙Rough微粗糙Slightlyrough光滑SmoothSlickensided评分Rating65310Infilling(gouge)NoneHardfilling<Hardfilling>Softfilling<Softfilling>评分Rating64220WeatheringUnweatheredSlightlyweatheredModeratelyweatheredHighlyweatheredDecomposed评分Rating65310F．F.EFFECTOFDISCONTINUITYSTRIKEANDDIPORIENTATIONINTUNNELLING**StrikeperpendiculartotunnelaxisStrikeparalleltotunnelaxisDrivewithdip-Dip45-90°Drivewithdip-Dip20-45°Dip45-90°Dip20-45°VeryfavourableFavourableVeryunfavourableFair

表格Table项目Item值Value评分Rating4:A.1点荷载指数Pointloadindex8MPa124:A.2RQD70%134:A.3不连续面间距Spacingofdiscontinuities104:E.4不连续状况ConditionofdiscontinuitiesNote1224:A.5地下水GroundwaterWet74:B节理走向调整AdjustmentforjointorientationNote2-5Total592023/1/14岩石类型Rocktype类Class组Group纹理Texture粗糙Coarse中等Medium细腻Fine纹理非常精细Veryfine沉积Sedimentary碎屑（状）Clastic砾岩Conglomerate(21±3)a砂岩Sandstone17±4粉砂岩Siltstone7±2粘土岩Claystone4±2角砾岩Breccia(19±5)硬砂岩Greywacke(18±3)页岩Shale(6±2)泥灰岩(7±2)无碎屑NonClastic碳酸Carbonate晶灰岩CrystallineLimestone(12±3)粗晶质灰岩SpariticLimestone(10±2)微晶质灰岩MicriticLimestone(9±2)白云石Dolomite(9±3)蒸发岩Evaporite石膏岩Gypsum8±2硬石膏;无水石膏Anhydrite12±2有机岩Organic白垩岩Chalk7±2变质岩Metamorphic非叶理狀Nonfoliated大理石Marble9±3角页岩Hornfels(19±4)石英岩Quartzite20±3变质砂岩Metasandstone(19±3)轻微叶理狀Slightlyfoliated混合岩Migmatite（29±3）角闪岩Amphibolite26±6片麻岩Gneiss28±5叶理狀（Foliatedb）片岩Schist12±3千枚岩Phyllite（7±3）板岩Slate7±4火成岩Igneous深成岩Plutonic亮Light花岗岩Granite32±3闪长岩Diorite25±5花岗闪长岩Granodiorite(29±3)黑Dark辉长岩Gabbro27±3辉绿岩Dolerite(16±5)苏长岩Norite20±5浅成岩HypabyssalPorphyrie(20±5)辉绿岩Diabase(15±5)橄榄岩Peridotite(25±5)火山岩Volcanic熔岩Lava流纹岩Rhyolite(25±5)英安岩Dacite(25±3)黑曜石Obsidian(19±3)安山岩Andesite25±5玄武岩Basalt(25±5)火山碎屑Pyroclastic结块岩Agglomerate(19±3)角砾岩Breccia(19±5)凝灰岩Tuff(13±5):不同岩石mi值

24/56d）成桩工艺影响嵌岩桩承载特性机理施工工艺：孔壁粗糙度、桩底沉渣厚度、泥皮厚度，影响着桩岩侧阻力及整体承载力的表现。二、荷载传递机理成桩工艺的改进成孔时间影响泥皮影响孔壁粗糙度桩底沉渣承载特性机理东南大学土木学院研究思路工程应用提出合理的设计方法揭示嵌岩桩的承载机理桩径变化嵌岩深度桩底沉渣孔壁粗糙度岩石特性26/561、尺寸效应研究尺寸效应明显存在，相关公式难以实际应用。三、理论研究某电网调度中心大楼现场实测结果3理论研究东南大学土木学院27/56研究思路现场测试试桩处岩层的桩侧与桩端阻力对超大直径桩实测结果进行验证并结合有限元进行比对分析。根据O’Neil和Hassan(1994)提出的双曲线荷载传递模型理论对超大直径嵌岩桩进行拟合分析；三、理论研究东南大学土木学院28/56某大桥现场d=1.0m小桩的对比分析三、理论研究东南大学土木学院29/56推导D=4.0m的荷载与沉降关系曲线三、理论研究东南大学土木学院30/562、孔壁粗糙度研究三、理论研究1982年，加拿大的Horvath提出了用凹凸度因子RF来描述孔壁粗糙度的定量方法（成孔仪测）为孔壁半径的平均值（mm）为钻孔的深度为沿着钻孔深度方向剖面曲线的总长度（mm）为凸出部分径向扩大尺寸的平均值（mm）东南大学土木学院31/56在桩顶荷载作用下，桩首先发生轴向位移，并且沿孔壁方向发生侧向剪胀，孔壁的凹凸限制了桩的滑移，增强了法向应力，进而提高了桩侧的阻力，孔壁粗糙时的径向和切向应力都大于孔壁光滑时的相应值，承载机理三、理论研究东南大学土木学院32/56影响嵌岩桩孔壁粗糙度的因素

施工工艺对粗糙度的影响

岩石强度对孔壁粗糙度的影响

岩石节理对孔壁粗糙度的影响

岩石的成层性对孔壁粗糙度的影响三、理论研究东南大学土木学院33/563、桩底沉渣对嵌岩桩承载特性影响无论是在嵌岩桩的理论计算还是设计施工时，桩底沉渣始终是一个很棘手的问题，我们必须承认这样一个事实，实际操作时桩底沉渣不可能保证百分之百的清除干净，如何确定桩底沉渣厚度及其对嵌岩桩承载力的影响就成为一个亟待解决的问题。通过引用典型事例探讨桩端沉渣对嵌岩桩承载性状的影响。三、理论研究东南大学土木学院34/56a)L=1Db)L=2Dc)L=3Dd)L=5De)L=10D1—轴力传递曲线（无沉渣）2—轴力传递曲线（有沉渣）3—桩侧阻力曲线（有沉渣）4—桩侧阻力曲线（无沉渣）桩底沉渣三、理论研究东南大学土木学院35/56最佳嵌岩深度三、理论研究东南大学土木学院36/56

室内模型试验一试验研究

室外原位试验

室内模型试验二尺寸效应对嵌岩桩承载特性影响孔壁粗糙度及桩底沉渣对嵌岩桩承载特性影响四、室内试验研究4室内试验研究东南大学土木学院37/56试验1：尺寸效应对嵌岩桩承载特性影响

主要思路：改变桩径大小及嵌岩深度。

四、室内试验研究

岩体：采用砂子、水泥、石膏粉、水的以一定的配合比搅拌后形成。

桩体：采用有机玻璃东南大学土木学院38/56

四、室内试验研究东南大学土木学院39/56试验设施及加载系统

反力架试验槽加载油泵油压千斤顶四、室内试验研究东南大学土木学院40/56试验准备工作

四、室内试验研究东南大学土木学院41/56试验结果四、室内试验研究东南大学土木学院42/56各试桩Q-S曲线会随着嵌岩比的增大而变得平缓，在相同桩顶荷载作用下,其桩顶沉降会随嵌岩比的增大而减小四、室内试验研究东南大学土木学院43/56

当桩径相同而嵌岩比增加时，图中三条直线的斜率总的来说会随嵌岩比的增加而变得越平缓。四、室内试验研究嵌岩深度的影响东南大学土木学院44/56试验轴力

四、室内试验研究东南大学土木学院45/56四、室内试验研究桩侧阻力东南大学土木学院46/56桩径、嵌岩比与嵌岩比与桩端荷载桩侧摩阻力的关系占桩顶荷载百分比的关系

桩径增大，侧向变形减小，作用在桩周岩石上的法向应力随之减小，导致桩侧摩阻力的下降。Qb/Q(%)(桩端荷载占桩顶荷载比)随嵌岩比n=HR/D增大而减小，4≤嵌岩比n＜6时，Qb/Q(%)递减明显；当6≤嵌岩比n＜8时，Qb/Q(%)递减平缓，此时，桩顶荷载主要由桩-岩侧阻力来承担。桩较长时，桩身压缩较大，桩岩相对位移较大，足以使侧阻充分发挥。

四、室内试验研究东南大学土木学院47/56试验2：孔壁粗糙度及桩底沉渣的影响孔壁粗糙度的定量计算方法：四、室内试验研究东南大学土木学院48/56

桩底沉渣的模拟和实际有些差别，桩底沉渣在实际工程中弹模很小，变形很大，基本不具备太大的承载力，为了减小试验的难度，决定采用3cm厚泡沫模模拟。桩底泡沫桩底泡沫固定四、室内试验研究东南大学土木学院49/56组别桩号孔壁粗糙度因子桩底情况第一组P10沉渣P20密实第二组P30.040沉渣P40.040密实第三组P50.087沉渣P60.087密实第四组P70.127沉渣P80.127密实第五组P90.232沉渣P100.232密实四、室内试验研究分组情况东南大学土木学院50/56（a）桩底存在沉渣（b）桩底密实桩身光滑与粗糙时的承载力四、室内试验研究不论桩底密实与否，孔壁粗糙的影响是显而易见的。东南大学土木学院51/56（a）桩底存在沉渣（b）桩底密实不同粗糙度下试桩Q-S曲线

四、室内试验研究东南大学土木学院52/56孔壁粗糙度对侧阻力的影响（a）试桩P1（a）试桩P2（b）试桩P3（b）试桩P4四、室内试验研究东南大学土木学院53/56孔壁粗糙度对端阻力的影响

当粗糙度较小时，试桩P4、P6桩端阻力与桩端位移基本成直线分布，当试桩P8粗糙度因子增大到0.127，曲线也开始较为平缓，说明端阻力发挥所需要的位移也相对较小，曲线后半段慢慢下降，说明桩端阻力逐渐得到发挥。当试桩P10粗糙度因子增大到0.232，桩端阻力和位移又几乎为直线分布，且同试桩P6的曲线比较接近，说明孔壁粗糙度的对提高桩端阻力的发挥是有利的，但也不是越大越好，超过一定数值反而有所减弱。四、室内试验研究桩端密实东南大学土木学院国外文章要求？？54/56

对国内外1000多根嵌岩桩进行了现场测试于分析。

如：贵州坝陵河大桥重庆乌江特大桥青岛海湾大桥浙江西喉门大桥南京长江三桥南京紫峰大厦主要工程五、现场原位试验5现场原位试验东南大学土木学院55/56数值模拟对比分析五、现场原位试验东南大学土木学院56/56六、嵌岩桩承载力计算6嵌岩桩承载力计算《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)对嵌岩桩设计尚未明确设计方法，当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩石中，按端承桩公式估算单桩竖向承载力。

东南大学土木学院57/56六、嵌岩桩承载力计算《建筑桩基设计规范》(JGJ94－2008)规定桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力，由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成。当根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算：

嵌岩深径比hr/d0.000.501.002.003.004.005.006.007.008.00极软岩、软岩0.60