孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力的影响_刘利民

孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力的影响刘利民(上海建工(集团)总公司　200002)　何水莲(湛江市建筑设计所　524003)[提要]　总结了孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力影响的规律,探讨了孔壁粗糙度影响嵌岩桩承载性状的机理,分析了影响嵌岩桩孔壁粗糙度的因素,指出改善孔壁粗糙度是提高钻孔灌注桩承载力的有效途径。

[关键词]　嵌岩桩　孔壁粗糙度　承载力　影响　因素T he rule of hole side roughness affecting the bearing capacity of rock -socked pile has been summarized ,the principle of the effect o f hole side roug hness to rock -socked pile bearing capacity has been studied .T he factors that affect hole side roug hness have been analyzed .T he result that it is an effective method to increase bored pile bearing capacity by improving hole side roug hness has been pointed out .Keywords :ro ck -socked pile ;hole side roughness ;bearing capacity ;effect ;facto r 《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)提出了计及桩侧阻力的嵌岩桩承载力计算方法,但还远不能解释嵌岩桩桩侧阻力的作用机制和嵌岩桩的承载变形性状。

其实,在一般的中、长嵌岩桩中,桩侧阻力所发挥的作用要大得多,其作用的机理也复杂得多,而这其中孔壁粗糙度是一个十分关键的因素。

因此,深入研究孔壁粗糙度对其承载力的影响就显得十分重要。

一、关于孔壁粗糙度的分类Pells 较早地认识到在嵌岩桩中不同孔壁粗糙度对桩侧阻力的影响,并提出了一整套划分孔壁岩石粗糙度的分类标准,如表1。

Pells 建议的孔壁粗糙度的分类方法表1类别特　征　描　述R1笔直、光滑的桩孔内壁沟槽或凹凸深度大于1mm R2沟槽深度为1～4mm ,宽度大于2mm ,间距为50～200mmR3沟槽深度为4～10mm ,宽度大于5mm ,间距为50～200mmR4沟槽深度大于10mm ,宽度亦大于10mm ,间距为50～200mm 以此为基础,Rowe 和Armitage 建立了不同岩石中粗糙程度从R1到R4时桩侧阻力的数据库。

但是Pells 的分类只是粗略和局部的,在实际应用中还存在很大的困难。

八十年代初期,M atich ,K ozicki ,W oodard ,Pells 和Williams 等人都曾进行过在孔壁施工凹凸槽来提高嵌岩桩承载力的试验,尽管在定量评价上存在一定的差异,但他们对孔壁的凹凸肯定对桩侧阻力和Q ～s 曲线有很大影响这一结论的认识则是完全一致的。

要定量描述孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力的影响,首先必须对孔壁的粗糙度进行定量的描述,由于岩石材料自身的复杂性,要定量描述孔壁的粗糙度是十分困难的。

直到1982年,加拿大的Horvath 才提出了用凹凸度因子RF 来描述孔壁粗糙度的定量方法:RF =Δr r s ·L tL s(1)式中:Δr 为凸出部分径向扩大尺寸的平均值(mm );r s 为孔壁半径的平均值(mm );L s 为钻孔的深度(mm );L t 为沿着钻孔深度方向剖面曲线的总长度(mm )。

其中的Δr /r s 是孔壁凹凸的相对深度,表示孔壁沿径向的变化情况;L t /L s 是孔壁沿深度方向的变化,表示了孔壁总的形状。

确定RF 的基本方法是:在清孔完毕后,使用测孔仪测量孔壁四个竖向剖面的长度,取其平均值作为L s ,另外用测量仪器沿其中的一个剖面轨迹量测,其结果为L t ;Δr 是孔壁半径变化的平均值。

利用这两个参数就可以完整地描述孔壁形状的空间变化情况。

从Ho rvath 的定义可以看出,粗糙度因子越大,孔壁就越粗糙。

二、不同孔壁粗糙度时桩的承载性状描述孔壁粗糙度方法的确定,为研究孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力的影响奠定了基础。

通过模型试验的对比,Horvath 又进一步提出桩侧阻力与凹凸度因子的关系:10第30卷第11期建　筑　结　构2000年11月沉降发生前沉降发生后 图3　嵌岩桩受力前后的状态图4　不同粗糙度时嵌岩桩的法向和侧阻力f s =0.8σcw [RF ]0.45(2)式中,f s 为桩侧阻力(kP a ),σcw 为岩石强度(kPa )。

从式(2)可以看出,在其它条件一定的情况下,粗糙度因子越大,桩侧阻力就越大,从而桩的承载力就越高。

下面通过典型试验结果的分析,说明孔壁粗糙度对嵌岩桩桩侧阻力的影响。

桩周岩石为泥岩,岩石的重度γ=25.9kN /m 3,E s =6.75M Pa ,μ=0.22,R QD =70%。

桩身混凝土单轴抗压强度49M Pa ,弹性模量为35G Pa ,泊松比为0.27。

桩的设计直径为710mm ,桩长1.73m ,其中桩P 1孔壁光滑,P 2,P 3孔壁凹凸。

P 2凹凸之间的距离为150mm ,凸出25mm ,凸出长度40mm ,P 3凹凸之间的距离为150mm ,凸出45mm ,凸出长度60mm 。

桩的端部悬空。

试验结果如表2和图1所示。

三根嵌岩桩的载荷试验结果表2桩 号P 1P 2P 3凹凸度因子0.0360.0760.100桩身荷载Q (M N )3.46.17.5侧阻力Q s (M Pa )1.112.02.45桩顶沉降(mm )5.214.611.0 从表2可以看出,当粗糙度从0.036提高到0.076时,桩侧阻力从1.11M Pa 提高到2.0M Pa ,提高了80%;当粗糙度从0.076提高到0.10,桩侧阻力从2.0M Pa 提高到2.45M Pa ,提高了22.5%。

当从完全光滑到具有一定粗糙度时,桩侧阻力有很大幅度的提高,但随着粗糙度的进一步提高,桩侧阻力提高的幅度减小。

孔壁粗糙度不仅影响着桩侧阻力的大小,而且影响着桩侧阻力的发展进程。

图2是桩底悬空、孔壁光滑和孔壁粗糙的嵌岩桩载荷试验曲线。

其中桩A 3,直径315mm ,砂岩,孔壁有7.5mm 凹槽;桩C 2,直径160mm ,砂岩,光滑;桩S 3,直径1170mm ,泥图1　不同粗糙度时嵌岩桩载荷试验结果图2　不同粗糙度时嵌岩桩承载特征岩,孔壁粗糙;桩S 12,直径335mm ,泥岩,孔壁有均布的3mm 蚀坑。

从中发现孔壁粗糙度对于嵌岩桩桩身侧阻力的性状(侧阻力的最大值、残余值以及相应的位移量)有着很大的影响。

当孔壁光滑时,嵌岩桩平均侧阻力与桩的沉降呈现脆性破坏,如图2中的桩C 2和S 12,当桩的沉降很小时,嵌岩桩的平均侧阻力已经达到最大值,随着嵌岩桩沉降的增加,平均侧阻力从最大值逐渐减小,最后减小到残余值,并且嵌岩桩的平均侧阻力与残余值的差异较大。

当孔壁粗糙时,嵌岩桩平均侧阻力与桩的沉降关系曲线呈加工硬化型响应,如图2中的桩A 3和S 3,其主要特征是:屈服过程较平缓,平均侧阻力与残余值的最大值非常接近。

与平均侧阻力最大值所对应的桩的沉降量要比光滑孔中大得多。

此外,当岩性相同时,随着钻孔粗糙度的增大,嵌岩桩最大侧阻力的最大值与残余值都将增大。

三、孔壁粗糙度影响桩侧阻力的机理图3是桩顶荷载作用前后嵌岩桩的状态,图4是孔壁光滑和凹凸时嵌岩桩法向应力和侧阻力的对比。

从中可以清楚地看出,在桩顶荷载作用下,桩首先发生轴向位移,并且沿孔壁方向发生侧向剪胀,孔壁的凹凸限制了桩的滑移,增强了法向应力,进而提高了桩侧的阻力。

孔壁粗糙时的径向和法向应力都大于孔壁光滑时的相应值。

文献[5]已经从理论上11证明了该结论的正确性。

四、影响钻孔粗糙度的因素影响嵌岩桩孔壁粗糙度的因素很多,归结起来主要有以下两个方面:(1)岩石强度对孔壁粗糙度的影响一般来说,岩石的强度越高,钻孔的粗糙度就越低。

对于无侧限强度q u 大于10M Pa 的中等强度和高强度岩石已经很难钻孔,要钻出粗糙孔难度更大,在这类岩石中侧阻力与无侧限抗压强度之比f su /q u 较低;对于无侧限强度q u 小于10M Pa 的低强度岩石或者软岩,已经能够钻出比较粗糙的孔,这类岩石中侧阻力与无侧限抗压强度之比f su /q u 较高。

如图5所示。

图5　岩石强度对桩侧阻力的影响(2)岩石节理对孔壁粗糙度的影响岩石的节理对嵌岩桩侧阻力的影响比较复杂,节理发育,岩石的结构强度较低。

但从提高孔壁粗糙度的角度来看,节理的存在有利于孔壁粗糙度的提高。

一般说来,岩石节理的存在对提高孔壁的粗糙度乃至侧阻力都是有利的。

五、结论(1)利用粗糙度因子来描述孔壁的粗糙程度并建立起孔壁粗糙度与桩侧阻力之间的定量关系是有益的尝试,是深入研究孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力影响的前提和基础。

(2)孔壁粗糙度不同,嵌岩桩的承载性状会有很大的差异。

(3)孔壁粗糙度对嵌岩桩承载力的影响是通过改变桩侧阻力来实现的。

一般来说,孔壁的粗糙度越大,嵌岩桩的承载力就越高。

(4)岩石强度和节理是影响嵌岩桩粗糙度的两个主要因素:岩石强度越高,孔壁的粗糙度就越大;岩石的节理发育,有助于形成较大的粗糙度。

(5)在条件许可的情况下,人为地增加孔壁的粗糙度是提高嵌岩桩承载力的有效途径。

(6)虽然本文的研究是以嵌岩桩为基础进行的,但这些结论基本上也适用于灌注桩。

只不过一般的灌注桩孔壁凹凸在宏观尺度上要大得多,其作用机理也更复杂。

参考文献1.Horvath R G ,Kenny T C ,Kozichi P .M ethod of improving the performance of drilled piers in w eak rock .Can .Geotech .J ,Vol .20,1983.2.Paolo Carrubba .Skin friction of carge -diameter pil es socked into rock .Can .Geotech .J ,Vol .34,1997.3.Johnston I W ,Haberfield C M .Side resistance of pil es in w eak rock .Eu ropean Practice and Worldwide Trends .Lon -don ,1992.4.建筑桩基技术规范(JGJ94—94).北京:中国建筑工业出版社,1995.5.洪南福.硬土层、软质岩石灌注桩改进承载性状的试验研究.博士学位论文,同济大学,1999.6.刘利民.桩基础内力分析方法的研究.博士学位论文,同济大学,1997.7.李发明,陈竹昌,刘利民.桩侧阻力几种退化效应简述.土工基础,1998,(1).8.秦宗付.凹凸型钻孔灌注桩施工技术.探矿工程,1996,(6).欢迎订阅2001年《建筑结构》(月刊)《建筑结构》(月刊)创刊于1971年,已出版了30卷200余期。