梅瑞

（南京江寧區(qū)住建工程設(shè)計(jì)審查中心，江蘇 南京 211100）

嵌巖灌注樁承載力的探討

梅瑞

（南京江寧區(qū)住建工程設(shè)計(jì)審查中心，江蘇 南京 211100）

介紹了嵌巖灌注樁承載力的計(jì)算，對(duì)嵌巖灌注樁的承載特性、樁側(cè)阻力與樁端阻力的關(guān)系、樁端阻力難以發(fā)揮的原因、施工中遇到的問題進(jìn)行了探討。

嵌巖灌注樁；樁側(cè)阻力；樁端阻力；摩擦樁；端承樁

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑物和大型構(gòu)筑物越來越多，單樁設(shè)計(jì)的承載力越來越高。為了滿足設(shè)計(jì)樁基高承載力的要求，設(shè)計(jì)者不得不采取加大樁身截面、提高樁身混凝土強(qiáng)度的方法；另一方面，采取加大樁長(zhǎng)、將樁基嵌入到基巖，即采用嵌巖灌注樁的方法。

將灌注樁設(shè)計(jì)為嵌巖樁，可以充分利用基巖高承載力、低壓縮性的特點(diǎn)，大幅度提高單樁承載力，降低建筑物的沉降，提高建筑物的抗震性能。

但是，由于人們對(duì)嵌巖灌注樁的承載機(jī)理和荷載傳遞特性以及上覆土層情況認(rèn)識(shí)不足，因而片面強(qiáng)調(diào)了嵌巖，增大嵌巖深度，甚至在基巖上采用樁基擴(kuò)大頭的方法，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻使得設(shè)計(jì)并未達(dá)到預(yù)期的目的，同時(shí)給施工帶來了諸多困難，給國(guó)家造成了經(jīng)濟(jì)損失。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大直徑灌注樁是否嵌巖，嵌巖效果如何已做過許多試驗(yàn)研究。為滿足高承載力設(shè)計(jì)要求，使得基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)、安全、可靠，因此有必要針對(duì)嵌巖樁的承載性狀以及設(shè)計(jì)施工中的問題進(jìn)行討論。

1 單樁承載力計(jì)算

1.1 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）

單樁豎向承載力特征值計(jì)算公式如下：

ξr—樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，與嵌巖深徑比hr/d、巖石軟硬程度和成樁工藝有關(guān)，一般hr/d越大，ξr越大。

1.2 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）

當(dāng)樁嵌入完整基巖，樁長(zhǎng)較短、嵌入較淺時(shí)：

1.3 《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》

1.4 《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》

從以上規(guī)范可看出，嵌巖樁的單樁承載力由兩部分構(gòu)成，一是樁側(cè)總的摩阻力，另一個(gè)是嵌巖端的端阻力。表面上看，單樁的承載力由端阻力起控制作用。

2 嵌巖灌注樁的承載特性

2.1 嵌巖樁等價(jià)于非嵌巖樁，屬于摩擦樁

嵌巖灌注樁的設(shè)計(jì)，人們往往只考慮支承于基巖的樁端阻力的作用，不論樁的長(zhǎng)短或長(zhǎng)徑比的大小，在單樁承載力確定方法以及樁身配筋長(zhǎng)度上，一律把嵌巖灌注樁作為端承樁處理。大量的實(shí)測(cè)資料表明，嵌巖灌注樁在大多數(shù)情況下屬于摩擦樁而非端承樁。從圖1可看出。

（1）無論樁端是基巖層還是一般密實(shí)的粉砂層，樁身軸力隨深度遞減，嵌巖樁上覆土層的樁側(cè)摩阻力與非嵌巖樁一樣，在樁身受荷變形過程中，都被調(diào)動(dòng)起來，樁側(cè)摩阻力先發(fā)揮也容易發(fā)揮作用。

圖1 樁身軸力隨深度分布曲線

（2）由于樁側(cè)覆土層、風(fēng)化巖層的強(qiáng)度特性不同，對(duì)樁側(cè)阻力的貢獻(xiàn)也不同，表現(xiàn)在二者荷載—深度曲線（Q—H）的斜率dQ/dH不同。顯然，風(fēng)化巖層的強(qiáng)度大大高于上覆土層，嵌巖段樁側(cè)阻力較大，而上覆土層樁側(cè)阻力較小。因此嵌巖段樁側(cè)阻力對(duì)于分擔(dān)荷載起到極其重要的作用。

（3）無論樁端嵌入風(fēng)化巖還是落入粉砂層，樁長(zhǎng)達(dá)到一定深度后，樁端阻力都很小，樁端阻力均未完全發(fā)揮。

國(guó)內(nèi)外一些試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)樁的長(zhǎng)徑比L/ d=1～20時(shí)，嵌巖樁的端阻力占樁頂荷載比Qp/Q從100%降至30%；當(dāng)L/d=20～60時(shí)，Qp/Q一般不超過30%，大部分在20%以下，個(gè)別只有5%，與此相應(yīng)的樁側(cè)摩阻力比Qs/Q則隨樁的長(zhǎng)徑比L/d的增大而增大，一般在70%以上。

因此，當(dāng)L/d≥40時(shí)，上覆土層較厚且強(qiáng)度較高，樁頂荷載基本由提供的樁側(cè)摩阻力分擔(dān)，傳到嵌巖部分的力就很小。此時(shí)對(duì)于上覆土層深厚的大直徑嵌巖樁與支承于砂層的非嵌巖灌注樁承載性一樣，呈現(xiàn)摩擦性狀。

2.2 嵌巖樁不同于非嵌巖樁，屬于端承樁

當(dāng)樁的長(zhǎng)徑比L/d≤40，或上覆土層較薄且強(qiáng)度較低時(shí)，能提供的樁側(cè)摩阻力有限，這時(shí)非嵌巖樁不能達(dá)到設(shè)計(jì)荷載要求，樁頂荷載必然會(huì)傳遞到深層嵌巖部分，這時(shí)呈現(xiàn)端承樁性狀，因此將樁設(shè)計(jì)成嵌巖樁，以提高設(shè)計(jì)承載力。

2.3 嵌巖樁的深度大小

（1）《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）——對(duì)于嵌入傾斜的完整和較完整巖全斷面深度不宜小于0.4 d且不小于0.5 m，對(duì)于嵌入平整完整的堅(jiān)硬巖和較硬巖深度不宜小于0.2 d且不應(yīng)小于0.2 m。

（2）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）——灌注樁周邊嵌入完整和較完整的未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化硬質(zhì)巖體，最小深度不宜小于0.5 m。

（3）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了圓形樁計(jì)算公式：h=Mh/0.066BRaD

通常設(shè)計(jì)和施工時(shí)，嵌巖樁的深度取值都較大，一般在3 d以上。

關(guān)于嵌巖深度大小，人們似乎認(rèn)為嵌入越深，樁的承載力越高，其實(shí)這種想法是沒有依據(jù)的。實(shí)驗(yàn)證明：①在同一場(chǎng)地同一樁徑嵌入同一基巖層，但嵌巖深度不同的二根樁，當(dāng)其豎向承載力在未達(dá)到極限狀態(tài)之前，二根樁在嵌巖段的側(cè)摩阻力和端阻力之和是較接近的。②無論持力基巖層風(fēng)化程度高低，傳遞到樁端應(yīng)力隨嵌巖深度增大而變化：樁端應(yīng)力在基巖面較小，隨著深度增大而迅速增加，當(dāng)H/d=0.5左右時(shí)，增至最大；隨后，隨著深度增大而遞減，當(dāng)嵌巖深度達(dá)到5 d時(shí)，傳遞到樁端應(yīng)力接近于零。因此，增大嵌巖深度，只是增大施工難度和增加工程投資。建議嵌巖深度選用0.5～1.0 d，最大不超過1.5 m。

2.4 大部分實(shí)驗(yàn)中，嵌巖樁的破壞是以樁身強(qiáng)度破壞而終止試樁的。樁身周圍巖體強(qiáng)度并未完全發(fā)揮作用，更不可能產(chǎn)生巖體破壞。由于樁巖相對(duì)位移很小，所以端阻力發(fā)揮很小。因此可以適當(dāng)增加沉降量以促使端阻力和摩阻力的發(fā)揮，只是要控制沉降量的大小。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概況

鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)銀行與鎮(zhèn)江龍山鰻魚廠聯(lián)合建造26層的辦公綜合樓，該房屋位于鎮(zhèn)江市中心。鎮(zhèn)江市位于寧鎮(zhèn)山脈東段，北靠長(zhǎng)江，屬低山—丘陵地帶，擬建區(qū)屬?zèng)_積平原工程于質(zhì)區(qū)的一級(jí)階地工程地質(zhì)區(qū)，由于河流的沖刷堆積，原來的土層被剝蝕，新近沉積了一些軟弱土層，其下分別為第四紀(jì)上更新統(tǒng)一般粘性土、第四紀(jì)上更新統(tǒng)碎石土，風(fēng)化層及基巖，土層成分均勻，基巖面起伏不大。

3.2 設(shè)計(jì)方案

表1 工程地質(zhì)土質(zhì)分類一覽表

根據(jù)建筑上部結(jié)構(gòu)總重量及工程地質(zhì)報(bào)告提供的參數(shù)，基礎(chǔ)選用樁基，樁尖持力層為第10層基巖。從基巖頂板埋深等高線分布圖可以看出，呈倒扣的鍋底形，基巖埋深較深，如采用人工挖孔樁則施工難度大，又不安全。經(jīng)方案比較及結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖこ痰慕?jīng)驗(yàn)和施工條件，決定采用直徑為Φ1 000 mm的鉆孔灌注樁，通長(zhǎng)布置鋼筋籠。

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)鉆探報(bào)告，所提供的qpa、qsia為樁端阻力特征值、樁側(cè)阻力特征值，初步設(shè)計(jì)估算出單樁豎向承載力特征值:Ra=qpaAp+Up∑qsiaLi，Ap=1/ 4πD，Li=πD。算出結(jié)果：Ra=5433.7 kN，取Ra= 5 400 kN設(shè)計(jì)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）樁基的靜載試驗(yàn)為工程界公認(rèn)的最直接、最可靠地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定單樁豎向極限承載力的有效方法。因此設(shè)計(jì)中以靜載試驗(yàn)為主，輔以大應(yīng)變、小應(yīng)變方法，用來檢測(cè)樁的質(zhì)量和確定樁的豎向極限承載力。靜載試驗(yàn)采用錨樁壓重聯(lián)合裝置，慢速維持荷載法測(cè)定，單樁豎向極限承載力可根據(jù)沉降量來確定。該樁樁長(zhǎng)≥45 m，屬于端承摩擦樁，只要樁體質(zhì)量、施工有所保證，泥漿粘度、比重、含砂率在規(guī)定范圍內(nèi)，保證樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，那么該樁屬于緩變型Q-S曲線?？扇=40 mm對(duì)應(yīng)的荷載作為極限承載力取值，單樁豎向承載力特征值為極限承載力值除以2。

（2）由于地質(zhì)報(bào)告所提供的中風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖沒有明顯界限，中風(fēng)化巖的數(shù)值沒有提供，而實(shí)際打樁進(jìn)入第10層土后，進(jìn)尺非常困難，初步判定有一層中風(fēng)化巖，后鉆探部門補(bǔ)充資料，判定中風(fēng)化巖厚度不均，在0～7 m變化，因此根據(jù)鉆探部門逐步完善的數(shù)據(jù)，通過與甲方、施工單位的研討，分析了施工鉆機(jī)進(jìn)尺狀況，作如下處理：①對(duì)大部分樁，沒有中風(fēng)化巖層，要求樁嵌入微風(fēng)化巖，嵌入深度1 d樁徑。②少部分樁由于有中風(fēng)化巖層，巖深較厚，則嵌入中風(fēng)化巖2.0 m。

3.4 測(cè)試結(jié)果

本次共檢測(cè)7根鉆孔灌注樁，檢測(cè)原始資料用CAPWAPC，分析結(jié)果見表2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：只要樁端嵌入巖層一定深度，即能達(dá)到單樁的豎向承載力的要求，嵌巖樁的樁端反力占樁頂荷載的比例≤25.1%，屬于摩擦樁。

4 嵌巖灌注樁設(shè)計(jì)探討原因

4.1 造成嵌巖灌注樁樁端反力難以發(fā)揮而呈摩擦性狀的原因

（1）受樁長(zhǎng)影響。如今大型建筑越來越多，樁都很長(zhǎng)，樁徑也很大，而基巖埋深大，其上覆土層樁側(cè)摩阻力已相當(dāng)可觀，而樁底反力自然就小了。

（2）樁—巖位移要比樁—土位移小得多。此時(shí)樁—巖相對(duì)位移達(dá)到2～4 mm,樁身在嵌巖段的側(cè)阻力就能達(dá)到極限值，因此樁頂荷載很難傳遞到嵌巖樁的深層樁底部位。

（3）施工中，樁底沉渣不可能清除干凈，樁越長(zhǎng)，清渣越難，因此在樁終孔時(shí)，樁底總是殘留一部分沉渣，或者由于巖土被擾動(dòng)時(shí)，這部分沉渣層或擾動(dòng)層就形成一個(gè)可壓縮的軟墊。這一軟墊的壓縮，導(dǎo)致嵌巖樁段、巖體間樁身與巖體間產(chǎn)生相對(duì)位移。這樣樁頂荷載傳遞到嵌巖段時(shí)，首先使樁側(cè)阻力充分發(fā)揮出來，然后是樁底的沉渣壓實(shí)，最后才傳至樁端基巖，這樣樁端阻力發(fā)揮就很小。

表2 鉆孔灌注樁檢測(cè)分析

4.2 嵌巖灌注樁設(shè)計(jì)中不要盲目做擴(kuò)大頭的原因

（1）當(dāng)樁底產(chǎn)生一個(gè)很小的沉降后，擴(kuò)大頭側(cè)面與巖體接觸面會(huì)脫離。

（2）當(dāng)樁端巖層為硬質(zhì)巖，一般樁身混凝土強(qiáng)度為C30～C40，而基巖強(qiáng)度比樁身混凝土強(qiáng)度要高，因此在強(qiáng)度較高的巖體上鉆孔，甚至做擴(kuò)大頭，然后灌入比巖體強(qiáng)度低的樁身混凝土，得不償失。

（3）對(duì)于大部分嵌巖灌注樁都呈現(xiàn)摩擦型樁的特性，樁端阻力發(fā)揮總是滯后于樁側(cè)阻力，樁端阻力很難達(dá)到極限狀態(tài)。因此想通過采用擴(kuò)大直徑提高樁端阻力是無意義的。

5 施工中應(yīng)注意的問題

5.1 控制泥漿制備確保樁側(cè)摩阻力發(fā)揮

鉆孔灌注樁成孔過程形成了厚約1～2 cm厚的護(hù)壁泥漿圈，呈膠泥狀的泥漿圈的摩阻力是比較低的，樁在荷載作用下很可能沿混凝土與泥漿圈的膠結(jié)面或泥漿圈中的某一個(gè)界面發(fā)生滑移，使鋼筋混凝土樁身不能直接與樁側(cè)土體接觸，因此泥漿制備應(yīng)選用高塑性粘土或膨潤(rùn)土。

只有根據(jù)施工機(jī)械、工藝及穿越土層進(jìn)行泥漿的配合比設(shè)計(jì)，才能保證鉆孔灌注樁的成孔過程，保證樁身直徑。在清孔過程中，應(yīng)不斷置換泥漿，使其成樁之后，樁側(cè)不存在或存在很薄的泥漿，才能確保摩擦樁中主要摩阻力的發(fā)揮。

5.2 控制樁身的施工工藝，確保成樁質(zhì)量

鉆孔機(jī)具及工藝的選擇，應(yīng)根據(jù)樁型、樁孔深度、土層情況、泥漿排放及處理等條件綜合確定。對(duì)孔深大于30 m的樁，應(yīng)采用反循環(huán)工藝成孔或清孔。只有嚴(yán)格控制施工工藝的每一環(huán)節(jié)，才能確保樁身的成樁質(zhì)量，避免縮頸、斷樁或樁身夾泥等質(zhì)量事故。

5.3 控制樁底沉渣厚度確保嵌巖樁的端承力的發(fā)揮

規(guī)范要求孔底沉渣厚度在50 mm之內(nèi)，對(duì)于端承摩擦樁，孔底沉渣厚度≤100 mm。否則根據(jù)沉降量確定的極限承載力，控制在S-40 mm（非嵌巖樁60～80 mm）所對(duì)應(yīng)的荷載為極限承載力就很難保證。

6 結(jié)語

（1）在上覆土層較厚強(qiáng)度較高的情況下，當(dāng)依靠基巖以上的上覆土層計(jì)算的大直徑灌注樁的豎向承載力已大于設(shè)計(jì)所要求的承載力時(shí)，再將樁端嵌人中風(fēng)化以上程度的基巖，甚至加大嵌巖深度，加大樁的徑是不適宜的。

（2）當(dāng)計(jì)算出的單樁豎向承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，方可將樁嵌入基巖，以充分利用及基巖較高的樁側(cè)阻力、樁端阻力。但應(yīng)注意樁的長(zhǎng)徑比，適當(dāng)選擇嵌巖深度，一旦選擇較小的嵌巖深度能滿足設(shè)計(jì)承載力時(shí)，就不必為求安全而硬性規(guī)定嵌巖深度，不必拘泥于1倍或2倍樁徑。

（3）為了達(dá)到單樁設(shè)計(jì)豎向承載力，應(yīng)嚴(yán)格控制成孔成樁施工工藝和沉渣厚度。

總之，設(shè)計(jì)嵌巖灌注樁必須綜合樁的長(zhǎng)徑比、上覆土層情況、基巖的承載特性和成樁工藝，才能使得設(shè)計(jì)更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。

作者：梅瑞（1963-），女，本科，高級(jí)工程師，工業(yè)與民用建筑專業(yè)。

2014年中國(guó)水泥上市公司綜合實(shí)力排名公告（節(jié)）

為展示中國(guó)水泥行業(yè)上市公司的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，鼓勵(lì)水泥企業(yè)做優(yōu)做強(qiáng)，培育具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和影響力的龍頭企業(yè)，推動(dòng)水泥行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，中國(guó)水泥協(xié)會(huì)本著公開、公正、科學(xué)的原則，組織業(yè)內(nèi)專家和證券金融界的專家共同進(jìn)行了論證評(píng)選，現(xiàn)將2014年中國(guó)水泥上市公司綜合實(shí)力排名結(jié)果予以公告。

中國(guó)水泥協(xié)會(huì)

2014年7月18日

This paper introduces calculation of bearing capacity on bock socketed piles.The bearing characteristics on bock socketed piles,the relationship of pile side resistance and end resistance，the reason of difficulity to play on pile end resisistance，and problems encountered in the construction are discussed on lock socketed piles.

bock socketed piles；pile side resistance；pile end resistance；friction pile；end bearing pile

2014年中國(guó)水泥上市公司綜合實(shí)力排名表

?)（

2014-7-16）