大直径嵌岩桩竖向承载性状理论研究中基本假定的合理性探讨

【摘要】大直径嵌岩灌注桩竖向承载性状理论研究一直沿用的基本假定之一是"位移假定"，即假定桩与桩侧相邻土之间的位移协调一致。通过本文的嵌岩桩竖向抗压静载试验实例研究，发现桩-岩之间产生微小的相对位移，便可得到较大的桩侧摩阻力，表明位移假定只适用于桩-土体系，而不适用于桩-岩体系；同时也表明对长期以来基于位移假定的嵌岩桩设计，在理论的合理性和方案的安全性方面需要重新进行评估。

【关键词】嵌岩桩；承载性状；基本假定；合理性；桩侧摩阻力；桩-岩体系

引言

大直径嵌岩灌注桩承载性状的研究是桩基础研究的热点问题之一，目前相关的研究仍比较少。

单桩竖向承载性状的理论研究分析方法主要有以下4种[1]：⑴按半无限弹性体理论计算，采用以明特林（Mindlin）课题（1936）为基础的多种分析方法；⑵荷载传递分析计算法；⑶剪切变形传递计算法；⑷有限单元分析法。这些方法均是以弹性理论计算的基本假定之一为基础――假定桩与桩侧相邻土之间的位移协调一致，即桩土之间不产生滑动，桩身某点的位移（桩身截面位移）即为与之相邻点土体的位移（以下简称“位移假定”）。

我国大直径嵌岩灌注桩承载性状的试验研究多基于以上4种方法，基本上可归纳为以下5个方面：⑴嵌岩桩竖向承载力设计计算方法的研究。如认为承载力实测值与理论设计值经常不符甚或相差较大[2，3]，或指出我国近十几年以来常用的嵌岩桩计算方法[4-6]存在的问题，认为规范中的公式不完全适合软岩嵌岩桩，并提出了一些修改建议[7-13]；⑵嵌岩桩竖向抗压静载试验荷载确定方法的研究。如认为单桩竖向抗压静载试验方法[4]存在若干不妥之处，并建议予以修改[14]；⑶采用不同的双折线荷载传递函数[15-16]研究嵌岩桩沉降的计算方法；⑷采用有限元分析法研究单桩竖向荷载作用下的嵌岩深度效应。如指出当嵌岩超过一定深度之后，桩承载力的提高已不明显[17]，或当嵌入软质岩石时，嵌岩深度可适当加深[18]；⑸嵌岩桩承载性状的研究。如通过大量的静载试验，分析了桩顶沉降、桩端阻力和桩侧阻力分配与发挥、嵌岩深度和扩大头对桩侧阻和端阻的影响等[19]，总结了嵌岩桩的承载性状、桩身压缩变形规律[20]。

现行嵌岩桩竖向抗压静载试验及桩身内力测试方法是按照《建筑基桩检测技术规范》[21]执行的，其中桩身内力计算方法建立在弹性理论分析基础之上，即建立在“位移假定”基础之上，但实践证明，计算结果并不符合实际。

由大量试验资料与理论分析可知，嵌岩灌注桩嵌岩桩段的侧摩阻力qs比土层段要高得多，其达到极限值qsu所需的相对位移却小于土层段所需的δu，表明嵌岩桩的试验结果与“位移假定”相矛盾。

本文结合一例典型的大直径嵌岩灌注桩竖向抗压静载试验实测结果，对此现象进行了分析研究。

1 工程概况与试验情况概述

该场地中风化岩层分布较厚，若按照岩土工程勘察报告提供的岩石抗压强度fr值，将大部分桩的持力层定为微风化岩层，则挖孔桩施工时需穿越厚层的中风化岩层。广州广泛分布着暗红色中风化泥岩、砂岩、粉砂岩等岩石，其实际的岩石抗压强度比室内抗压强度及规范提供的抗压强度指标要大得多。因此，拟将本工程的桩端持力层置于中风化岩内，为此，需对该场区中风化岩层进行一系列的试验研究，获得准确而可靠的有关参数指标指导设计。

2.1 试验结果

试验数据经整理、计算后，得到试验荷载与桩顶沉降数据汇总表，绘制出相应的荷载与沉降关系曲线（Q～s曲线）、沉降与时间对数关系曲线（s～lgt曲线），其四根试验桩的单桩竖向抗压静载试验成果汇总见表2；同时得到桩身内力沿桩身深度分布情况表及据该表绘制的桩身轴力分布曲线（N～L曲线），进而得到荷载与摩阻力关系曲线（Q～Qs曲线）、荷载与端阻力关系曲线（Q～Qp曲线），最后得到桩侧摩阻力与桩身截面位移关系曲线（qs～δ曲线），见图2～图5所示。

2.2 试验分析

（1）试验结果表明，试桩在各自的最大试验荷载下均未出现极限承载力特征，桩顶沉降较小，说明四根桩的极限承载力均大于或等于其最大试验荷载。

3 讨论

这是一例典型的大直径嵌岩灌注桩竖向抗压静载试验。与许多情况一样，本实例工程桩的静载试验加载往往达不到极限荷载而终止试验，也不允许将桩压至极限破坏状态，故无法判断桩的极限承载力，特别是基岩的摩阻力强度值和端阻力强度值的确定，只能对其进行估算。因此，研究大直径嵌岩灌注桩承载性状，为设计提供准确而可靠的理论依据显得非常重要，且具有很高的实用价值和理论意义。

（1）嵌岩灌注桩嵌岩桩段的单位侧阻力比土层段要高得多，桩侧摩阻力达到极限值qsu所需的相对位移小于土层段所需的δu。

（2）在qs未达到极限值qsu之前，桩-岩之间处于弹性或弹塑性状态，产生微小的相对位移，便可使qs得到较大的发挥。

桩侧摩阻力表现出来的这些特性表明，长期以来一直被运用的弹性理论方法、荷载传递分析计算法、剪切变形传递计算法、有限单元分析法等理论，因采用了“位移假定”，故只适用于桩-土体系，而不再适用于桩-岩体系嵌岩灌注桩的研究与设计。

在研究桩-土体系单桩竖向承载力时，“位移假定”之所以取得了较大的成功，是因为桩周土的侧摩阻力极限值qsu较小，在达到塑性状态之后，无论再继续产生多少相对位移，qsu也只能维持在某一较小的残余强度，不可能继续对桩承载力产生多大的影响，因而可以将桩与土视为一个受力体系。此时桩-土之间的桩侧摩阻力与位移可被视为体系内的应力和应变。

4 结论

大直径嵌岩灌注桩承载性状的研究是桩基础研究的热点问题之一，但关于此课题研究方法的正确性与适用性的研究目前尚未见报道。本文的试验及分析结果表明，“位移假定”只适用于桩-土体系，而不适用于桩-岩体系的单桩竖向承载性状的研究，因为桩-岩之间产生的相对刚体滑动不能被忽略。这一新的结论意味着目前大直径嵌岩灌注桩的设计，或偏于保守而造成很大浪费，或偏于不安全而留下隐患，使得嵌岩灌注桩设计的合理性与安全性方面需要重新进行评估。

今后有待进一步研究和解决的问题还很多，但研究嵌岩桩新的力学计算模型，研究桩身刚体滑移所产生的桩侧摩阻力值的测试方法及计算方法等问题，应是目前首先要解决的问题。

参考文献：

[1]刘金砺.桩基础设计与计算.北京：中国建筑工业出版社，1990.7.

[2]胡学元.具有夹层的嵌岩桩承载力的计算与探讨.当代建设，2002.2.

[3]赵云祥， 孙渊.大直径嵌岩桩承载力计算分析.西部探矿工程，2001.6.

[4]中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范（GB 50007―2002）.北京：中国建筑工业出版社，2002.

[5]中华人民共和国行业标准. 建筑桩基技术规范（JGJ 94―94）.北京：中国建筑工业出版社，1995.

[6]中华人民共和国交通部部标准.公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ 024―85）.北京：人民交通出版社，1985.

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[13]王勇强.软岩嵌岩桩嵌岩段的侧阻力研究.东华理工学院学报（自然科学版），2004.3.