钻孔灌注嵌岩桩竖向承载力规范计算方法探讨
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
公路 2014 年 7 月 第 7 期 文章编号： 0451 － 0712（2014）07 － 0123 － 06
中图分类号：U441. 4
HIGHWAY Jul. 2014 No. 7 文献标识码：A
钻孔灌注嵌岩桩竖向承载力 规范计算方法探讨
张明礼1，孙学先2，薛 珂1
（1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室 兰州市 730000； 2. 兰州交通大学 兰州市 730070）
5
41. 7 1. 2
3 000
20 000
6 000
68
30
3
26
6
47. 5 1. 2
6 620
20 000
8 500
55
43
3
27. 89
7
36. 0 0. 8
8 000
12 000
5 186
53
43
4
79. 5
8
46. 0 1. 0
4 110
18 000
1 660
86
9
5
20. 45
9
40. 5 0. 8
17
8. 5
0. 9
3 900
6 000
1 500
67
25
8
11
18
50. 0 1. 0
4 920
12 000
1 370
78
11
11
16. 72
19
60. 0 1. 2
1 500
9 600
1 044
78
11
11
151
断桩
20
21. 0 1. 0
5 000
10 500
1 900
70
18
11
10. 4
21
担大部分竖向荷载。与桩土侧阻力发挥相似，桩岩 侧阻力的发挥是由桩岩相对位移产生的。侧阻力和 端阻力不能同步充分发挥，而呈现侧阻力与端阻力 此消彼长的现象。
由图 2 可以宏观反映嵌岩段荷载传递规律：随 着嵌岩比的增大，岩层侧阻力分担荷载比也不断增 大。岩体物理力学参数不同侧摩阻力大小会有很大 差异，因为孔壁的弹性模量和刚度以及泊松比直接 影响到桩身径向变形。岩层刚度越大，侧摩阻力越 大。岩石强度是最根本、最确定的影响因素。岩层 节理裂隙发育程度和围岩初始水平应力等对侧摩阻 力的发挥也有一定程度的影响。
Key words： external prestressing； reinforcement； deflection； simply supported beam； stress increment； calculation
— 124 —
公路
2014 年 第 7 期
位测试、数值模拟等，其中以现场原位测试研究最可 靠。本文通过统计多种地质状况下嵌岩桩的实测资
（1） 桩身材料屈服。由于桩身材料强度不足而 发生的压屈破坏，多发生于桩顶荷载较大、长径比较
大而桩身材料强度不高的桩基。如表 1 中出现的 9、 10、11、12 号桩由于桩身强度不足导致的桩身破坏。
（2） 桩端岩体整体剪切破坏。桩端岩石强度不 高、桩身强度较高且长径比不大的情况下，因侧阻力 先于端阻力达到极限值，再增加荷载将由桩端承受。 随着荷载的增加桩端岩体形成滑裂面而发生整体剪 切破坏。如表 1 中出现的 30、31 号桩破坏时，桩端
4 700
22 000
7 150
52
33
15
24
26
46. 0 1. 0
3 110
14 400
2 610
66
18
16
18
不稳定
27
50. 0 1. 0
4 000
7 700
168
72
2
26
＞ 70
28
50. 0 1. 0
4 000
8 400
177
70
2
28
＞ 20
29
9. 0
0. 7
3 500
900
180
2014 年 第 7 期
张明礼等：钻孔灌注嵌岩桩竖向承载力规范计算方法探讨
— 125 —
承担很大一部分荷载，破坏类型为桩顶位移过大。 （3） 桩岩界面纯剪切破坏。主要见于桩底清孔
不彻底而有较厚残渣的情况。由于沉渣较厚，桩端 阻 力 很 难 发 挥 ，大 部 分 荷 载 由 桩 侧 承 担 ，当 桩 侧 阻 力发挥到极 限 值 时 桩 身 就 会 发 生 滑 移，导 致 桩 顶 沉降超限。如表 1 中出现的 2、3、7、13 号桩，其特点 是荷载绝大部分由桩侧承担，破坏类型为桩顶位移 过大。 2. 2 桩土侧阻力
料见表 1［6 － 9］，分析嵌岩桩竖向承载机理及影响嵌 岩桩竖向承载力的因素。
表 1 试桩试验数据统计分析
试桩
岩石单轴抗压 桩顶最大 嵌岩段最大 土层侧阻力 岩层侧阻分 桩端荷载
桩长 /m 桩径 /m
最大沉降 / mm
编号
强度标准值 / kPa 加载值 / kN 侧阻力 / kN 所占比例 / % 担比例 / % 比例 / %
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目，项目编号 2012CB026106；中科院“百人计划”项目，项目编号 Y251561001；国家电网公司科技项 目，项目编号 SGJSJS － 2010 － 935 － 936
收稿日期：2013 － 10 － 18
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 original bridge and overcome the difficulty of the secondary force issues which may hard to solve by other strengthening method． By using the geometric relationship of structure before and after deformation，this paper puts forward the external prestressing stress increment calculation formula of three line under the lane load distributed，then derives the computation formula for single line and linear layout of external prestress increase，which have a clear physical meaning，and can be used to calculate external prestressing stress increment under different load． In this paper，through the instance of reinforcement design on an actual prestressed concrete simply supported T-beam，the stress increment of externally prestressed under lane load and the concrete stress of the edge of the beam on construction stage and service phase are calculated，which could provide a good theoretical and technical support for externally prestressed reinforcement of simply supported beam．
桩土侧阻力的发挥与桩土相对位移有关，而桩 土相对位移值主要与土层性质、土层密实度、成桩工 艺等有关。一般情况下，砂土侧阻力充分发挥使得 位移值比黏性土稍大，而且土层越密实，侧摩阻力发 挥时所需的相对位移值越大。土层侧阻力可分为加 工硬化型、加工软化型、非硬化（ 软化） 型。美国桥 梁标准规范［10］给 出 侧 摩 阻 力 发 挥 时 所 需 的 相 对 位 移经验值：桩端沉渣清理彻底的条件下，桩侧摩阻力 充分发挥时对应的桩顶型为 0. 05 倍桩径（ 未考虑桩 长的影响） ，而端阻力发挥所需要的位移为 0. 05 倍 ～ 0. 1 倍桩径。
关键词： 嵌岩桩； 单桩承载力； 侧摩阻力； 荷载传递； 桩身轴力； 嵌岩深度
嵌岩桩是一种常见的桩基类型，其承载力高、沉 降小、群桩效 应 弱 、施 工 简 单 ，在 高 速 铁 路 、普 通 铁 路桥梁、地 铁 高 架 桥 建 设 工 程 中 被 广 泛 采 用［1，2］。 单桩容许承 载 力 是 最 基 本 的 设 计 参 数，但 是 嵌 岩 桩 单 桩 承 载 力 高 、破 坏 性 试 验 难 度 大 、静 载 试 验 费 用高，且其 承 载 特 性 受 桩 岩 模 量 比、长 径 比、嵌 岩 比和清孔情况的影响较大［3 － 5］。而在设 计 计 算 方 面，规范提供 的 以 半 理 论 半 经 验 的 计 算 公 式 来 确
定嵌岩桩竖 向 承 载 力，忽 略 了 覆 盖 图 层 和 强 风 化 岩层的侧 阻 力，将 嵌 岩 桩 按 照 端 承 桩 看 待。本 文 通过收集 31 根试桩资料，分析了钻孔灌注嵌岩桩 在竖向荷载 作 用 下 的 承 载 特 性，对 现 行 规 范 存 在 的问题进行探讨。
1 试桩数据统计 嵌岩桩研究方法有理论研究、室内模型研究、原
备注
1
32. 0 1. 1
45 000
12 000
4 300
42
36
23
7. 9
2
39. 0 1. 3
3 000
8 000
2 224
70
28
2
53. 3
3
16. 0 0. 8
15 000
9 600
7 646
18
80
2
101. 3
4
45. 0 0. 7
3 000
6 800
1 360
78
20
2
23. 6
48
20
32
12. 5
30
14. 0 0. 8
20 000
9 000
1 108
25
12
62
52. 59
31
14. 3 0. 8
10 000
8 000
880
8
11
81
49. 5
2 试桩数据分析 2. 1 嵌岩桩破坏模式
桩的破坏主要是指在高应力水平作用下桩顶沉 降过大或者强度不足产生桩体或岩层破坏，具体可 分为以下 3 类。
通过图 1 可 以 看 出，土 层 侧 阻 力 所 占 比 例 在 20% ～ 80% 之 间，而 桩 端 岩 层 承 载 所 占 比 例 小 于 30% ，因此，从荷载传递特性方面分析，嵌岩桩不一 定是端承桩。桩侧摩阻力承担大部分桩顶荷载，这 类桩受力特性表现为摩擦桩或者端承摩擦桩。随着 长径比的增大，土层侧阻力分担荷载比也逐渐增大。 这是由于对于桩长很长而嵌岩深度不大的桩，桩身 压缩量较大，桩周土层侧摩阻力容易得到充分发挥。
摘 要： 通过收集 31 根钻孔灌注嵌岩桩静载试验数据，分析了钻孔灌注嵌岩桩在竖向荷载作用下的承载特性， 结果表明，在竖向荷载作用下，嵌岩桩竖向承载力由桩土侧阻力、桩岩侧阻力、桩端阻力三部分组成，对于桩长较长且上 覆土层强度较高时，桩土侧阻力作用不可忽略，嵌岩桩不一定是端承桩。长径比、嵌岩比、岩石破碎程度、清孔情况、桩端 岩层强度等因素对嵌岩桩承载特性影响较大。现行铁路规范完全不计土层及强风化岩层的摩阻力，适用于上覆土层厚 度较小、强度较低的中短桩，对于考虑冲刷作用、欠固结填土、自重湿陷性黄土地区可以按照规范公式进行计算。设计桩 基时，应当以现场地质勘查为基础，综合考虑桩身特性、岩土特性、施工质量等因素确定单桩竖向承载力。
13
38. 5 1. 3
5 000
15 000
9 286
33
62
5
44. 32
14
35. 0 1. 0
10 000
20 000
6 000
64
30
6
23. 2
15
43. 0 0. 8
5 220
11 250
1 910
75
17
8
18. 6
16
44. 0 1. 2
4 500
22 000
6 500
62
30
8
24. 4
图 2 嵌岩比与岩层侧阻力分担荷载比
2. 4 桩端阻力 由图 3 可知，随着嵌岩比的增大，端阻分担荷载
4 500
7 000
2 010
66
29
5
34. 6
桩身破坏
10
38. 5 0. 9
11
34. 5 0. 9
2 500 3 000
6 000
1 326
73
8 000
2 190
68
22
5
27
5
35. 23 35. 8
桩身破坏 桩身破坏
12
35. 0 0. 8
3 000
7 000
3 603
44
51
5
40
桩身破坏
48. 0 1. 0
4 110
18 000
3 130
71
17
12
20
22
41. 0 1. 3
4 420
27 000
12 800
40
47
13
22
23
பைடு நூலகம்
11. 5 0. 5
5 200
2 371
600
61
25
13
15. 94
24
40. 0 1. 0
4 420
22 000
7 000
54
32
15
22
25
45. 0 1. 2
中图分类号：U441. 4
HIGHWAY Jul. 2014 No. 7 文献标识码：A
钻孔灌注嵌岩桩竖向承载力 规范计算方法探讨
张明礼1，孙学先2，薛 珂1
（1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室 兰州市 730000； 2. 兰州交通大学 兰州市 730070）
5
41. 7 1. 2
3 000
20 000
6 000
68
30
3
26
6
47. 5 1. 2
6 620
20 000
8 500
55
43
3
27. 89
7
36. 0 0. 8
8 000
12 000
5 186
53
43
4
79. 5
8
46. 0 1. 0
4 110
18 000
1 660
86
9
5
20. 45
9
40. 5 0. 8
17
8. 5
0. 9
3 900
6 000
1 500
67
25
8
11
18
50. 0 1. 0
4 920
12 000
1 370
78
11
11
16. 72
19
60. 0 1. 2
1 500
9 600
1 044
78
11
11
151
断桩
20
21. 0 1. 0
5 000
10 500
1 900
70
18
11
10. 4
21
担大部分竖向荷载。与桩土侧阻力发挥相似，桩岩 侧阻力的发挥是由桩岩相对位移产生的。侧阻力和 端阻力不能同步充分发挥，而呈现侧阻力与端阻力 此消彼长的现象。
由图 2 可以宏观反映嵌岩段荷载传递规律：随 着嵌岩比的增大，岩层侧阻力分担荷载比也不断增 大。岩体物理力学参数不同侧摩阻力大小会有很大 差异，因为孔壁的弹性模量和刚度以及泊松比直接 影响到桩身径向变形。岩层刚度越大，侧摩阻力越 大。岩石强度是最根本、最确定的影响因素。岩层 节理裂隙发育程度和围岩初始水平应力等对侧摩阻 力的发挥也有一定程度的影响。
Key words： external prestressing； reinforcement； deflection； simply supported beam； stress increment； calculation
— 124 —
公路
2014 年 第 7 期
位测试、数值模拟等，其中以现场原位测试研究最可 靠。本文通过统计多种地质状况下嵌岩桩的实测资
（1） 桩身材料屈服。由于桩身材料强度不足而 发生的压屈破坏，多发生于桩顶荷载较大、长径比较
大而桩身材料强度不高的桩基。如表 1 中出现的 9、 10、11、12 号桩由于桩身强度不足导致的桩身破坏。
（2） 桩端岩体整体剪切破坏。桩端岩石强度不 高、桩身强度较高且长径比不大的情况下，因侧阻力 先于端阻力达到极限值，再增加荷载将由桩端承受。 随着荷载的增加桩端岩体形成滑裂面而发生整体剪 切破坏。如表 1 中出现的 30、31 号桩破坏时，桩端
4 700
22 000
7 150
52
33
15
24
26
46. 0 1. 0
3 110
14 400
2 610
66
18
16
18
不稳定
27
50. 0 1. 0
4 000
7 700
168
72
2
26
＞ 70
28
50. 0 1. 0
4 000
8 400
177
70
2
28
＞ 20
29
9. 0
0. 7
3 500
900
180
2014 年 第 7 期
张明礼等：钻孔灌注嵌岩桩竖向承载力规范计算方法探讨
— 125 —
承担很大一部分荷载，破坏类型为桩顶位移过大。 （3） 桩岩界面纯剪切破坏。主要见于桩底清孔
不彻底而有较厚残渣的情况。由于沉渣较厚，桩端 阻 力 很 难 发 挥 ，大 部 分 荷 载 由 桩 侧 承 担 ，当 桩 侧 阻 力发挥到极 限 值 时 桩 身 就 会 发 生 滑 移，导 致 桩 顶 沉降超限。如表 1 中出现的 2、3、7、13 号桩，其特点 是荷载绝大部分由桩侧承担，破坏类型为桩顶位移 过大。 2. 2 桩土侧阻力
料见表 1［6 － 9］，分析嵌岩桩竖向承载机理及影响嵌 岩桩竖向承载力的因素。
表 1 试桩试验数据统计分析
试桩
岩石单轴抗压 桩顶最大 嵌岩段最大 土层侧阻力 岩层侧阻分 桩端荷载
桩长 /m 桩径 /m
最大沉降 / mm
编号
强度标准值 / kPa 加载值 / kN 侧阻力 / kN 所占比例 / % 担比例 / % 比例 / %
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目，项目编号 2012CB026106；中科院“百人计划”项目，项目编号 Y251561001；国家电网公司科技项 目，项目编号 SGJSJS － 2010 － 935 － 936
收稿日期：2013 － 10 － 18
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 original bridge and overcome the difficulty of the secondary force issues which may hard to solve by other strengthening method． By using the geometric relationship of structure before and after deformation，this paper puts forward the external prestressing stress increment calculation formula of three line under the lane load distributed，then derives the computation formula for single line and linear layout of external prestress increase，which have a clear physical meaning，and can be used to calculate external prestressing stress increment under different load． In this paper，through the instance of reinforcement design on an actual prestressed concrete simply supported T-beam，the stress increment of externally prestressed under lane load and the concrete stress of the edge of the beam on construction stage and service phase are calculated，which could provide a good theoretical and technical support for externally prestressed reinforcement of simply supported beam．
桩土侧阻力的发挥与桩土相对位移有关，而桩 土相对位移值主要与土层性质、土层密实度、成桩工 艺等有关。一般情况下，砂土侧阻力充分发挥使得 位移值比黏性土稍大，而且土层越密实，侧摩阻力发 挥时所需的相对位移值越大。土层侧阻力可分为加 工硬化型、加工软化型、非硬化（ 软化） 型。美国桥 梁标准规范［10］给 出 侧 摩 阻 力 发 挥 时 所 需 的 相 对 位 移经验值：桩端沉渣清理彻底的条件下，桩侧摩阻力 充分发挥时对应的桩顶型为 0. 05 倍桩径（ 未考虑桩 长的影响） ，而端阻力发挥所需要的位移为 0. 05 倍 ～ 0. 1 倍桩径。
关键词： 嵌岩桩； 单桩承载力； 侧摩阻力； 荷载传递； 桩身轴力； 嵌岩深度
嵌岩桩是一种常见的桩基类型，其承载力高、沉 降小、群桩效 应 弱 、施 工 简 单 ，在 高 速 铁 路 、普 通 铁 路桥梁、地 铁 高 架 桥 建 设 工 程 中 被 广 泛 采 用［1，2］。 单桩容许承 载 力 是 最 基 本 的 设 计 参 数，但 是 嵌 岩 桩 单 桩 承 载 力 高 、破 坏 性 试 验 难 度 大 、静 载 试 验 费 用高，且其 承 载 特 性 受 桩 岩 模 量 比、长 径 比、嵌 岩 比和清孔情况的影响较大［3 － 5］。而在设 计 计 算 方 面，规范提供 的 以 半 理 论 半 经 验 的 计 算 公 式 来 确
定嵌岩桩竖 向 承 载 力，忽 略 了 覆 盖 图 层 和 强 风 化 岩层的侧 阻 力，将 嵌 岩 桩 按 照 端 承 桩 看 待。本 文 通过收集 31 根试桩资料，分析了钻孔灌注嵌岩桩 在竖向荷载 作 用 下 的 承 载 特 性，对 现 行 规 范 存 在 的问题进行探讨。
1 试桩数据统计 嵌岩桩研究方法有理论研究、室内模型研究、原
备注
1
32. 0 1. 1
45 000
12 000
4 300
42
36
23
7. 9
2
39. 0 1. 3
3 000
8 000
2 224
70
28
2
53. 3
3
16. 0 0. 8
15 000
9 600
7 646
18
80
2
101. 3
4
45. 0 0. 7
3 000
6 800
1 360
78
20
2
23. 6
48
20
32
12. 5
30
14. 0 0. 8
20 000
9 000
1 108
25
12
62
52. 59
31
14. 3 0. 8
10 000
8 000
880
8
11
81
49. 5
2 试桩数据分析 2. 1 嵌岩桩破坏模式
桩的破坏主要是指在高应力水平作用下桩顶沉 降过大或者强度不足产生桩体或岩层破坏，具体可 分为以下 3 类。
通过图 1 可 以 看 出，土 层 侧 阻 力 所 占 比 例 在 20% ～ 80% 之 间，而 桩 端 岩 层 承 载 所 占 比 例 小 于 30% ，因此，从荷载传递特性方面分析，嵌岩桩不一 定是端承桩。桩侧摩阻力承担大部分桩顶荷载，这 类桩受力特性表现为摩擦桩或者端承摩擦桩。随着 长径比的增大，土层侧阻力分担荷载比也逐渐增大。 这是由于对于桩长很长而嵌岩深度不大的桩，桩身 压缩量较大，桩周土层侧摩阻力容易得到充分发挥。
摘 要： 通过收集 31 根钻孔灌注嵌岩桩静载试验数据，分析了钻孔灌注嵌岩桩在竖向荷载作用下的承载特性， 结果表明，在竖向荷载作用下，嵌岩桩竖向承载力由桩土侧阻力、桩岩侧阻力、桩端阻力三部分组成，对于桩长较长且上 覆土层强度较高时，桩土侧阻力作用不可忽略，嵌岩桩不一定是端承桩。长径比、嵌岩比、岩石破碎程度、清孔情况、桩端 岩层强度等因素对嵌岩桩承载特性影响较大。现行铁路规范完全不计土层及强风化岩层的摩阻力，适用于上覆土层厚 度较小、强度较低的中短桩，对于考虑冲刷作用、欠固结填土、自重湿陷性黄土地区可以按照规范公式进行计算。设计桩 基时，应当以现场地质勘查为基础，综合考虑桩身特性、岩土特性、施工质量等因素确定单桩竖向承载力。
13
38. 5 1. 3
5 000
15 000
9 286
33
62
5
44. 32
14
35. 0 1. 0
10 000
20 000
6 000
64
30
6
23. 2
15
43. 0 0. 8
5 220
11 250
1 910
75
17
8
18. 6
16
44. 0 1. 2
4 500
22 000
6 500
62
30
8
24. 4
图 2 嵌岩比与岩层侧阻力分担荷载比
2. 4 桩端阻力 由图 3 可知，随着嵌岩比的增大，端阻分担荷载
4 500
7 000
2 010
66
29
5
34. 6
桩身破坏
10
38. 5 0. 9
11
34. 5 0. 9
2 500 3 000
6 000
1 326
73
8 000
2 190
68
22
5
27
5
35. 23 35. 8
桩身破坏 桩身破坏
12
35. 0 0. 8
3 000
7 000
3 603
44
51
5
40
桩身破坏
48. 0 1. 0
4 110
18 000
3 130
71
17
12
20
22
41. 0 1. 3
4 420
27 000
12 800
40
47
13
22
23
பைடு நூலகம்
11. 5 0. 5
5 200
2 371
600
61
25
13
15. 94
24
40. 0 1. 0
4 420
22 000
7 000
54
32
15
22
25
45. 0 1. 2