□肇慶市肇通資產經營****閻海鴻
摘要：針對現有橋梁規範中計算嵌巖樁的單樁軸向受壓容許承載力的公式提出幾個問題，同時提出了在不同條件下嵌巖樁單樁軸向受壓容許承載力更合理的計算方法，論述了建議方法的經濟效益。
關鍵詞：嵌巖樁側阻力端阻力單軸極限抗壓強度長徑比
隨著現代成樁工藝、樁體結構的檢測技術與樁的承載力等方面的進步和提高，樁與樁基礎得到越來越廣泛的應用；當橋梁上部結構荷載較大，而適合作為持力層的岩層又埋藏較深或雖然可作為持力層的土層埋藏不深但其下又存在軟弱下臥層，用天然淺基礎不能滿足結構物對地基強度、變形和穩定性方面的要求時，嵌巖樁作為樁基礎的一種形式往往是常用的一種基礎。
現行橋梁規範對嵌巖樁垂直承載力的計算，有很多值得**的地方。由於山區公路橋梁中所採用的嵌巖樁數量佔了相當大的比例，從而積累了大量的實踐經驗，從這些嵌巖樁的試樁實驗中得知，嵌巖樁的實際垂直極限承載力pj常常遠大於規範中的計算值。
1 規範對嵌巖樁計算的規定
支承在基岩上或岩層中的單樁，其軸向受壓容許承載力取決於樁底處岩石的強度和嵌入基岩的深度，可按下式計算：
〔p〕＝（c1a+c2uh）ra〔1〕 （1）
式中：ra——天然濕度的岩石單軸極限抗壓強度（kpa），試件直徑為7～10 cm，試件高度與試件直徑相等；
h——樁嵌入基岩深度（m），不包括風化層；
u——樁嵌入基岩部分的橫截面周長（m），按設計直徑計算；
a——樁底截面面積（m2）；
c1、c2——根據清孔情況、岩石破碎程度等因素而定的係數，按表1採用；
表1. 係數c1、c2值
注：①當h≤0.5 m時，c1採用表列數值的0.75倍，c2＝0；
②對於鑽孔樁，c1、c2值取錶值的0.8倍。
1.1 《規範》提出的公式（1）值得思考的幾個問題
1.1.1 公式（1）中未考慮新鮮基岩以上覆蓋層的側阻力
顯然，這對於埋置較深的樁基是不經濟的。在清孔絕對乾淨，樁底處於理想支撐，樁底岩石完整且強度很高時，樁的豎向位移很微小，公式（1）合理的、適用的，但近年來大量的實踐資料表明，當樁的長徑比l/d＞15～20的泥漿護壁鑽(挖）孔嵌巖樁時，無論是嵌入風化巖還是完整的基岩中，其荷載傳遞都具有摩擦樁的特徵，即樁側阻力先於端阻力發揮出來，樁端分擔的荷載並不大，屬於摩擦樁。在一般情況下，其樁側阻力的荷載都超過60％；當長徑比l/d＞35時，在覆蓋層不太軟弱的情況下，其側阻力分擔的荷載將超過95％，端阻力分擔的荷載不足5％，幾乎可以忽略不計。
這是由於對嵌巖樁而言，一方面，即使樁身不會下滑，但樁頂的彈性壓縮變形是必然有的，即樁尖沉降△h＝0，樁身有彈性壓縮△，樁頂沉降△0＝△（見圖1a），這個彈性壓縮量△引發了樁周土體的剪應力τ，也即是土對樁的摩阻力。剪應力與剪下變形成正比，表層剪應力τ，底層剪應力τ＝0，呈三角形分布（見圖1b）。當荷載p增大時，△逐漸增大，表層剪應力為τ達到極限值〔τ〕。
此時荷載仍由樁側摩阻力承擔（見圖1c）。如果荷載繼續增大，則荷載增大部分全部由樁尖岩體的支承力來承擔，直至達到樁尖土層的極限承載力〔ph〕，此時，樁側摩阻力和樁尖支承力都到極限狀態（如圖1d）。
圖1另一方面，鑽孔樁的孔底總會殘留一部分沉渣，這些沉渣將形成乙個可壓縮的軟墊，致使樁底也會產生沉降，這一沉降和上述樁本身的壓縮導致樁身與土體、嵌巖段樁身與岩體產生相對位移，從而產生側阻力，而端阻力由於「軟墊」效應，不能完全發揮出來；此外，樁身軸力nz由於樁頂荷載在沿樁身向下傳遞的過程中，必須不斷地克服樁側阻力，從而使樁身軸力nz隨深度逐漸減小，傳至樁底的軸力即樁底反力nl，等於樁頂荷載減去全部樁側摩阻力。以上幾點表明，不考慮樁的長徑比，忽視樁側阻力的作用是既不符合實際情況、又不經濟的。〔2〕
1.1.2 對公式（1）中「h」要求的理解
公式（1）中對「h」的要求是「樁嵌入基岩的深度，不包括風化層」，設計人員的一般理解是樁必須嵌入新鮮基岩，而不論其上面風化岩層的強度如何，這也是值得我們思考的問題。
對岩石按強度分類的規定（表2）可知，岩石極限抗壓強度可相差6倍以上，有的強風化硬質巖（如花崗岩），其極限強度仍可超過10mpa而大於極軟巖新鮮基岩的強度。說明一般硬質巖的微弱風化層、甚至強風化層的強度都相當高，不考慮這些層次的嵌巖深度，一律要求嵌入新鮮基岩顯然是不盡合理的。在風化層很厚的情況下，嵌巖很深，必然導致工程量的增大、計算承載力〔p〕遠小於實際極限承載能力pj的情況出現。
表2. 岩石的分類
1.1.3 對公式（1）中「ra」的理解
公式〔1〕中對岩石單軸極限抗壓強度ra的定義有欠缺，設計人員一般採用鑽孔試件的平均強度值。然而，事實上，在岩石強度隨深度而增加的情況下，會導致樁的計算承載能力偏低，從而影響樁長的確定。
2 建議的計算方法
以樁的長徑比和樁尖岩石單軸極限強度來區別是否考慮上覆蓋層的側阻力（qsk）及嵌巖段側阻力（qrk）問題。
（1）當樁尖岩石單軸極限抗壓強度raj≥10mpa，且l/d≤20時，不考慮上覆蓋層的側阻力及嵌巖段阻力，按嵌巖樁計算；當l/d＞20時，按嵌巖樁計算，不考慮上覆蓋層的側阻力，但必須考慮嵌巖段阻力；（2）當樁尖岩石單軸極限抗壓強度raj＜10 mpa，且l/d≤20時，按嵌巖樁計算，不考慮上覆蓋層的側阻力，但需考慮嵌巖段阻力；當l/d＞20時，原則上樁按摩擦樁計算，即既要考慮上覆蓋層的側阻力，又要考慮嵌巖段阻力，同時還需考慮端阻力（qpk）。
此外，嵌巖深度h可包含岩石單軸極限抗壓強度≥10 mpa的所有風化層，對於中小型橋梁，甚至包括強風化層。
3 實際應用時需注意的問題
對於特大跨徑橋梁和重要大跨徑橋梁的嵌巖樁，應避免將樁底設在強風化層上；對於存在沖刷作用的橋梁樁基，l（樁長）指最大沖刷線以下的樁長；當樁的嵌巖深度達到5d時，qpk可不考慮。
各種情況下的計算公式
(1)當raj≥10 mpa；l/d≤20時，按下式計算
〔p〕＝c1ara1+c2uhra2 （2）
式中：ra1——樁尖以下3～4倍直徑深度內天然濕度基岩的單軸極限抗壓強度平均值；
ra2——樁嵌巖部分天然濕度基岩單軸極限強度的按厚度加權平均值；
h——樁嵌巖部分天然濕度基岩單軸極限強度≥10 mpa的深度。
(2)當raj≥10 mpa；l/d＞20時，按下式計算
〔p〕＝c1ara1+c2uhra2+ qrk （3）
qrk＝1/2ulτp
式中：qrk——嵌巖段總極限側阻力。
τp——風化巖限極摩阻力，文獻﹝1﹞表4.3.2-1中取值，風化岩層一般採用160 kpa～400 kpa，偏安全的取小值。
l——樁嵌入風化層（包括強風化、中等風化）中的深度。
(3)當raj＜10 mpa；l/d≤20時，按下式計算
〔p〕＝（c1a+c2uh）ra+ qrk （4）
(4) 當raj＜10 mpa；l/d＞20時，按下式計算
〔p〕＝qsk+ qrk +qpk5）
qsk＝u∑ζsiτskili
qrk＝uζs hrra
qpk＝ζpraa
式中：qsk、qrk、qpk——分別為土的總極限側阻力、嵌巖段總極限側阻力、總極限端阻力標準值；
ζsi——覆蓋層第i層土的側阻力發揮係數；當樁端置於新鮮或微風化硬質岩中且樁底無沉渣時，對於粘性土、粉土，取ζsi＝0.8；對於砂類土及碎石類土，取ζsi＝0.7；對於其他情況，取ζsi＝1.
0；τski——樁周第i層土的極限側阻力標準值（kpa），按文獻〔1〕表5.2.8-1中取值；
li——樁穿越第i層土的厚度；
ζs——嵌層段側阻力修正係數，與嵌巖深徑比h/d有關，按表3取值；
ζp——端阻力修正係數，與嵌巖深徑比h/d有關，按表3取值；
hr——等於h，樁身嵌巖（包括風化層）的深度，超過5d時，取hr＝5d。
表3. 嵌巖段側阻和端阻修正係數
注：當嵌巖段為中等風化岩時，表中數值按0.9倍折減。其它符號同前。
4 建議計算方法的經濟效益
4.1 工程例項一
某高速公路沙湖互通立交l匝道lk0+619.52大橋，上部構造為:6x20+2x30+1x20 m 的預應力砼空心板與預應力砼箱梁組合橋，其2號橋墩為雙柱雙基式橋墩，樁徑d＝1.
4 m，樁長20 m，樁底岩石極限抗壓強度ra＝4.0 mpa。單樁軸向受壓承載力p＝4271 kn，按嵌巖樁設計（如圖2），要求計算該橋樁的嵌巖深度及實際所需樁長。
(1)ra＝4.0 mpa＜10 mpa；l/d＝14.29＜20；採用公式（4）計算：
〔p〕＝（c1a+c2uh）ra+ qrk
＝（0.32×1.539+0.024×4.398h）×4000+0.5×4.398×3×300
＝3949+422h
樁底最大垂直力為：
nmax ＝4271+1/2（17+h）π×0.72×25
＝4598+19h
即：3949+422h＝4598+19h
h＝1.61（m）
取h＝2.0 m，實際樁長為19 m。
(2)按橋規公式（1）計算：
〔p〕＝（c1a+c2uh）ra
＝（0.32×1.539+0.024×4.398×h）×4000
＝1970+422h
即：1970+422h＝4598+19h
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