岩基中桩墩基础的端部设计

岩基中桩墩基础的端部设计针对岩溶地区较普遍的石笋(芽)地基、风化岩石地基地质条件，结合现行设计规范及已建工程试验资料，讨论垂直荷载作用嵌岩桩、横向荷载作用下嵌岩桩、扩底桩以及桩底加设锚杆等有关桩(墩)基础的端部设计问题。引言山区的一般岩面离地面较近，覆盖土层不厚，工程中常采用变形小承载力高的基岩为持力层的大直径灌注桩基础(桩径大于800mm，又称为墩)。为了提高单桩承载力，保证桩基的稳定性，常根据具体地质条件(如覆盖地层厚度及工程性质、岩石风化程度及地下水)、荷载性质、荷载大小和施工条件，将桩端嵌入较完整基岩内一定深度(嵌岩桩)，或将桩底面积扩大(扩底桩)，或在桩底加设锚杆锚进基岩一定深度。现行各有关设计规范对上述桩端形式相应的单桩承载力的确定，虽已提出计算模式，但各规范并不完全统一，同时各计算模式也难以全面考虑不同地质条件的影响因素。因此本文针对岩溶地区石笋(芽)地基嵌岩桩、风化带中碎裂结构基岩的扩底桩承载力计算及锚杆的应用等问题进行讨论。1竖直荷载作用下嵌岩桩计算莲工程设计中分摆别根据竖直荷捞载、横向荷载羽采用相应的单装桩承载力计算刊式确定其嵌岩火深度，选取其俩中较大值作为赵控制深度，并汪应满足构造要蜡求。我国现行四规范中对嵌岩友桩竖直单桩承追载力提出了两湖种计算模式，礼一种是建筑地断基基础规堡范谅(GBJ忘7翠—卵89孕)棉的计算模式：稠只计算基岩端辉阻力，嵌岩深爸度按构造要求钉确定，不小顺于忙0.5金m惰，要求桩底以恼下三倍桩径范赏围内无软弱夹帐层、断裂带、漠洞隙分布；在女桩端应力扩散纸范围内无岩体脸临空面，当桩沃底直接置于基沉岩，其间无虚赛土存在时其岩丑石地基承载力粮，可采用岩基常载荷试验方法堂确定，也可采亮用岩石饱和单币轴抗压强度标吧准值乘以考虑晕岩石风化程度什等影响因素的京折减系数。第读二种是建筑桩捎基技术规唱范港(JGJ9寄4校—急94险)叔的计算模式：矿不仅考虑计算珍嵌岩段端阻和俘侧阻力，而且产还计算桩身周舱围覆盖土层侧雄阻力。比图歌1两种计算模式的不同点是侧阻力是否计算。其共同点是：对岩面起伏不大的较完整基岩，均可采用岩石单轴抗压强度为计算承载力的计算参数。第二种模式是综合近十年来的大量模型与原型试验研究成果和工程应用经验提出的，比较符合实际；但是对岩溶地区石笋地基，由于岩体形状奇特多变，多为大小不等的石芽柱体，加之处于地表以下很难查明，如果桩端位于图1所示石笋部位，由于嵌入段桩侧孔壁岩体很薄，岩坡面与桩壁夹角δ小于桩侧压力扩散角θ，根据文献［1］，θ角可视为在平整岩基达到极限破坏时岩体破裂角，与岩石单轴抗压强度Rc有关，根据统计分析，θ=Rc/2.1；因此嵌入段桩侧石笋不能按照岩面平整岩体一样传递荷载，主要由桩底传递荷载，故石笋地基可不计入嵌岩段侧阻力。另外，由于山区覆盖土层不厚，桩径比较小(一般不大于8～10)，桩土间相对位移很小，一般不足5mm，而粘性土发挥极限侧阻力对应的相对位移一般为5～7mm，因此，桩侧土的侧阻力不能充分发挥则可以不计。综上所述，石笋岩基的嵌岩桩竖向单桩承载力可采用第一种计算模式，即不计桩侧阻力，只计桩端阻力；还有桩底石笋体横截面很小可能与桩底面大小相近，岩体受力状态与柱体受压状态相似，又根据已建工程试验结果及分析［2］，由载荷试验确定地基承载力设计值一般大于单轴抗压强度确定的地基承载力f=6000kPa，在现场载荷试验加至67900kPa，基岩未出现任何破坏迹象。因此，为安全起见，石笋地基不宜采用现场载荷试验确定地基承载力，岩石地基承载力按岩石饱和或天然湿度(泥质岩石)条件下单轴受压强度乘以折减系数计算比较安全可靠。2横向荷载作用下嵌岩桩的计算袄当覆盖土层很皇薄，横向荷载午较大时，还需溜将桩端嵌入基棒岩一定深度，毁以保证桩基的馒稳定性。计算恳时如不考虑覆鄙盖土层的作用碰，嵌入基础的冒深度则与嵌固绕处丹(丹完整岩石暖面年)俊的内力及岩石禾强度有关，根翅据文献境［羊3柿］嵌岩深碧度杜(h叠)掀一般有两种近写似计算方法，惹第一种方法：随不考虑水平剪餐力代Q庭作用，假设嵌堂固处的弯矩由列嵌入段侧壁岩颈层承担，桩底枣不考虑抵抗弯践矩，如半图让2酿所示，要求境：获σ先max羡≤确KC悟B狸；式榴中挤K乏为水平方向与促竖向岩石强度悟之比食，寸K=0.含5阻～裤1.渡0寸；像C黑为考虑裂隙影裕响的折减系数吹，木C梅≈低0.赤5排；毅R坦为妇d=干7淡～甩10c模m荒、试件绿高惊≈巧d(摧d捎为桩嘉径倒)口，天然湿度条籍件下岩石单轴棕极限抗压强朝度酸(kPa街)彩。由静力平宵衡嚷(汇∑塌M=0亡)痛得：张图西2图3第二种方法是近似考虑嵌固处(完整岩石面)水平剪力Q所引起弯矩的影响，图3所示。当M和Q同时作用时，可在h/2处施加一对大小相等、方向相反的水平力Q和附加力Qh/2，则总力矩为M+Qh/2。参照第一种近似法，则得：以上两种近似法均未考虑桩底作用，也未考虑剪力Q作用对嵌入段侧壁岩层产生的均匀压力，对于完整岩石，岩面较平，嵌入段侧壁较厚是安全的；但对图1石笋处的嵌岩桩，因侧壁可能很薄(不易查明)，可能不能承担弯矩M的作用，更不能承担弯矩、剪力同时作用。由上述，则对石笋地基的横向荷载作用下的嵌岩深度不能盲目的采用上述两种近似方法。为安全起见，建议考虑桩侧覆盖土层及嵌岩段岩石作用，采用m值法计算，对于h＜2.5/α的刚性桩，可按如图4假设计算，图中ω为基底中心A点转角，PA为嵌入段底部桩侧岩层水平阻力，依据∑MA=0，可得：依据∑x=0，可得PA，因石笋处嵌入段侧壁岩层可能很薄，不能承担PA，故令PA=0，即得：因此：盈式中惊：聪鹅h谊—完—类桩顶覆盖土层捞以下桩的总深赢度刃C其0三—郊—梅岩石地基弹性裳抗力系数叹m唱—点—瓶桩周土体的侧晌向比例系数叹b主0扭—反—尘桩的计算宽度小W誉—坑—隙基底截面模量那慕图泊4这种方法确定深度，除非覆盖土层很厚，m值很大，否则难满足要求，只得加大嵌入石笋内一定深度，这样显然不经济。3扩底桩设计猴扩底桩一般用钩于基岩承载力胡低于桩身材强锻度的中风化、乒强风化岩石地骆基。扩底闷端誉(监扩大乳头老)两底面有锅底形起及平底形，前屈者可以减小地系基沉降量；但塞因岩石地基沉斑降晋变形小，同时减为方便施工，懂一般采用平底失坑，其单桩承再载力也有两种踏计算模式，即高一种只计算端读阻力，或按浅疮基础设计；另铺一种不仅考虑胞端阻力，同时苦也考虑扩大头丈变截面以上的尖桩侧岩土阻力警。工程实践及丰试验研究表明祥，大直径扩底渠桩受力机理不执同于等截面桩鉴，也不同于浅教基础，因而后龟一种计算模式启比较符合实际阴。近期颁布的快《建筑桩基础朴规范》及《高淋层建筑岩土工铸程》勘察规陶程欣(JGJ7米2病—墨90琴)云均采用后一种杨模式。如前所史述，当覆盖土扔层不深、桩长捞较短时，桩侧乘覆盖土层侧阻垃力不易发挥，铃可以不计姐，塘JGJ7咱2设—领9场0管规定桩身长度碧小聪于铅6聚m禁时，不宜计算前桩身摩阻力；圆桩身长度超摩过凤6乔m爽可以计算桩身蚕摩阻力，但宜黎扣除两倍扩大犹头斜面高度段撑的摩阻力。工家程实践试验证燥明对于中等风阁化岩石，可根猛据岩石单轴极妥限抗压强度计需算端阻和侧阻鲜；对于强风化笔岩层，由于岩虎土范围太广，内上至中风化岩减石下限，下至坛松散残积土，跪抵抗变形能力但及承载能力变吩化也较大。如挣图痛5纱为一组不同风琴化程度白云岩撒，岩基载荷试势验荷屡载爹P骂与沉降变种形究S朱关系曲线么［堆2愿］益，户1奥、阿2孕线试点基岩为减碎块及白云砂疼混险合经(黄挖掘取样分析鼓各免约荡50%举)雨，比例界限平马均煌为丝640KP示a愉，相应沉降量倾为拒2.0m己m仙；听3期线试点基岩裂偏隙闭合，岩块伤面显白砂忘；常4缺线试点基岩为椅接近中风化，舅裂隙闭合，有铺一定结合力，换用手可拆开，布可挖掘苏；搂3欣、环4间两试点均加载挑至音3000KP葱a冈，捐P俱～顷S竞曲线仍呈线性联关系，未见破颤坏。从上述试维验结果说明，量风化岩基套用栽松散碎石类土盒的经验值不一抖定恰当，宜采过用现场载荷试氏验确定。该工东程选择风化程香度父与蜻4躁试点相近的基踢岩为持力层。战试验证明，桩微受力后扩大头属斜面与相连的可土层脱开，因傻此为了确定地擦基侧阻力与端晶阻力，该工程触在试锡点幕3泄处，如事图贯5(b吓)邪，采用底部脱拉空嵌岩桩求其坐平均摩阻力。越桩田径疗D=300悄m北m恳，桩长分别猫为跪450m厘m心、木500m诸m估；相危应勒P惠～踏S锻曲线为名图满5鼠中加5悉、为6消线，可以看出慨长桩的摩阻力耍大于短桩的摩译阻力。因此按眠短桩的比例界掏限江(龙P粗r惨=120KP抓a造)森作为强风化岩截层侧阻力的标饰准，相书应清S=3.8m嘱m三相应略的缘P冠值偶(P=200拘0KPa睁)赛作为端阻力标式准值。这样英按批4末点要求确定持女力层，戴按菠3允点经验确定端捕阻力、侧阻力点进行设计，未麻作变形计算，尝多个实际工程温证明是安全可厘行的。因此对堪于强风化基岩跨，采用现场载形荷试验确定端邀阻力和摩阻力便比较安全可靠饰。厦兆乞蓄舍过脆婚键坚玉券图5句(a)抽p嫂～潜s裳曲线萝；统(b克)观底部脱空嵌岩籍桩颈4睛棚锚杆的应用押锚杆过去多用繁于岩土边坡工谷程，当今也是保高层建筑在岩夹基中各种基础辟形式的一种很妈好的辅助措施齿，如《钢筋混老凝土高层建设季结构设计与施库工规程附》须(JGJ站3钞—寸91鸦)蠢明确规定当基方础落在岩石上辆时，可不设地晓下室，但应采桌用地锚等措施暴；又如当地下苍室埋深小于构崇造要求时，可仅在支立于岩面团的基底加设锚饮杆或其它锚固与措施，锚固于袭完整基岩内。牲锚杆用于岩基辟中桩墩基础主探要有两种目的努，一种是为了背承受由横向荷充载产生的上拔断力；另一种是岸是为了改善基吴岩受力条件，声保证桩基稳定姑，分别讨论如油下。意当横向荷载很庸大，覆盖土层星很厚，窃按黎m荣值法计算，桩船入土深度不能愿满足要求。如芳果不考虑覆盖察土层作用，采量用将桩端嵌入禾完整岩石内又胃无条件，如前魄所述石笋地基猎情况，则可采州用锚杆。锚杆缠设计计算可按亩《建筑地基基糊础设计规范》稿执行，据资料找［殿4旱］介绍，按计龙算锚杆在岩层浮中所需的锚固壶长度一般只需扣要爱2爸m喉就能满足要求痛。但在实施时梅，为了保证岩旋层中锚杆的可意靠性，须防个里别被裂隙分割创的岩块承受拉脖力后发生松动智。因此，建议仰应使用灌浆锚歌固段达到岩层盈内肢部冻(辆除去表面风化萍层榴)鞭的深度不小丙于垃4奖m菊。群在岩溶地区，砌地面以下岩面损起伏，石笋体催形复杂，桩端溪嵌入石笋中的烛位置不同，岩视体内部各处应规力状态也不同赵，个别处还可宫能出现拉应力溜。如果在桩底毁采用锚杆穿过樱拉应力区伸入桌到较深的基岩旬内，就可改善供岩体受力状态要，通过锚杆施倒工钻孔过程，佣还可查明在桩怪底岩体内是否樱有软弱夹层溶戚洞。当桩端处百于石笋坡面时腹，采用锚杆可香防止桩端滑移灾以及桩底顺坡洪面岩层曲折破唉坏。出5倚冤结论及讨论说工程试验证明弦［终1批］袍，当岩面较平临整，桩的嵌岩穿深度超似过敬2做倍桩径时，桩敏侧嵌固力约占泪总荷盒载释50国%或以上。随着嵌泥固深度增加，拜承载力也随之辞增大。但嵌固饥深度超言过全3耕倍桩径以上，呢承载力增长不题大，则嵌固深刃度不宜过大。帆另外，在进行景桩端设计时，忘不仅要考虑荷晴载大小、性质恳、地质条件、拢施工条件，还贿应注意经济效饱果。如果处理锯不当，不仅给汗施工造成困难耽，还将使造价灾大大提高，据竭深圳对数个工旁程概略统计平［盾5耳］婆，嵌入岩层深蒜度占桩长比例品每增冰加童10书%衡，每米桩长平屯均造价约增凤加女40棕%娱。如果采用人参工挖桩，是不特宜采用加深嵌久岩深度来提高食桩基承载力的鸭。糕关于嵌岩桩嵌积岩深度构造要钢求较，寻GBJ茂7抖—唱8振9慢与街GBJ9活4坑—锣9素4当也不完全相同们。前者要求嵌拳岩深度大危于必0.5闭m蜻，且要求桩底爆以下三倍桩径候范围内岩石比划较完整且无临膀空面。后者要断求当岩面较为肾平整，且上覆掩土层较厚时宜告采纠用弓0.2题m晌或不小奸于谈0.2以m尊，石笋密布地歼区应全断面嵌辞入基岩。由于挑人工挖孔桩能绪直接检查孔底器情况，笔者常花按后者要求，稻嵌岩深度取羊为段0.2迷m伍，对于钻孔验桩彻(梅尤其是水否下命)辆笔者认为采用交前者要求的构辛造深度较妥。盏逼锄嚼凡挨壳姐包崇图板6耻勾杠层状块体地基或内的最大压应爪力图域(a号)翠均匀介质乳；在(b袄)鹿α泳=45协°融；接(c刘)孙α详=30径°担；汇(d榨)盖α顾=90°偏对重要的高层容建筑，荷载较胖大须查明石捎笋搞(晃芽俯)毁体形及分布情西况，必要时可亭挖除石笋周围略覆盖土层充填虽混凝土，或凿看平石笋，将地浮下室底板直接用放在岩面上，绪在覆盖土层很吊薄的情况下，目这也是工程上功常见用的方案横。粉在分析桩底溶剩洞顶板稳定性副时，须注意层根状岩体一般为参横观各向同性米，与均质各向伟同性弹性理论膜的分析结果是纲不同的，扎西占耶夫研究了倾爆斜层状岩基在挂其层理面方向血与荷载方向的帽夹孙角龙α幕不同时的应力劳分布特性座［河6蓄］犹如骤图腊6偶。为说明岩溶叼分布的不利影老响，现取谜图谅6(d赚)陶α岩=冷0跨时极端情况讨骆论：由图可知萌，所有应力都匠直接沿层面方雅向传递，一直围传到岩层末端窝，应力分布图企伸展很深。如尝果层理面强度做软弱，沿水平敲方向扩散范围领很窄，几乎在块桩底面范围的奔岩层内。如果揭在此范围任何宽深度处存在溶迷洞或软弱夹层绳，或当沿水平涨层理面方向，段岩层完整性连尼续性较差时，缎则将可能发生麦冲切破坏。因俭此，有时在桩湖端下三倍桩径依范围外有溶洞通，也可能是不艺安全的，因而拉重要工程桩底刻须穿过溶洞支厅于完整基岩面山。参考文献琴1秤指黄求察顺誉.剑嵌岩桩承载力但的试验研兼究群.鹊(慨全国建筑桩基戴技术规范专题存报曾告蹄).1990他2腐辟杨世乔忠究.赤岩石强风化乡槽吨(追带挽)鼠中的桩墩基爱础充.扬见：中国建筑厌学会地基础学浸术委员滴会眠199断2称年论文致集制(裙桩基础专崭辑绩)科.予太原：山西高豪校联合出版已社级.1992超3糟位胡人礼编鼠著现.座桥梁桩基础分浪析和设怕计燃.饱北京：中国铁抹道出版社感，列1987忙4领储曾国熙等主婶编董.侄地基处理手啊册唱.妖北京：中国建纠筑工业出版社报，股1994巡5弦惭刘金砺主柿编岛.撇桩基工程设计销与施工技唉术羽.屡北京：中国建截材出版社插，常1994结6忌挖华东水利学院螺编务.晶岩石力蓬学鹿.哥北京：水利出徒版社断，碑1981(P拜27界2吴～嘱273)混B