中风化极软岩桩的极限端阻力和极限侧阻力研究

第44卷第8期2014年4月下建筑结构BuildingStructureVol．44No．8Apr．2014

中风化极软岩桩的极限端阻力和极限侧阻力研究

湛铠瑜

（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆400016）

［摘要］针对山区极软岩上覆原生土很薄且新近填土较厚时，机械成孔桩即使按最大嵌岩深径比计算单桩的竖向极限承载力仍无法满足上部荷载要求的情况，利用现行规范推导出中风化极软岩桩的极限端阻力标准值和极限侧阻力标准值取值范围，并结合岩基载荷试验数据对取值范围进行了修正。提出了嵌岩桩按经验参数法计算单桩竖向极限承载力的思路，并结合工程实例中的桩载荷试验数据验证了此计算思路及中风化极软岩桩的极限端阻力标准值和极限侧阻力标准值取值范围的安全合理性。研究结果表明：中风化极软岩桩的极限端阻力标准值取值范围为1500～3800kPa，极限侧阻力标准值取值范围为140～280kPa，按新计算思路获得的单桩竖向承载力特征值比按嵌岩桩计算方法获得的数值可最大提高约12%，且计算深度大于8倍的嵌岩深径比。［关键词］桩基；极限端阻力；极限侧阻力；极软岩中图分类号：TU473

文献标识码：A

848X（2014）08-0021-04文章编号：1002-

Ｒesearchonultimatetipresistanceandultimateshaftresistanceofpiles

inmiddleweatheredextremelysoftrock

ZhanKaiyu

（ChongqingDesignandＲesearchInstituteCo．，Ltd．，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，

Chongqing400016，China）

Abstract：Accordingtomachinedrillingholecannotmeetingtherequirementsofupperloadscalculatingbylargestembeddeddepth-diameterratioundertheconditionsofthinprimarysoilandthickrecentfillingoverburdenextremelysoftrockinmountainarea，thestandardvaluerangeofultimatetipresistanceandshaftresistanceofpilesinmiddleweatheredextremelysoftrockwasderivedbyutilizationofcurrentcodeandwasrevisedbyutilizationofrockfoundationloadingtestdata．Amodifiedmethodofcalculatingsinglepileverticalultimatebearingcapacitybyempiricalformulaforrock-socketedpilewasputforward，andthemodifiedmethodandthestandardvaluerangeofultimatetipresistanceandshaftresistanceofpilesinmiddleweatheredextremelysoftrockwerevalidatedbypileloadingtestsinaproject．Theresultsshowthatthestandardvaluerangeofultimatetipresistanceofpilesinmiddleweatheredextremelysoftrockis1500～3800kPa，thestandardvaluerangeofultimatetipresistanceis140～280kPa．Thecharacteristicvalueofverticalbearingcapacityofsinglepilecanincrease12%andthecalculationdepthcanbemorethan8toembeddeddepth-diameterratiobythemodifiedmethod．

Keywords：pilefoundation；tipresistance；shaftresistance；extremelysoftrock

0引言

高层或超高层建筑往往需要很大的单桩承载桩基规范中最大嵌岩深径比限制的最大深度、单桩

承载力仍无法满足上部荷载要求时，则只能通过桩载荷试验来确定单桩承载力。而在桩载荷试验前如何确定合理的桩嵌入中风化基岩的深度，如何提供合理的中风化极软岩桩极限端阻力和极限侧阻力作为设计依据，则成为需要解决的问题。目前，关于中风化极软岩桩的极限端阻力和极

［2］

限侧阻力研究还较少，仅罗坤等对天然抗压强度为4.8MPa的中风化岩石的桩极限端阻力特征值进行了研究，但未对极软岩桩的极限端阻力和极限侧阻力取值范围进行深入探讨。本文结合桩基规范和

（DBJ50-047—重庆市《建筑地基基础设计规范》

力，山区城市的基岩上覆土层往往很薄，当基岩为极软岩时，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）［1］（简称桩基规范）按嵌岩桩计算单桩承载力可能存在最大嵌岩深径比计算无法满足单桩荷载要求的情况，在山区沟谷地段往往需要回填较厚的素

填土，当考虑其负摩阻力时，单桩承载力更小。在2012年7月1日禁止采用人工挖孔桩后，当桩径大于1.5m时，机械成孔难度极大，施工工艺也极其复杂，特别是上覆较厚素填土时塌孔现象很严重，因此通过扩大桩径来获得更大的单桩承载力不理想。为了使单桩承载力满足上部荷载的要求，在无法扩大桩径时往往只能增大嵌岩深度，而当嵌岩深度达到

Email：zhankaiyu@163．com。硕士，工程师，作者简介：湛铠瑜，

22

建筑结构2014年

2006）［3］（简称地标地基规范）的相关公式对中风化极软岩桩的极限端阻力标准值取值范围进行计算，并利用岩基载荷试验数据对计算获得的取值范围进行修正，然后结合修正后桩的极限端阻力标准值取值确定中风化极软岩桩的极限侧阻力标准值取值范围。对比分析分别按经验参数和嵌岩桩计算公式获得的单桩竖向承载力特征值后，提出根据所提供的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值按经验参数法计算嵌岩桩单桩竖向极限承载力的思路，并结合工程实例验证计算思路和取值范围的安全合理性。1基本假设根据本文的研究内容，为了便于理解和计算，基本假设如下：

（1）结合桩基规范中嵌岩桩计算公式可知，黏土岩时岩石饱和单轴抗压强度标准值frk取天然岩石单轴抗压强度标准值，而极软岩的代表性岩石往往为泥岩或页岩等黏土岩，且重庆地方规范《工（DBJ50-043—2005）［4］（简称重程地质勘察规范》

庆地勘规范）进行岩石分类时是根据岩石天然单轴抗压强度标准值划分的，因此本文研究的极软岩特指天然单轴抗压强度标准值小于等于5.0MPa的岩石。

（2）同一地质条件下，按桩基规范中不同计算公式获得的桩极限端阻力标准值相等，即嵌岩深径比为0时，嵌岩段的桩总极限阻力标准值等于总极限端阻力标准值。

（3）同一地质条件下，按地标地基规范与桩基规范计算公式获得的桩端承载力特征值相等。2

中风化极软岩桩的极限端阻力2.1极限端阻力取值范围计算

（1）采用桩基规范计算

5.3.9条中相关计算根据桩基规范5.3.5条，

公式，并结合基本假设第2条有：

qpkAp=ζrfrkAp

（1）

式中：qpk为桩的极限端阻力标准值；Ap为桩端面积；ζr为桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数；frk为岩石天然单轴抗压强度标准值。

由式（1）得出中风化极软岩桩的极限端阻力标准值计算公式为：

qpk=0．6frk

（2）

基于工程实际中绝大多数岩石的天然抗压强度标准值均大于2.5MPa，因此求中风化极软岩桩的极限端阻力标准值时，极软岩的天然单轴抗压强度标准值取值范围为2.5～5.0MPa。由此计算得出中风化极软岩桩的极限端阻力标准值取值范围为1500

～3000kPa。

（2）采用地标地基规范计算

8.3.10条及重庆根据地标地基规范4.2.3条，

地勘规范9.3.2条，结合基本假设第3条有：

1

qA=ψpψcγffrkγtAp2pkp

（3）

由式（3）得出中风化极软岩桩的极限端阻力标准值计算公式为：

qpk=2ψpψcγffrkγt

（4）

式中：ψp为桩端阻力效应系数，桩端持力层为基岩

机械成孔桩取0.8；γf时取1.0；ψc为工作条件系数，

为地基极限承载力分项系数，岩质地基取0.33；γt

岩体较完整时取1.20～0.85，完为地基条件系数，整时取1.60～1.20。

将上述相关参数取值和极软岩的天然单轴抗压

强度取值（2.5～5.0MPa）代入式（4），得出中风化极软岩桩的极限端阻力标准值取值范围为1122～4224kPa。

（3）由上述两点分析可知，采用桩基规范计算的中风化极软岩桩的极限端阻力标准值取值范围为1500～3000kPa，采用地标地基规范计算的中风化极软岩桩的极限端阻力标准值取值范围为1122～4224kPa。综合两个计算范围得出中风化极软岩桩的极限端阻力标准值最大取值范围为1122～4224kPa。

2.2极限端阻力取值修正及建议

（1）极限端阻力最小值修正

2的数据可知，结合桩基规范中表5.3.5-强风化软质岩桩的极限端阻力标准值最小值为

1400kPa，而中风化岩石的力学性质应好于强风化岩石，因此中风化极软岩桩的极限端阻力标准值取值范围中的最小值不合理，需对其进行修正。采用桩基规范计算获得的最小值为1500kPa，

2中的最小值，略大于桩基规范中表5.3.5-这与工程实际相符。因此中风化极软岩桩的极限端阻力标

准值最小值可采用桩基规范计算的最小值，即1500kPa。

（2）极限端阻力最大值修正

由于极限端阻力最大值是按地标地基规范计算得到的，不具有全国通用性且无原位测试数据验证，2］因此利用文献［中的岩基荷载试验数据对最大值进行修正。

2］可知，由文献［泥岩天然单轴抗压强度标准

值为4.8MPa时，桩端阻力特征值大于1812kPa，即桩的极限端阻力标准值大于3624kPa。本文取极软

第44卷第8期湛铠瑜．中风化极软岩桩的极限端阻力和极限侧阻力研究

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桩的极限端岩的天然单轴抗压强度为4.8MPa时，

阻力标准值为3624kPa，结合极软岩天然单轴抗压强度为2.5MPa时桩的极限端阻力标准值为1500kPa，采用插值法反算得出桩的极限端阻力标准值最大值约为3808.7kPa（极软岩天然单轴抗压强度为5.0MPa时桩的极限端阻力标准值）。

（3）取值建议

结合上述对取值范围的修正，建议中风化极软岩桩的极限端阻力标准值取值范围为1500～3800kPa。当极软岩天然单轴抗压强度为2.5～5.0MPa时按插值法取值；当极软岩天然单轴抗压强度小于2.5MPa时取低值。由于本文中风化极软岩桩的极限端阻力标准值最小值取1500kPa并无原位荷载试验数据验证（工作至今未遇到岩石天然抗压强度小于2.5MPa的工程），当遇到岩石天然抗压强度小于2.5MPa时，建议按本文取值进行设计后，先作试桩静载试验确保其满足承载力要求后，再进行大面积的桩基施工。3中风化极软岩桩的极限侧阻力

3.1极限侧阻力取值计算

根据桩基规范5.3.5条和条文说明5.3.9条中相关计算公式，结合基本假设第2条有：

uqskhr=ζsfrkπdhr

整理式（5）可得：

qsk=ζsfrk

（5）（6）

软岩桩的极限侧阻力标准值取值范围不需修正，即140～280kPa，当极软岩天然单轴抗压强度小于2.5MPa时取低值，当极软岩天然单轴抗压强度为2.5～5.0MPa时按插值法取值。4

计算结果分析及计算公式修正4.1计算结果分析

由中风化极软岩桩的极限侧阻力和极限端阻力标准值取值范围推导过程可知，其取值范围是合理的，但是桩基规范5.3.5条中的计算公式是针对土层的，该计算公式是否可以直接用于岩石，还需对两种计算方法获得的计算结果进行对比分析。

分别按桩基规范5.3.5条（采用2．3节提供的极限侧阻力和极限端阻力，按经验参数法计算）和5.3.9条（采用岩石抗压强度，按嵌岩桩计算）进行计算，获得单桩竖向极限承载力标准值，进而求出单桩竖向承载力特征值并对计算结果进行对比分析。假定桩径1.0m，基岩上覆原生土很薄（土层段侧阻力可忽略不计），分别在天然单轴抗压强度为2.5，4.0，5.0MPa时，求出不同嵌岩深径比情况下两种计算方法获得的单桩竖向承载力特征值，对比情况见图1

。

式中：u为桩身周长；hr为桩嵌入中风化岩的深度；qsk为中风化极软岩桩的极限侧阻力标准值；ζs为嵌岩段的桩侧阻力系数，取值见桩基规范条文说明表9；d为桩直径。

基于嵌岩灌注桩嵌入中风化岩体深度不宜小于0.5m且桩底进入持力层深度宜为桩径的1～3倍［5］（即嵌岩深径比不宜小于1），因此不考虑嵌岩深径比对侧阻力系数的影响，ζs取0.056（嵌岩深径比为1时的取值）。将ζs=0.056和极软岩的天然单轴

得出中风化极抗压强度2.5～5.0MPa代入式（6），

软岩桩的极限侧阻力标准值取值范围为140～

280kPa。

3.2极限侧阻力取值建议

由3．1节极限侧阻力标准值计算过程可知，计算公式是由桩基规范推导而来的，因此计算结果具有全国通用性。虽然最小值为人为取极软岩天然单轴抗压强度为2.5MPa时的计算值，但是其最小值

1中强风化软质岩的最小值相与桩基规范表5.3.5-等，且绝大多数工程的岩石天然单轴抗压强度标准

值均大于2.5MPa。所以理论计算获得的中风化极

图1

单桩竖向承载力特征值对比

在嵌岩深径比小于等于3时，分别由图1可知，

5.3.9条计算获得的单桩竖按桩基规范5.3.5条，

向承载力特征值基本相等，而当嵌岩深径比大于3

时，两种计算结果的误差随着嵌岩深径比的增大而增大。分析认为：误差增大的原因是按桩基规范5.3.5条计算时，未考虑侧阻力系数和端阻力系数会随嵌岩深度增加而减小。因此，按参数法计算嵌岩桩的单桩极限承载力时，当嵌岩深径比小于等于3时，可不考虑侧阻力系数和端阻力系数变化对其的影响，而嵌岩深径比大于3时，应考虑侧阻力系数和端阻力系数变化对其的影响。4.2计算公式修正

由4.1节的分析可知，当桩的嵌岩深径比大于3时，3倍桩径深度范围内的中风化极软岩桩的极限3倍桩径深度范围外的中侧阻力标准值直接采用，

风化极软岩桩的极限侧阻力标准值应乘以侧阻力系

24

建筑结构2014年

数；中风化极软岩桩的极限端阻力标准值应乘以端阻力系数。

基于中风化极软岩极限侧阻力标准值是按ζs=0.056推导而来的，极限端阻力标准值为其天然抗压强度的0.6～0.76倍，结合桩基规范条文说明5.3.9条可知，侧阻力标准值及端阻力标准值取值范围基本为嵌岩深径比为1时推导而来的，即本文取值范围已考虑ζs=0.056，ζp=0.73。所以，将桩基规范中式（5.3.5）修正为：Quk=u∑qsikli+uqsk3d+

ζsuqsk（hr－3d）/0.056+ζpqpkAp/0.73（7）式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；li为桩周第i层土的厚度；ζp为桩嵌岩段端阻力系数。

根据桩基规范条文说明表9中的数据，分别对侧阻力系数和端阻力系数进行公式拟合，拟合得：

（8）ζs=0．0624－0．0029nζp=0．8843－0．0571n

式中n为嵌岩深径比。

（9）

清底困难且钻孔直径大于1.2m后，素填土较厚地

1.2m两段垮孔严重。最终设计调整为桩径1.0，1.2m的单种，局部用3根或4根桩抬柱。桩径1.0，

4786kN。桩承载力特征值需分别不小于3617，

嵌岩桩设计时发现，按最大嵌岩深度计算的单

桩承载力特征值仍无法满足设计要求，按本文计算1.2m的两种桩均需进入中风化基思路，桩径1.0，岩10m，并要求分别对两种桩做载荷试验。桩载荷试验结果表明，桩径1.0m的桩在最大试验荷载7300kN时，总沉降量为25.13mm，残余变形为16.59mm；桩径1.2m的桩在最大试验荷载9600kN时，总沉降量为21.71mm，残余变形为14.77mm。说明桩径1.0m的桩在嵌岩深径比为10时，其单桩承载力特征值大于3650kN，桩径1.2m的桩在嵌岩深径比为8.33时，其单桩竖向承载力特征值大于4800kN。

按式（7）计算，桩径为1.0m的桩在嵌岩深度为10倍桩径时的单桩竖向承载力特征值为3642.7kN，桩径为1.2m的桩在嵌岩深度为8.33倍桩径时的单桩竖向承载力特征值为5187.68kN（按式（7）计算，桩径为1.2m的桩嵌岩深度实际只需6倍桩径即可满足建筑所需单桩竖向承载力特征值4786kN，但由于按桩基规范嵌岩桩计算嵌岩深度为8倍桩径时承载力特征值仅为4623.98kN，仍不能满足建筑荷载要求，因此设计时为安全起见，设计成了8.33倍桩径）。而桩静载荷试验只按设计荷载试验，并未测得桩的极限承载力，分别测得单桩竖向承载力特征值大于3650kN（大于按式（7）计算的桩径1.0m的桩在嵌岩深度为10倍桩径时的单桩

4800kN（小于按式竖向承载力特征值3642.7kN），

（7）计算的桩径1.2m的桩在嵌岩深度为8.33倍桩

径时的单桩竖向承载力特征值5187.68kN）。因

假定桩径1.0m，基岩上覆原生土很薄（土层段侧阻力可忽略不计），在极软岩天然抗压强度为2.5，4.0，5.0MPa时，不同嵌岩深径比情况下，由两种计算方法计算获得单桩竖向极限承载力标准值，由此根据桩基规范5．2．2条获得单桩竖向承载力特征值见图2

。

图2式（7）和嵌岩桩计算式获得的单桩竖向承载力特征值

此，试验只证明桩径1.0m的桩按本文提出的极限侧阻力和极限端阻力取值范围及式（7）来计算是合理、安全的。但结合计算公式分析可知，相同嵌岩深径比时，按式（7）计算的单桩竖向承载力特征值相对按嵌岩桩计算获得的单桩竖向承载力特征值的提高率与桩径无关。所以该计算方法及取值范围适用于任何桩径。6结论

（1）结合现行两本规范推导出中风化极软岩桩的极限端阻力标准值和极限侧阻力标准值的取值范围，并结合已有岩基载荷试验数据对此取值范围进行了修正，修正后确定中风化极软岩桩的极限端阻

（下转第65页）

由图2可知，两种计算方法获得的单桩竖向承载力特征值变化规律基本相似；按式（7）计算的单桩竖向承载力特征值比按嵌岩桩计算的略有增大，同一嵌岩深度时最大可提高约12%；采用嵌岩桩计算时，按桩基规范规定，最大嵌岩深径比只能取到8，而按式（7）计算时嵌岩深径比则可取到10。5工程实例

重庆市奉节县某项目基岩为泥灰岩，天然单轴抗压强度标准值为4.81MPa，属极软岩，基岩上覆土层为素填土，最厚17.6m；拟建建筑地上16层，地下2层。采用机械成孔桩，但机械成孔在桩底扩孔时

第44卷第8期梁鹏，等．常/变法向应力下松砂-混凝土接触面剪切力学性状试验研究

参

考

文

献

65

第二级法向应力与施加相同常法向应力的拟合结果表1

试验方案常法向应力200kPa第一组变法向应力

第二级法向应力200kPa常法向应力400kPa第二组变法向应力第二级法向应力400kPa

破坏比Ｒf0.9210.91

极限相对位移Δcr/mm

1.720.312.450.25

初始剪切刚度ksi/（kPa/mm）

96.94266.52140.03661.31

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SoilsandCanadian

应变呈现体缩的特征，其体缩的变化趋势与法向应

力的大小密切相关。松砂-混凝土接触面的抗剪强度与法向应力符合摩尔库伦定律。

（2）在变法向应力作用下，松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移曲线仍然呈现出应变硬化的性状，其抗剪强度与相应的常法向应力作用下的抗剪强度相同。在变法向应力作用下的体应变仍然呈现出体缩的特征，整个剪切过程中，其体应变小于相应的常法向应力作用下的体应变。

（3）试验测得在常法向应力作用下的极限相对位移的取值范围是1.29～2.45mm，随法向应力的增大而增大，并且与法向应力成线性关系，可以近似地取剪应力达到一半极限剪应力时所对应的剪切位移。

（4）在常法向应力作用下，松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可用双曲线模型来表示；在变法向应力作用下，松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可用分段双曲线模型来表示。

（上接第24页）

力标准值取值范围为1500～3800kPa，极限侧阻力标准值取值范围为140～280kPa。

（2）对于中风化基岩段，对比分析了按经验参数法计算单桩竖向承载力特征值与按嵌岩桩计算单桩竖向承载力特征值的关系。当嵌岩桩按经验参数法计算时，嵌岩深径比小于等于3时，可不考虑侧阻力系数和端阻力系数变化对单桩竖向承载力的影响，而嵌岩深径比大于3时，应考虑侧阻力系数和端阻力系数变化对其的影响。

（3）考虑侧阻力系数和端阻力系数变化提出新的计算思路，对比分析了按新计算方法式（7）和按嵌岩桩计算的单桩竖向承载力特征值。两种计算方法获得的单桩竖向承载力特征值变化规律基本相似；按式（7）计算的数值比按嵌岩桩计算的数值略有增大，同一嵌岩深径比条件下最大可提高约12%；采用嵌岩桩计算方法，按桩基规范规定最大只

能算到嵌岩深径比为8，而式（7）可计算至嵌岩深径

比为10。

（4）工程实例的桩载荷试验及公式分析证明了本文提出的计算方法及极限端阻力标准值和极限侧阻力标准值的取值范围是合理、安全的。

参

考

文

献

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