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中图分类号：TU2
文献标识码： A 文章编号：
摘要：本文通过大直径嵌岩桩在不同荷载条件下，桩侧阻及端阻所发挥的性能，分析了桩身混凝土强度、嵌岩深径比、持力层岩性、施工质量等因素对嵌岩桩承载性能的影响，有助于设计及施工人员有效控制工程质量，使工程施工更加经济安全。
关键词：大直径嵌岩桩；承载力；影响因素。
Abstract: This article through the large diameter rock socketed pile under different loading conditions, pile side resistance and tip resistance of the performance, analysis of the concrete strength of pile, rock-socketed depth-diameter ratio, bearing stratum, construction quality and other factors on rock socketed pile bearing performance, contribute to the design and construction personnel effective control of project quality, make the construction more economic security.
Key words: large diameter rock socketed pile; bearing capacity; influence factors.
一、引言
在嵌岩桩应用初期，一般把嵌岩桩当作纯粹的端承桩来设计，随着嵌岩桩在工程中的应用日益广泛，人们发现桩端嵌固部分桩岩之间的摩阻力承担了相当部分甚至绝大部分的荷载。嵌岩桩嵌入基岩后，由于桩身混凝土弹性模量与岩石弹性模量相近，粘结强度高，当桩体受荷后，通过桩与岩石间的剪切强度来传递应力，而此力远大于桩土间的摩擦阻力，因此，在一般情况下，桩-岩界面间的摩阻力承担了大部分或绝大部分桩顶荷载。
桩-岩侧界面剪应力分布模式，受岩体特性、桩-岩交界面特性和荷载水平的影响，目前对于嵌岩桩嵌岩段承载机理的研究还没有形成统一的认识。另外嵌岩桩嵌岩段的工作机理不仅受静态的嵌入深度、岩体特性、桩-岩界面（包括侧面和底面）特性的影响，还随荷载水平和时间的变化而变化。
二、嵌岩桩桩端阻力影响因素
对于嵌岩桩，由于桩的弹性模量与岩体的弹性模量相近，粘结强度高，桩与岩石能够形成一个整体，在桩的荷载传递过程中，降低了桩本身的应力集中程度，使桩、岩能较协调的工作。嵌岩桩桩端阻力影响因素众多，岩石强度、岩层的完整性、桩底沉渣等因素都会影响桩端阻力的发挥。下面分别进行分析。
1桩身混凝土强度
上覆层较浅的嵌岩短桩或中长桩，其极限荷载往往由桩身材料强度控制，而嵌岩长桩则由桩顶沉降量控制。试验表明，嵌岩深度越大，桩端阻力所占荷载比例就越小，而桩身混凝土强度愈高，则桩端阻力所占荷载比例也愈高。
对细长的嵌岩桩来说，当基桩穿过极软弱土层支承于基岩上时，在竖向荷载达到一定值时，桩身开始产生纵向弯曲，当荷载继续增加并达到一定程度时，桩身发生屈曲破坏。此类情况下桩的竖向承载力取决于桩身材料强度。（图1）
图 1 桩身材料屈服
2桩端岩体的性质
嵌岩桩桩端支承的基岩状态对嵌岩桩工作特性有很大影响，从某种意义上讲基岩的状态决定了嵌岩桩的工作特性。若桩端基岩为软质岩，桩端阻力发挥明显，但因桩端上覆岩土体的压力作用，桩端持力岩层难形成连续的剪切滑动面。若桩端基岩为硬质岩，则桩的承载力往往由桩身混凝土强度控制，其桩端阻力未充分发挥，桩身混凝土先于桩端持力岩层发生屈曲破坏。绝大多数破坏性试桩均是如此。若桩端下不远处存在有软弱夹层或溶洞，当桩顶荷载达一定强度时，桩端下软弱夹层或溶洞顶板难以支承桩端荷载而发生冲剪破坏。
具有足够桩身强度的嵌岩桩穿过抗剪强度较低的岩层时，因侧阻力发挥至極限，继续增加的荷载由桩底岩体承担。桩底岩体可逐步形成连续的滑动面，出现整体剪切破坏，并导致桩顶急剧下沉。（图2）
图 2 桩底岩体整体剪切破坏
3 嵌岩深径比
当嵌岩深径比为定值，桩顶荷载很小时，嵌岩段侧阻、端阻力几乎没有发挥，随着施加荷载的增加，荷载向下传递，嵌岩段侧阻、端阻力逐渐增加，当荷载增加到一定程度时，桩土侧阻不再变化，增加的荷载由嵌岩段的侧阻和端阻承担。
当桩顶荷载为定值时，随着嵌岩深度的增加，桩土侧阻变化不大；桩岩侧阻沿嵌岩深度减小，桩岩侧阻呈上大下小的分布；随着嵌岩深度的增加，嵌岩桩端阻逐渐减小，嵌岩达到一定深度时，端阻影响可以忽略。
4 嵌岩桩的长径比
长径比L/d对端阻力的影响也是很明显的。对于短而粗的桩，其L/d很小，且嵌岩不深（例如嵌岩深径比hr/d<0.5），桩底沉渣己被清除。这类桩受荷后桩身弹性压缩小，桩土相对位移和桩身整体位移都较小，于是桩顶荷载全部或绝大部分直接传递至基岩。对于嵌岩中长桩，其L/d较大，覆盖土层较厚而性质差，或可能因受水位冲刷等影响，潜在的摩阻力小，残积土或风化岩层厚度小，桩端嵌岩不深（hr/d<2），施工沉渣清除较好，桩受荷后桩端产生少量位移即能调动桩端阻力，并承担大部分桩顶荷载。
5 桩岩界面粗糙度的影响
孔壁粗糙度不同，嵌岩桩的承载性状会有很大的差异。孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力的影响是通过改变桩-岩侧阻力来实现的。粗糙度不仅影响着桩侧阻力的大小，而且还影响着桩侧阻力的发挥过程。此外，当岩性相同时，桩周岩体的侧阻力也不是一个确定的值，它随着孔壁粗糙程度而发生变化，而孔壁的粗糙程度则完全可以由于施工因素的影响而发生变化。
一般来说，对于嵌岩段光滑的嵌岩桩，侧阻力在较小的位移下就可以充分发挥，在嵌岩深径比hr/d=0.5时达到最大，而后迅速减小，嵌岩段侧阻的传递深度一般不大于5倍桩径，且呈脆性破坏。当嵌岩段粗糙时，嵌岩段侧阻力发挥就比较平稳，侧阻力传递深度较大，且不出现明显的脆性破坏，承载力明显提高，沉降明显减小。
总的来说，孔壁的粗糙度越大，嵌岩桩的承载力就越高。
6 成桩工艺和施工质量
从各种规范中关于桩侧阻力的取值标准可以看出，在桩周土条件相同的时候，不同施工工艺形成的桩具有不同的侧阻力值，这主要是不同施工工艺对桩-土界面的影响方式和影响程度不同。嵌岩桩多为非挤土桩，施工过程中会使桩周土体受到扰动、孔壁应力释放，使桩侧阻力降低。不同的施工工艺形成了不同的桩-土界面。
以泥浆护壁钻孔灌注桩为例，常用的成桩工艺有正循环施工和反循环施工两种方法。正循环法施工一般采用自流式循环泥浆，由于采用的泥浆比重较大，泥浆上返速度慢，成孔时间较长，除了桩底沉渣较厚外，还会在桩侧形成较厚的泥皮；而反循环法施工由于采用较小比重的泥浆，泥浆上返速度快，成孔时间相对较短，桩侧泥皮较薄。孔壁土的泥皮往往会形成涂抹效应，降低摩阻力。
7 岩桩模量比（Er/Ep）
理论和试验证明，岩桩模量比（Er/Ep）对嵌岩段侧阻力也有很大影响。桩在轴向荷载作用下，桩体发生了轴向位移及变形，在桩体径向也发生了膨胀变形，从而增强了桩侧法向应力，进而提高了桩侧阻力。当其它条件相同时，嵌岩段极限侧阻力与岩桩相对刚度呈正相关关系，即岩体的刚度越大，嵌岩段的极限侧阻力越大。嵌岩桩的端阻力占总承载力的百分数随桩岩模量比的增大而增大，随嵌岩深径比hr/d的增大而减小。
8 桩底沉渣
嵌岩桩承载性能的影响，还须充分考虑因清孔不净而残留孔底的沉渣的影响。由于“沉渣软垫”效应的存在，使得桩端未能与岩层紧密接触，桩端位移发生时，桩端只是压缩桩底沉渣，岩层的承载力未能得到发挥。因其弹性模量较低，必将产生较大的桩顶位移，使桩-岩界面的抗剪强度迅速达到峰值，并导致残余抗剪强度和承载力的降低。
对于人工挖孔嵌岩桩，由于清底较干净，“沉渣软垫”效应不大，桩端能与岩层紧密接触，桩端阻力较钻孔桩易发挥，其所占荷载比重也相应提高。桩底沉渣被清除后，桩身受荷后弹性压缩小，桩土相对位移和桩身整体位移都较小，于是桩顶荷载全部或绝大部分直接传递至基岩。
当施工过程中发生桩底清孔不净而残留沉渣较厚的情况时，桩顶荷载主要由桩侧阻力承担，嵌岩桩一般沿桩-岩界面发生破坏。
可见，孔底沉渣的存在，不仅直接影响着桩端阻力的大小，而且控制着荷载传递性状和嵌岩桩承载性能。
9 軟弱下卧层
如果桩端以下存在软弱下卧层，如溶洞、土洞等。桩端岩层不足够厚，在桩端竖向荷载的作用下，桩端岩层将发生冲切、剪切、弯拉等脆性破坏。此时需要对一定厚度下桩端阻力进行专门的验算。
三、本文总结
通过前文的分析可以知道，在不同的荷载条件下，桩土侧阻、桩岩侧阻及桩端阻的发挥情况。在正常荷载作用下，随着嵌岩深度的增加，桩土侧阻变化不大；桩岩侧阻沿嵌岩深度减小，桩岩侧阻呈上大下小的分布；随着嵌岩深度的增加，嵌岩桩端阻逐渐减小，嵌岩达到一定深度时，端阻影响可以忽略。
大直径嵌岩桩的承载力主要由嵌岩部分的侧阻和端阻提供，由于大直径嵌岩桩的嵌岩部分施工难度大、费用高、耗时长，因此合理的选择大直径嵌岩桩的施工工艺显得非常重要，同时提高混凝土强度、选用合理的桩型、采用适合的嵌岩深径比以及改善施工质量可以有效的提高桩的承载力，达到提高效益，节约成本的目的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
文献标识码： A 文章编号：
摘要：本文通过大直径嵌岩桩在不同荷载条件下，桩侧阻及端阻所发挥的性能，分析了桩身混凝土强度、嵌岩深径比、持力层岩性、施工质量等因素对嵌岩桩承载性能的影响，有助于设计及施工人员有效控制工程质量，使工程施工更加经济安全。
关键词：大直径嵌岩桩；承载力；影响因素。
Abstract: This article through the large diameter rock socketed pile under different loading conditions, pile side resistance and tip resistance of the performance, analysis of the concrete strength of pile, rock-socketed depth-diameter ratio, bearing stratum, construction quality and other factors on rock socketed pile bearing performance, contribute to the design and construction personnel effective control of project quality, make the construction more economic security.
Key words: large diameter rock socketed pile; bearing capacity; influence factors.
一、引言
在嵌岩桩应用初期，一般把嵌岩桩当作纯粹的端承桩来设计，随着嵌岩桩在工程中的应用日益广泛，人们发现桩端嵌固部分桩岩之间的摩阻力承担了相当部分甚至绝大部分的荷载。嵌岩桩嵌入基岩后，由于桩身混凝土弹性模量与岩石弹性模量相近，粘结强度高，当桩体受荷后，通过桩与岩石间的剪切强度来传递应力，而此力远大于桩土间的摩擦阻力，因此，在一般情况下，桩-岩界面间的摩阻力承担了大部分或绝大部分桩顶荷载。
桩-岩侧界面剪应力分布模式，受岩体特性、桩-岩交界面特性和荷载水平的影响，目前对于嵌岩桩嵌岩段承载机理的研究还没有形成统一的认识。另外嵌岩桩嵌岩段的工作机理不仅受静态的嵌入深度、岩体特性、桩-岩界面（包括侧面和底面）特性的影响，还随荷载水平和时间的变化而变化。
二、嵌岩桩桩端阻力影响因素
对于嵌岩桩，由于桩的弹性模量与岩体的弹性模量相近，粘结强度高，桩与岩石能够形成一个整体，在桩的荷载传递过程中，降低了桩本身的应力集中程度，使桩、岩能较协调的工作。嵌岩桩桩端阻力影响因素众多，岩石强度、岩层的完整性、桩底沉渣等因素都会影响桩端阻力的发挥。下面分别进行分析。
1桩身混凝土强度
上覆层较浅的嵌岩短桩或中长桩，其极限荷载往往由桩身材料强度控制，而嵌岩长桩则由桩顶沉降量控制。试验表明，嵌岩深度越大，桩端阻力所占荷载比例就越小，而桩身混凝土强度愈高，则桩端阻力所占荷载比例也愈高。
对细长的嵌岩桩来说，当基桩穿过极软弱土层支承于基岩上时，在竖向荷载达到一定值时，桩身开始产生纵向弯曲，当荷载继续增加并达到一定程度时，桩身发生屈曲破坏。此类情况下桩的竖向承载力取决于桩身材料强度。（图1）
图 1 桩身材料屈服
2桩端岩体的性质
嵌岩桩桩端支承的基岩状态对嵌岩桩工作特性有很大影响，从某种意义上讲基岩的状态决定了嵌岩桩的工作特性。若桩端基岩为软质岩，桩端阻力发挥明显，但因桩端上覆岩土体的压力作用，桩端持力岩层难形成连续的剪切滑动面。若桩端基岩为硬质岩，则桩的承载力往往由桩身混凝土强度控制，其桩端阻力未充分发挥，桩身混凝土先于桩端持力岩层发生屈曲破坏。绝大多数破坏性试桩均是如此。若桩端下不远处存在有软弱夹层或溶洞，当桩顶荷载达一定强度时，桩端下软弱夹层或溶洞顶板难以支承桩端荷载而发生冲剪破坏。
具有足够桩身强度的嵌岩桩穿过抗剪强度较低的岩层时，因侧阻力发挥至極限，继续增加的荷载由桩底岩体承担。桩底岩体可逐步形成连续的滑动面，出现整体剪切破坏，并导致桩顶急剧下沉。（图2）
图 2 桩底岩体整体剪切破坏
3 嵌岩深径比
当嵌岩深径比为定值，桩顶荷载很小时，嵌岩段侧阻、端阻力几乎没有发挥，随着施加荷载的增加，荷载向下传递，嵌岩段侧阻、端阻力逐渐增加，当荷载增加到一定程度时，桩土侧阻不再变化，增加的荷载由嵌岩段的侧阻和端阻承担。
当桩顶荷载为定值时，随着嵌岩深度的增加，桩土侧阻变化不大；桩岩侧阻沿嵌岩深度减小，桩岩侧阻呈上大下小的分布；随着嵌岩深度的增加，嵌岩桩端阻逐渐减小，嵌岩达到一定深度时，端阻影响可以忽略。
4 嵌岩桩的长径比
长径比L/d对端阻力的影响也是很明显的。对于短而粗的桩，其L/d很小，且嵌岩不深（例如嵌岩深径比hr/d<0.5），桩底沉渣己被清除。这类桩受荷后桩身弹性压缩小，桩土相对位移和桩身整体位移都较小，于是桩顶荷载全部或绝大部分直接传递至基岩。对于嵌岩中长桩，其L/d较大，覆盖土层较厚而性质差，或可能因受水位冲刷等影响，潜在的摩阻力小，残积土或风化岩层厚度小，桩端嵌岩不深（hr/d<2），施工沉渣清除较好，桩受荷后桩端产生少量位移即能调动桩端阻力，并承担大部分桩顶荷载。
5 桩岩界面粗糙度的影响
孔壁粗糙度不同，嵌岩桩的承载性状会有很大的差异。孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力的影响是通过改变桩-岩侧阻力来实现的。粗糙度不仅影响着桩侧阻力的大小，而且还影响着桩侧阻力的发挥过程。此外，当岩性相同时，桩周岩体的侧阻力也不是一个确定的值，它随着孔壁粗糙程度而发生变化，而孔壁的粗糙程度则完全可以由于施工因素的影响而发生变化。
一般来说，对于嵌岩段光滑的嵌岩桩，侧阻力在较小的位移下就可以充分发挥，在嵌岩深径比hr/d=0.5时达到最大，而后迅速减小，嵌岩段侧阻的传递深度一般不大于5倍桩径，且呈脆性破坏。当嵌岩段粗糙时，嵌岩段侧阻力发挥就比较平稳，侧阻力传递深度较大，且不出现明显的脆性破坏，承载力明显提高，沉降明显减小。
总的来说，孔壁的粗糙度越大，嵌岩桩的承载力就越高。
6 成桩工艺和施工质量
从各种规范中关于桩侧阻力的取值标准可以看出，在桩周土条件相同的时候，不同施工工艺形成的桩具有不同的侧阻力值，这主要是不同施工工艺对桩-土界面的影响方式和影响程度不同。嵌岩桩多为非挤土桩，施工过程中会使桩周土体受到扰动、孔壁应力释放，使桩侧阻力降低。不同的施工工艺形成了不同的桩-土界面。
以泥浆护壁钻孔灌注桩为例，常用的成桩工艺有正循环施工和反循环施工两种方法。正循环法施工一般采用自流式循环泥浆，由于采用的泥浆比重较大，泥浆上返速度慢，成孔时间较长，除了桩底沉渣较厚外，还会在桩侧形成较厚的泥皮；而反循环法施工由于采用较小比重的泥浆，泥浆上返速度快，成孔时间相对较短，桩侧泥皮较薄。孔壁土的泥皮往往会形成涂抹效应，降低摩阻力。
7 岩桩模量比（Er/Ep）
理论和试验证明，岩桩模量比（Er/Ep）对嵌岩段侧阻力也有很大影响。桩在轴向荷载作用下，桩体发生了轴向位移及变形，在桩体径向也发生了膨胀变形，从而增强了桩侧法向应力，进而提高了桩侧阻力。当其它条件相同时，嵌岩段极限侧阻力与岩桩相对刚度呈正相关关系，即岩体的刚度越大，嵌岩段的极限侧阻力越大。嵌岩桩的端阻力占总承载力的百分数随桩岩模量比的增大而增大，随嵌岩深径比hr/d的增大而减小。
8 桩底沉渣
嵌岩桩承载性能的影响，还须充分考虑因清孔不净而残留孔底的沉渣的影响。由于“沉渣软垫”效应的存在，使得桩端未能与岩层紧密接触，桩端位移发生时，桩端只是压缩桩底沉渣，岩层的承载力未能得到发挥。因其弹性模量较低，必将产生较大的桩顶位移，使桩-岩界面的抗剪强度迅速达到峰值，并导致残余抗剪强度和承载力的降低。
对于人工挖孔嵌岩桩，由于清底较干净，“沉渣软垫”效应不大，桩端能与岩层紧密接触，桩端阻力较钻孔桩易发挥，其所占荷载比重也相应提高。桩底沉渣被清除后，桩身受荷后弹性压缩小，桩土相对位移和桩身整体位移都较小，于是桩顶荷载全部或绝大部分直接传递至基岩。
当施工过程中发生桩底清孔不净而残留沉渣较厚的情况时，桩顶荷载主要由桩侧阻力承担，嵌岩桩一般沿桩-岩界面发生破坏。
可见，孔底沉渣的存在，不仅直接影响着桩端阻力的大小，而且控制着荷载传递性状和嵌岩桩承载性能。
9 軟弱下卧层
如果桩端以下存在软弱下卧层，如溶洞、土洞等。桩端岩层不足够厚，在桩端竖向荷载的作用下，桩端岩层将发生冲切、剪切、弯拉等脆性破坏。此时需要对一定厚度下桩端阻力进行专门的验算。
三、本文总结
通过前文的分析可以知道，在不同的荷载条件下，桩土侧阻、桩岩侧阻及桩端阻的发挥情况。在正常荷载作用下，随着嵌岩深度的增加，桩土侧阻变化不大；桩岩侧阻沿嵌岩深度减小，桩岩侧阻呈上大下小的分布；随着嵌岩深度的增加，嵌岩桩端阻逐渐减小，嵌岩达到一定深度时，端阻影响可以忽略。
大直径嵌岩桩的承载力主要由嵌岩部分的侧阻和端阻提供，由于大直径嵌岩桩的嵌岩部分施工难度大、费用高、耗时长，因此合理的选择大直径嵌岩桩的施工工艺显得非常重要，同时提高混凝土强度、选用合理的桩型、采用适合的嵌岩深径比以及改善施工质量可以有效的提高桩的承载力，达到提高效益，节约成本的目的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。