摘""要：為判定大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)極限承載力，采用樁基礎(chǔ)豎向靜載荷試驗(yàn)方法、樁基礎(chǔ)承載力理論和泛函數(shù)分析方法，構(gòu)造嵌巖樁系統(tǒng)的勢(shì)能函數(shù)、比能函數(shù)，提出嵌巖樁極限承載力判定的比能對(duì)比法，即當(dāng)樁端應(yīng)力超過(guò)嵌巖段樁周巖體的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，嵌巖樁達(dá)到極限承載狀態(tài)。研究結(jié)果表明：嵌巖樁基礎(chǔ)極限承載力與嵌巖深徑比、巖體強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，比能對(duì)比法可以客觀判定嵌巖樁基礎(chǔ)極限承載力。研究結(jié)論為大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)極限承載力判定提供新的方法。

關(guān)鍵詞：嵌巖樁基礎(chǔ)；大直徑樁；極限承載力；載荷沉降曲線(xiàn)；比能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU44 """""""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """""""""""""文章編號(hào)：1008-0562（2024）06-0656-06

Study on determinations of ultimate bearing capacity of large diameter rock-socketed pile

CHENG Linggang¹， LIU Gangpeng²， BAI Jiangtao²， YANG Bo²， ZHANG Xin²

（1. China Communications Construction Urban Investment Holding Limited Company， China Communications Construction Limited Company， Beijing 100022， China; 2. Second Engineering Limited Company， China Communications Construction Group Limited Company， Nanchang 330038， China）

Abstract： For estimating the ultimate bearing capacity of large-diameter rock-socketed pile"foundation"（LDRSPF）， the vertical static load test method for pile foundations and pile foundation bearing capacity theories and universal function analysis method were used to construct the potential energy function specific energy function of rock-socketed pile （RSP）， and the specific energy comparison method （SECM） for determining the ultimate bearing capacity of RSP was proposed， that is， RSP reached the ultimate bearing state when the stress at the end of the pile exceeds the ultimate shear strength of the rock mass around the rock-socketed section. The results show that a positive correlation is between the ultimate bearing capacity of RSP and both the socketed depth-to-diameter ratio and the strength of the rock mass， and the ultimate bearing capacity of RSP may be objectively determined by the objectivity of SECM for determining. The research conclusion provides a new method for the ultimate bearing capacity of LDRSPF.

Key words： rock-socketed pile"foundation; large diameter pile; ultimate bearing capacity; load-settlement curve; specific energy

0 "引言

嵌巖樁基礎(chǔ)主要通過(guò)人工挖孔、沖擊鉆孔、旋挖鉆孔等成孔，進(jìn)而灌注混凝土成樁，具有承載力高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大體量、大載荷的建筑物和構(gòu)筑物^[1-2]。靜載荷試驗(yàn)的加載方法除了傳統(tǒng)的平臺(tái)堆重法、樁-反力梁法^[3-4]，還有群錨桿

反力梁法^[5]、自平衡法^[6-7]等。由于大直徑嵌巖樁承載力高，使用這些方法仍難以達(dá)到大直徑嵌巖樁的極限承載力，其載荷沉降曲線(xiàn)呈緩變型，難以根據(jù)載荷沉降曲線(xiàn)拐點(diǎn)判定極限承載力。

目前，確定大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)的極限承載力，需要通過(guò)樁基礎(chǔ)靜載荷試驗(yàn)方法獲得嵌巖樁基礎(chǔ)的樁頂載荷、樁頂沉降，進(jìn)而按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)

范》（JGJ"106—2014）^[8]的載荷-沉降曲線(xiàn)、沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線(xiàn)確定極限承載力，或?qū)?%樁徑沉降量對(duì)應(yīng)的樁頂載荷作為極限承載力。緩變型載荷沉降曲線(xiàn)下大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)的極限承載力判定方法可分為三類(lèi)。第一類(lèi)是通過(guò)理論方法確定極限承載力。楊石""春^[9]采用極限平衡理論和滑移面摩擦方法，建立了承載力增量的計(jì)算方法。劉艷敏等^[10]采用樁基礎(chǔ)載荷傳遞函數(shù)理論，構(gòu)造樁-巖界面膠結(jié)軟化載荷傳遞模型，分析載荷沉降曲線(xiàn)判定極限承載力及其不同工程地質(zhì)條件的適用性。第二類(lèi)是在緩變型載荷沉降曲線(xiàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)樁基礎(chǔ)的承載特性，提出新的極限承載力判定方法。DONG^[11]根據(jù)樁頂沉降、樁頂載荷的增量變化過(guò)程，采用突變理論、能量理論，提出單位載荷沉降增量-勢(shì)能曲線(xiàn)法（Ds/DQ-E曲線(xiàn)法）。解志等^[12]從樁周巖土體強(qiáng)度角度，分析了樁周巖土體強(qiáng)度與樁體能力的關(guān)系，為解決超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)的極限承載力判定問(wèn)題提供了新方案。第三類(lèi)是采用數(shù)值仿真分析方法，采用載荷增量極限分析方法^[13-14]或強(qiáng)度折減極限分析方法^[15-17]，獲取極限承載力。

嵌巖樁基礎(chǔ)呈現(xiàn)出大直徑、超長(zhǎng)樁的發(fā)展趨勢(shì)，單樁承載力顯著提高，樁頂載荷-位移曲線(xiàn)（Q-s曲線(xiàn)）更多呈現(xiàn)緩變型特點(diǎn)，原有的理論方法、經(jīng)驗(yàn)方法已經(jīng)不適合判定嵌巖樁極限承載力。同時(shí)，受到巖體離散性、力學(xué)非線(xiàn)性影響，現(xiàn)階段確定嵌巖樁基礎(chǔ)極限承載力的數(shù)值計(jì)算方法難以統(tǒng)一。因此，本文從大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)承載機(jī)理和破壞特征出發(fā)，構(gòu)造嵌巖基樁系統(tǒng)的承載力泛函數(shù)、勢(shì)能函數(shù)，分析不同的樁徑、嵌固深度、樁長(zhǎng)、巖體強(qiáng)度對(duì)大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)極限承載力的影響，探究嵌巖基樁系統(tǒng)比能與嵌固段巖體材料的極限抗剪強(qiáng)度關(guān)系，提出大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)極限承載力判定的比能對(duì)比法。

1 "嵌巖基樁的破壞模式與極限承載力確定方法

1.1 "嵌巖基樁的破壞模式

嵌巖樁基礎(chǔ)破壞模式主要由樁體強(qiáng)度和嵌巖段及其下部巖體的巖性決定^[18-19]，主要有以下類(lèi)型。

（1）樁體強(qiáng)度不足或長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大，導(dǎo)致樁體斷裂、失穩(wěn)，Q-s曲線(xiàn)表現(xiàn)為陡降型。

（2）嵌巖段及其下部巖體為完整、較為完整的堅(jiān)硬巖、較硬巖，巖體不易發(fā)生剪切破壞形成塑性區(qū)，巖體對(duì)嵌入樁體約束強(qiáng)，Q-s曲線(xiàn)表現(xiàn)為緩變型。

（3）嵌巖段巖體強(qiáng)度低（強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化軟巖），樁巖界面易產(chǎn)生剪切破壞，形成局部塑性變形，巖體對(duì)樁體徑向膨脹約束較第二類(lèi)情況的約束弱，在屈服荷載之前Q-s曲線(xiàn)平緩，之后到極限承載力之前，基樁Q-s曲線(xiàn)雖表現(xiàn)為緩變型，但曲率加大，極限承載力后出現(xiàn)傾斜曲線(xiàn)或陡降曲線(xiàn)。

（4）樁端巖體下存在軟弱結(jié)構(gòu)面、溶洞等，基樁受壓到一定荷載后，沿結(jié)構(gòu)面剪切破壞，或溶巖頂板發(fā)生沖切破壞、剪切破壞與彎拉破壞，Q-s曲線(xiàn)表現(xiàn)為陡降型。

1.2 "極限承載力確定方法

嵌巖基樁極限承載力的確定方法主要有靜載荷試驗(yàn)方法、經(jīng)驗(yàn)公式法、原位參數(shù)試驗(yàn)方法（確定嵌巖段阻力的巖基載荷板試驗(yàn)）和數(shù)值試驗(yàn)方法。目前，工程建設(shè)中采用靜載荷試驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)公式法，少量大體量、復(fù)雜工程的分析采用數(shù)值仿真試驗(yàn)輔助工程設(shè)計(jì)。大直徑基樁是樁徑D大于等于0.8 m的樁基礎(chǔ)，豎向承壓基樁破壞模式常表現(xiàn)為漸進(jìn)破壞，Q-s曲線(xiàn)表現(xiàn)為緩變型。

（1）豎向承壓靜載荷試驗(yàn)方法

嵌巖樁的靜載荷試驗(yàn)獲得的緩變型Q-s曲線(xiàn)較多，陡降型Q-s曲線(xiàn)較少，判定基樁極限承載力主要從沉降隨樁頂荷載變化、沉降隨時(shí)間變化、樁頂沉降量、樁頂沉降穩(wěn)定等方面確定。因嵌巖樁往往屬于大直徑樁基礎(chǔ)，也從沉降控制角度（上部結(jié)構(gòu)次生應(yīng)力控制）提出了s≤5%D（D為樁徑，s為樁頂沉降）的確定條件。在極限承載力判定的客觀性方面，陡降型Q-s曲線(xiàn)具有明確的物理意義。

（2）經(jīng)驗(yàn)公式法

經(jīng)驗(yàn)公式法^[20]是在大量工程試樁、室內(nèi)試驗(yàn)、巖土勘察參數(shù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到的，在樁基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)、校核中得到了廣泛應(yīng)用。主要形式有兩種，見(jiàn)式（1）和式（2）。

，"（1）

式中：Q_uk、Q_sk、Q_pk分別為基樁承載力特征值、側(cè)阻力特征值、端阻力特征值，kN；q_ski為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；q_pk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可以依據(jù)勘察報(bào)告或規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值確定，kPa；l_i為樁側(cè)第i層土的厚度，m；u為樁周長(zhǎng)，m；A_p為樁端面積，m²。

，"（2）

式中：Q_rk為嵌巖段樁端阻力的特征值，kN；f_r為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，kPa；z_r為嵌巖段側(cè)阻、端阻綜合系數(shù)，與嵌巖深徑比、巖石軟硬程度、成樁工藝等有關(guān)。

當(dāng)樁端為完整、較完整基巖時(shí)，可采用式（2）估算極限承載力。

目前的工程應(yīng)用研究表明，嵌巖樁基礎(chǔ)靜載荷試驗(yàn)確定的基樁極限承載力一般高于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的極限承載力。

2 "嵌巖基樁的比能對(duì)比方法

分析嵌巖基樁破壞特征和式（2），嵌巖樁基礎(chǔ)破壞主要是嵌巖段樁周巖體的破壞，與巖體強(qiáng)度、嵌巖深徑比、嵌巖段變形等因素密切相關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，假設(shè)嵌巖樁傳力系統(tǒng)中，未發(fā)生摩擦引起的能力損失，樁體發(fā)生彈性變形，卸載后出現(xiàn)的殘余沉降量為嵌巖段塑性變形。嵌巖基樁系統(tǒng)勢(shì)能為

，""""""（3）

式中：E₀為嵌固段樁體彈性模量，MPa；A為嵌固段樁體截面積，m²；L_q為嵌固段樁長(zhǎng)，m；Ds為嵌巖樁樁頂沉降量，m。

嵌巖基樁系統(tǒng)的比能為

，"""""""""（4）

式中，V_q為樁體體積，m³。

樁土系統(tǒng)中嵌巖段的抗剪強(qiáng)度可以采用折減后的巖心強(qiáng)度表示，即

。"""""""""（5）

當(dāng)嵌巖基樁系統(tǒng)比能達(dá)到嵌固段巖體材料的極限抗剪強(qiáng)度后，嵌固段巖體發(fā)生強(qiáng)度破壞或失穩(wěn)，基樁達(dá)到極限承載力，即樁體傳遞的應(yīng)力超過(guò)嵌巖段樁周巖體的最大抗剪強(qiáng)度，嵌巖段樁周巖體的極限抗剪強(qiáng)度為

。""""""""（6）

當(dāng)F_q/t_egt;1時(shí)，嵌巖段樁周巖體、界面出現(xiàn)塑性區(qū)，但受到周邊巖體的較強(qiáng)約束，限制了嵌巖段地基的變形。繼續(xù)施加樁頂荷載，樁體傳遞荷載使嵌巖段樁周巖體在一定范圍出現(xiàn)剪切破壞并連通塑性區(qū)，或樁體失穩(wěn)，樁頂沉降出現(xiàn)陡降變形。

3 嵌巖基樁極限承載力判定對(duì)比分析

3.1 "嵌巖基樁的極限承載力確定

某工程位于嘉陵江Ⅰ級(jí)階地，自上而下依次劃分為第四系全新統(tǒng)素填土（Q₄^ml），第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q₄^al+pl）粉土、粉砂、卵石，以及下伏侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J₃sn）泥巖。泥巖層有強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中等風(fēng)化泥巖兩個(gè)亞層，產(chǎn)狀近于水平。樁基礎(chǔ)嵌入中等風(fēng)化泥巖亞層。中等風(fēng)化泥巖層的巖芯較完整，裂隙較發(fā)育，巖芯呈短柱狀、長(zhǎng)柱狀，巖質(zhì)相對(duì)較硬，最大揭示厚度14.6 m，層間偶夾薄層破碎泥巖。

選取該工程10根檢驗(yàn)性試樁開(kāi)展極限承載力對(duì)比分析，嵌巖基樁和嵌巖段巖體參數(shù)見(jiàn)表1。從施工記錄、低應(yīng)變檢測(cè)獲取樁徑D、樁長(zhǎng)L、嵌巖段長(zhǎng)度L_q，由鉆芯取樣、抗壓試驗(yàn)獲取巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度f_r和混凝土抗壓強(qiáng)度f_c。參數(shù)b為嵌巖深徑比，即嵌巖基樁的嵌巖段深度與樁徑的比。分別采用Q-s曲線(xiàn)法、logQ-s曲線(xiàn)法、Ds/DQ-E曲線(xiàn)""""法^[15]、比能對(duì)比法，確定嵌巖基樁的極限承載力。

（1）Q-s曲線(xiàn)法

10根樁的Q-s曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

基樁樁頂沉降量區(qū)間為10.55～22 mm，均為緩變型Q-s曲線(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，若樁頂沉降量控制量s≤5%D，即樁頂沉降量控制值分別為40 mm、""""50 mm和60 mm，則極限承載力為樁頂沉降量對(duì)應(yīng)的載荷。嵌巖段深徑比最小的QY-4樁（b=1），其Q-s曲線(xiàn)也未出現(xiàn)陡降情況，但在Q超過(guò)2 760 kN后接近于直線(xiàn)，見(jiàn)圖1（b）。

（2）logQ-s曲線(xiàn)法

logQ-s曲線(xiàn)法適用于漸進(jìn)破壞的大直徑樁基礎(chǔ)極限承載力判定。QY-1～QY-10的logQ-s曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。當(dāng)曲線(xiàn)開(kāi)始平行于s軸時(shí)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的樁頂載荷為基樁的極限承載力。logQ-s曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)平行于s軸的情況，說(shuō)明隨著樁體沉降、膨脹，以及嵌巖深度增加，樁周巖體的約束增大，單位載荷嵌巖樁樁頂沉降減小。嵌巖段深徑比b=1（QY-4樁）的極限承載力為3 220 kN，見(jiàn)圖2（b）。b=3的QY-6、QY-10樁極限承載力分別為8 000 kN和9 630 kN，b=4的QY-5樁極限承載力為6 000 kN，b=5的QY-1、QY-2、QY-3、QY-7、QY-8、QY-9樁極限承載力分別為8 400 kN、8 800 kN、8 800 kN、 """""""7 200 kN、12 000 kN、8 400 kN。綜上，大直徑嵌巖基樁承載力主要由嵌巖段深徑比、嵌巖段樁周巖體強(qiáng)度控制。

（3）Ds/DQ-E曲線(xiàn)法

單位載荷沉降增量-勢(shì)能曲線(xiàn)法（Ds/DQ-E曲線(xiàn)法）是將基樁、樁周巖體視為兩個(gè)相互作用的承載子系統(tǒng)，樁周形成的樁端反力、樁周阻力共同作用于樁體上。若樁體在單位荷載增量DQ下出現(xiàn)沉降增量Ds趨于極小值，樁體勢(shì)能趨于局部極大值，即出現(xiàn)突變現(xiàn)象，表明樁周巖體系統(tǒng)發(fā)生塑性破壞，此時(shí)對(duì)應(yīng)的樁頂荷載為該樁的極限承載力。嵌巖基樁的Ds/DQ-E曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。除QY-4樁外，其他樁均表現(xiàn)出勢(shì)能激增趨勢(shì)，樁頂荷載最大加載量即為極限承載力。QY-4樁在Q超過(guò)2 760 kN后，曲線(xiàn)接近平行于E軸，單級(jí)加載下勢(shì)能增量提高了1倍，其極限承載力為2 760 kN。

（4）比能對(duì)比法

采用比能對(duì)比法計(jì)算嵌巖基樁的極限承載力，結(jié)果見(jiàn)表2，表中s₁和s₂分別為樁頂達(dá)到極限承載力時(shí)的樁頂沉降量和卸載完成后的樁頂沉降量。QY-4樁頂載荷為3 220 kN時(shí)，F_q/t_e=124.40%，樁體傳遞的應(yīng)力超過(guò)嵌巖段樁周巖體的最大抗剪強(qiáng)度，判定該級(jí)荷載為極限承載力。其他試樁的F_q/t_e介于5.98%～15.16%，均小于1.00，嵌巖樁樁頂?shù)淖畲蠹虞d量判定為嵌巖樁基礎(chǔ)的極限承載力。

采用上述4種方法得到的嵌巖基樁極限承載力見(jiàn)表3。QY-4樁、QY-5樁的樁徑均為0.8 m，嵌巖深度分別為0.8 m和3.2 m，嵌入段巖體的單軸飽和巖石抗壓強(qiáng)度均為6.99 MPa，b分別為1.0、4.0，采用比能對(duì)比法得到的極限承載力分別為 """"""3 220 kN、6 000 kN。QY-5樁極限承載力較QY-4樁嵌巖樁極限承載力提高了接近1倍，可知適當(dāng)加大嵌巖段深徑比可以提高單樁的極限承載力。QY-6樁、QY-10樁嵌巖段深徑比相同、巖體強(qiáng)度相近，f_r分別為6.92"MPa、6.99"MPa，極限承載力分別為8 000 kN、10 700 kN。QY-6樁直徑（1.0 m）小于QY-10樁直徑（1.2 m），QY-6樁極限承載力較QY-10樁極限承載力減小了約25.2%。QY-1、QY-7～QY-9樁的直徑均為1.2 m，嵌巖段深度為6 m，b=5，f_r介于6.11～6.36"MPa，極限承載力達(dá)到12 000 kN時(shí)，F_q/t_e介于5.98%～9.51%，總體小于b為1、3、4時(shí)F_q/t_e值。

3.2 "嵌巖深徑比對(duì)極限承載力的影響

與土基中基樁不同，嵌巖樁基礎(chǔ)在傳力過(guò)程中，嵌固段巖體強(qiáng)度較大，樁端嵌固段的巖體對(duì)所嵌入的樁體形成了較強(qiáng)的約束作用，樁端巖體壓縮變形量減小。選取表2中相同嵌巖深徑比的F_q/t_e，計(jì)算其平均值，并繪制β-F_q/t_e曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。

當(dāng)b=1時(shí)，如QY-4樁，該樁嵌巖深度雖滿(mǎn)足規(guī)范的嵌巖深度要求，但嵌巖段巖體約束弱，F_q/t_e=124.40%gt;1，樁端應(yīng)力超過(guò)嵌巖段樁周巖體的極限抗剪強(qiáng)度，說(shuō)明樁基礎(chǔ)已達(dá)到極限承載狀態(tài)。

當(dāng)b≥3時(shí)，樁體嵌固巖體較深，樁周巖體對(duì)樁體產(chǎn)生較強(qiáng)的約束，嵌巖基樁系統(tǒng)比能與嵌固段巖體抗剪強(qiáng)度之比（F_q/t_e）介于5.98%～15.16%，說(shuō)明樁頂載荷作用下的嵌固段巖體應(yīng)力遠(yuǎn)小于巖體極限抗剪強(qiáng)度，嵌巖樁未達(dá)到極限承載狀態(tài)。

比能對(duì)比法引入了巖土體強(qiáng)度準(zhǔn)則，注重巖土體強(qiáng)度破壞條件，明確巖體破壞引起了基樁破壞。F_q/t_e隨著b的增大而減小，與b呈負(fù)相關(guān)。

4 "結(jié)論

圍繞大直徑嵌巖基樁極限承載力確定及其影響因素，總結(jié)了嵌巖基樁破壞模式和Q-s曲線(xiàn)形態(tài)特征，對(duì)不同方法計(jì)算的嵌巖樁極限承載力進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論。

（1）在相同樁徑、樁體強(qiáng)度條件下，隨著嵌巖深徑比、巖體強(qiáng)度的提高，嵌巖基樁的極限承載力也相應(yīng)提高，即嵌巖深徑比、巖體強(qiáng)度與嵌巖基樁極限承載力呈正相關(guān)。

（2）基于樁體傳遞的應(yīng)力超過(guò)嵌巖段樁周巖體的極限抗剪強(qiáng)度條件，提出了用于嵌巖基樁極限承載力判定的比能對(duì)比法。采用Q-s曲線(xiàn)法、logQ-s曲線(xiàn)法、Ds/DQ-E曲線(xiàn)法、比能對(duì)比法，對(duì)10根大直徑嵌巖樁的極限承載力判定進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明比能對(duì)比法可以客觀判定嵌巖樁基礎(chǔ)的極限承載力。

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