随着我国实施西部大开发战略, 将有越来越多的工程兴建在岩溶地区, 由于岩溶的存在, 桩基承载力大小的确定就显得尤为必要。现有规范认为单桩竖向承载力的确定取决于两方面: (1) 桩身的材料强度; (2) 地层的支承力。设计时分别按这两方面确定后取其中的小值。目前设计规范一般把岩溶地区的桩基视为嵌岩端承桩, 国内外许多学者虽对嵌岩桩的研究比较深入, 但对岩溶发育区桩基承载性状研究报道极少, 对于岩溶区桩基承载力的确定也没有明确和统一的规定, 因此加强岩溶桩基承载特性研究, 具有较大的经济、技术价值和重要的理论、现实意义。
现场载荷实验是最可靠的实验方法之一。文献[5]分别选取了有溶洞桩基和无溶洞桩基各1根, 对岩溶地区桥基承载特性进行了详细的对比分析。桩身周围岩层分布情况如下 (图1) , 有溶洞桩基:1501.48m以上为青灰色弱风化中层状-块状硅质白云岩;1501.48~495.08m为黄灰色、青灰色、褐红色强-中风化碎石状硅质白云岩, 于东南侧发现溶洞 (占桩底面积的2/5) , 溶洞高20余低垂直发育。
采用自平衡测试方法[6]进行测试, 原理见图2。实验时, 从桩顶通过高压油管对荷载箱内腔施加压力, 箱顶与箱底被推开, 产生向上与向下的推力, 从而调动桩周土的侧阻力与端阻力来维持加载。荷载箱产生的荷载沿桩身轴向传递, 假设桩身结构完好, 通过量测预先埋设在桩体内的应变计, 可以实测到各应变计在每级荷载作用下所得的应变, 由此可得到各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力值及轴力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。
测试结果表明, 溶洞对桩承载特性的影响, 主要表现为对整个桩身桩侧摩阻力的影响。当桩端岩土强度较低时, 仅使桩侧摩阻力降低, 并使桩土临界位移增大, 溶洞在桩底附近形成临空面将导致岩土体的整体强度降低。
利用静载荷实验进行桩基承载特性研究, 实验结果准确、可靠。但由于该实验费钱、费时、费力, 且多作为工程桩使用, 在测试过程中通常也不会加载至桩身破坏, 因而实测完整的试桩资料还比较匮乏。
当现场实验较难进行时, 可选择室内模拟实验, 即在实验室内进行桩基模型实验, 分析桩基在一定荷载作用下的承载力、位移与荷载分布规律等之间的关系, 并与理论研究和数值分析结果进行对比。文献「7]提出一种利用室内桩基物理模型进行模拟实验的方案, 应用相似原理和桩体与溶洞顶板的作用原理, 推导了模型与原型的转换关系;通过正交实验, 用相似材料对岩溶地区的灰岩岩体特性进行模拟, 并选择一个配方555 (砂、水泥、石膏的质量比为50505) 作为模拟顶板的模拟材料配方 (主要指标见表1) 。
把岩溶地区顶板简化为一完整的矩形板, 其边界条件为2对边简支、另2对边自由, 而把岩溶地区嵌岩灌注桩简化为只承受竖向荷载的端承桩;在自制的桩基物理模型上, 对3个模拟顶板试件进行破坏性静载实验, 并得出3个试件的顶板极限荷载位移曲线。
室内实验尽管花费少, 操作简单方便, 但难以准确描述溶洞特性对桩基承载力的影响, 且溶的数据进行比对的情况下, 说服力就略显不足, 但仍不失为一种研究的手段。
由于溶洞的存在, 使得岩溶地区的嵌岩桩与普通嵌岩桩相比有着自身的特点, 文献「8]利用有限元分析的方法, 考虑最不利的情况, 假定桩顶荷载全部传递至桩端, 且溶洞正好位于桩端的正下方, 简化为一直径为L的圆柱形洞穴 (见图3。H为顶板厚度, H0为溶洞高度, D为桩径) 。
该文着重探讨了岩溶地区溶洞特性对桩基承载力影响, 包括溶洞体积的大小、顶板厚度H以及岩性对桩基承载力的影响 (图4) 。分析结果表明:在主要影响因素中, 溶洞高度大小对顶板稳定性影响较小, 溶洞顶板跨度D、顶板厚度H影响较大, 而围岩的性质影响最为明显。
为了研究溶洞顶板的稳定性随洞体大小、单桩设计荷载等因素的变化情况, 文献[9]假定洞体为椭球体, 选取了20组大小不同的洞体和单桩设计荷载对溶洞顶板的稳定性进行计算分析。采用多元线性回归的方法求得桩底到溶洞顶部距离临界值与溶洞大小和单桩设计荷载之间的关系式, 即:H=0.67264x+0.02044y+0.76718z+0.000055P+0.37689, 式中:x为椭球体的长度, y为椭球体的高度, z为椭球体的宽度, P为单桩的设计荷载, H为桩底到溶洞顶部距离的临界值。工程实例证明:回归方程的验证结果与实际情况相吻合。
计算机模拟是一种十分成熟的数值方法, 具有适用性强, 处理非均质、非线性、复杂边界问题方便等突出优点。该方法已广泛应用于土木工程, 但用于岩土工程方面还有一定困难, 目前尚没有适合岩土材料的弹塑性模型, 因此对桩基本身进行模拟分析还较少, 有待于进一步发展和完善。
通过对岩石变形特性及其破坏机理的分析, 在确定岩溶区桩基持力岩层安全厚度时, 将持力岩层视为一刚性底板, 其上作用一垂直荷载P (图5) , 提出了底板可能出现冲切、剪切和弯拉破坏时的计算公式。根据抗冲切计算分析, 认为岩溶区桩基即使忽略下卧层软岩的顶托力, 持力层硬岩厚度一般达2.5倍桩径, 已足够安全;当桩端岩石厚度达到3倍桩径时, 可满足抗剪切要求。冲切验算如下:
式中:p为作用在桩底的竖向荷载;Q为冲切锥台表面上硬持力层的抗拉力;q为冲切锥台底面下卧层顶的承托力;民为持力岩层的抗拉设计强度;Rd为冲切锥台底面下卧层顶的设计承托强度 (可忽略) ;A为冲切锥台的侧表面积;人为冲切锥台的底面积;n为安全系数。
力学分析方法是结构工程中最常用的分析方法, 它以弹塑性理论为基础, 对工程中的构件或结构进行分析计算, 并根据一定的设计原则和要求, 校核其强度、刚度或者稳定性。虽然力学方法适应范围小, 所研究的结构形式简单, 但是方法成熟, 运算简便, 应用方便, 在实际中应用较广。
综上所述, 岩溶地区溶洞对桩基的侧阻力、端阻力的发挥均有较大影响, 在保证顶板稳定的前提下, 围岩特性对桩基承载力影响最大。而溶洞顶板跨度和厚度对桩基承载力也有较大影响。
现行规范对嵌岩桩基承载力的计算主要采用3种方法。
桩端阻力的确定方法是将岩石饱和单轴极限抗压强度 (新鲜基岩, 微风化、中风化岩) 乘以某一折减系数。《建筑地基规范》 (GBJ-89) 采用的即是此类公式, 它只符合支承于基岩表面的短桩承载力情况。
这类方法流行于桥基设计, 主要是考虑到冲刷的影响而忽略全部土层的侧阻力。《公路桥涵地基与基础设计规范》 (JTJ024-85) 以及《铁路桥涵设计规范》 (TGJZ-85) 即属于此类。但这二者用于计算长径比较大的建筑物嵌岩灌注桩都存在与实际承载力情况不符的缺点。
这种计算模式体现了我国20世纪90年代嵌岩桩的研究成果.也代表了嵌岩规范方面的国际先进水平, 主要规范有《建筑桩基技术规范》 (JGJ94-94) 等。
在岩溶地区, 当岩溶顶板安全厚度范围外存在溶洞时, 可不考虑溶洞对桩基承载力的影响, 单桩竖向极限承载力由桩周岩土总侧阻和嵌总端阻组成;按岩溶地区中的桩基设计》规定, 按本身材料强度和岩土层对桩的支承力求算而取其中的较小值。按桩本身材料强度确定如下:
式中:R为单桩容许承载力kPa;ɸ为钢筋混凝土受压构件的稳定系数;fc为混凝土的轴向抗压强度设计值, MPa;A为桩身截面积时) 。按岩土对桩的支撑条件可确定为:
式中:n为折减系数, 无扩大头时取1;qp为桩底岩层的容许承载力 (kPa) ;Ap为桩身横截面积;Up为桩身周边长度 (m) ;qs为桩身各层岩土的容许摩阻力少k Pa;li为按岩土层划分的各段桩身长度 (m) ;c为基岩嵌固力系数;D为桩身嵌入段直径;hi桩身嵌入基岩深度;Ri嵌入段基岩各层单轴抗压强度。
当岩溶顶板安全厚度范围内存在溶洞或裂隙时, 应考虑其对桩基承载力的不利影响, 单桩竖向承载力可由摩擦力决定 (可参阅相关专业规范) , 且需要验算顶板的稳定性。
目前, 对岩溶洞体顶板稳定性分析评价的方法, 主要有定性评价和半定量评价等方法, 由于洞体受力状况、围岩应力场的演变十分复杂, 要确定洞体破坏形式和取得符合实际的岩体力学参数又很困难, 加之受探测手段的局限, 因此, 定量评价方法在工程实践中受到很大限制, 而定性、半定量的评价方法较为适用, 目前还在不断的探索提高中[3,4]。
岩溶发育区桩基承载力的确定十分复杂, 迄今为止, 尚没有很完善的理论方法和经验公式进行计算。由于室内实验存在误差及取样困难等, 室内测试指标并不能完全真实地反映试样原位受力状况, 所以单纯依靠室内实验参数公式来计算路基承载力不可避免带来较大误差;原位实验耗资大、实验周期长, 故对岩溶强发育区路基承载研究仍不够深入。加上技术和经济上的困难, 关于岩溶路基承载的实验研究很少在原位进行过, 即使室内实验也少有研究。因此, 尽管本文提出了岩溶地区桩基承载力的确定方法, 在具体运用时, 还应通过以上几种方法综合确定。
摘要：本文笔者对岩溶地区桩基承载特性进行了分析和讨论, 并对当前的相关规范作了分析评价, 最后提出了自己的见解, 供同行参考。
关键词：岩土工程,承载力,讨论
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