岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究
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摘要
目前，国内外对于岩溶地区嵌岩桩的工作特性的研究一直不很充分，其承载力特性、剪应力分布模式、最佳嵌固深度和岩溶顶板厚度、岩质性状对桩基特性的影响等有待进一步研究与完善。针对岩溶地区嵌岩桩特性的模拟模型试验研究相关报道比较少。本文就解决岩溶地区，桩基竖向荷载作用下岩溶顶板安全厚度以及嵌岩深度问题进行了深入的探讨，并研制了相应的物理模型进行了试验研究，取得了较为满意的结论。
本文首先在参考大量的国内外文献资料的基础上，对竖向荷载下基桩的荷载传递机理进行了深入的分析与讨论，并对基桩荷载传递性状的变化规律进行了归纳与总结。同时对单桩的荷载-沉降特性的机理进行了探讨，将单桩荷载-沉降曲线综合为六种，并列举了四类缺陷形成的异常P-S曲线。对于基桩竖向承载力的确定，提出了按桩身结构强度确定、按土的强度与变形确定以及按静力分析法确定等几种方法。在基桩的深度效应方面，研究了桩端阻力和和桩侧阻力的深度效应，从理论上提出了端阻力的临界深度以及深度效应的内在机理；讨论了岩溶地区桩基的负摩擦力问题。
通过对岩溶地区嵌岩桩工作性状和破坏模式的理论分析，认为在岩溶发育地区桩基的稳定性问题主要决定于嵌岩桩的竖向荷载，顶板厚度以及顶板的抗弯强度等有关的强度指标。
在对课题进行充分论证的基础上，运用相似理论，针对岩溶地区嵌岩桩的工作特性，提出了建立室内桩基模拟实验台的试验方案，自主设计并研制了模拟试验模型，同时结合模型编制了相应的数据采集与分析软件。
要进行相似模拟试验，模拟材料的选择是试验成功的关键，通过室内小样试验分析了模拟材料的内在作用机理，选择了以砂、水泥、石膏为原材料的试验配方，推导了水泥石膏砂模拟材料抗压强度和抗弯强度的经验公式。通过室外模拟试验，验证了其合理性，得出了模拟岩样的强度范围。并采用不同的试验方案，运用改进的均匀设计法用不同的配比有效地模拟了灰岩的岩性。研究了岩性、嵌岩深度、顶板厚度、侧摩阻力对模拟顶板极限荷载的影响，提出了以普通水泥、石膏为胶结材料，细砂为骨料的模拟材料配比方案。
通过对大量试验结果的综合分析，提出了岩溶顶板安全厚度验算方法，得出岩溶顶板和桩基垂直荷载的半经验半理论公式如下：
σ_(max)=3γL~2/4h+(3F(2L-D)/4bh~2)=ξ[R-t]其中经验系数ξ取0.8～1.3。
通过嵌岩桩模拟嵌岩深度的试验，给出了岩溶地区嵌岩灌注桩嵌岩深度建议值。在岩溶发育地区，嵌岩深度的选取应综合考虑侧摩阻力和顶板结构内力，一般岩溶地区，当岩面较为平整且上覆土层较厚时，嵌岩深度宜采用0.2d或不小于0.2m。
The .international studies on the performance of the socketed piles in karst subgrade show still insufficient at present. Therefore, succeeding research is essential on improving the loading mechanism, shear distribution v- socket depth, bedrock thickness and properties. Up to now , the references concerning the simulated test are rarely reported . In this paper , an extensive study on socket depth, and bedrock thickness is carried out and some satisfactory results have been obtained.
Based on various international papers, a deep investigation for vertical load transfer has been carried out to propose 6 varieties of load-settlement curve and 4 types of defective P-S curve. 4 approaches have also been suggested in the paper to determine vertical capacity in light of the pile strength, strength and deformation of" surrounding soil and static analysis. In addition, the study touches upon the depth effect of end- bearing and lateral resistance, negative friction to extract the theoretical critical embedded depth and its mechanism.
The theoretical analysis for the performances of the socketed pile in karst region and their failure patterns shows the pile stability is mainly due to the vertical load, bedrock thickness and its bending resistance.
With the performance of the socketed pile in karst region and Simulate theory . simulated model test plan lias beer. marked out moluding the test equipment ana computing system for collecting daces and results analysis.
The choice of similar material is ; key problem- in the simulated model cest. With. the improved "Limited uniform design methods" .the mixture of cement with gypsum and sand is treat as similar material :r. test. Though, a deep analysis of the mterna; interaction in mixture, empirical cropcrtionmg is suggested to effectively simulate limestone . the regressive equation of compression strength and. bending strength prove reasonable. Performing various test C'..Y.~.S . simulate; model tests have beep. earned out to investigate the factors affecting e critical loading capacity including limestone properties - socket depth, bedrock thickness and lateral friction et al.
According to the test results and theoretical analyses ,the paper has proposed the approach to examine the safety bedrock thickness, half-theory and half-experience formula associated with vertical load is suggested as followed: ?
In karst subgrade, the embedded depth seems difficult to deternine. considering synthetically the correlation, between the pile skin friction resistance and the bedrock internal cohesion and also the influences on loading capacity of pile,-. the mine. socketed length is suggested 0.2 pile diameters or at least 0.2m when the rock surface is level and the upper soil is thick relatively.
本文首先在参考大量的国内外文献资料的基础上，对竖向荷载下基桩的荷载传递机理进行了深入的分析与讨论，并对基桩荷载传递性状的变化规律进行了归纳与总结。同时对单桩的荷载-沉降特性的机理进行了探讨，将单桩荷载-沉降曲线综合为六种，并列举了四类缺陷形成的异常P-S曲线。对于基桩竖向承载力的确定，提出了按桩身结构强度确定、按土的强度与变形确定以及按静力分析法确定等几种方法。在基桩的深度效应方面，研究了桩端阻力和和桩侧阻力的深度效应，从理论上提出了端阻力的临界深度以及深度效应的内在机理；讨论了岩溶地区桩基的负摩擦力问题。
通过对岩溶地区嵌岩桩工作性状和破坏模式的理论分析，认为在岩溶发育地区桩基的稳定性问题主要决定于嵌岩桩的竖向荷载，顶板厚度以及顶板的抗弯强度等有关的强度指标。
在对课题进行充分论证的基础上，运用相似理论，针对岩溶地区嵌岩桩的工作特性，提出了建立室内桩基模拟实验台的试验方案，自主设计并研制了模拟试验模型，同时结合模型编制了相应的数据采集与分析软件。
要进行相似模拟试验，模拟材料的选择是试验成功的关键，通过室内小样试验分析了模拟材料的内在作用机理，选择了以砂、水泥、石膏为原材料的试验配方，推导了水泥石膏砂模拟材料抗压强度和抗弯强度的经验公式。通过室外模拟试验，验证了其合理性，得出了模拟岩样的强度范围。并采用不同的试验方案，运用改进的均匀设计法用不同的配比有效地模拟了灰岩的岩性。研究了岩性、嵌岩深度、顶板厚度、侧摩阻力对模拟顶板极限荷载的影响，提出了以普通水泥、石膏为胶结材料，细砂为骨料的模拟材料配比方案。
通过对大量试验结果的综合分析，提出了岩溶顶板安全厚度验算方法，得出岩溶顶板和桩基垂直荷载的半经验半理论公式如下：
σ_(max)=3γL~2/4h+(3F(2L-D)/4bh~2)=ξ[R-t]其中经验系数ξ取0.8～1.3。
通过嵌岩桩模拟嵌岩深度的试验，给出了岩溶地区嵌岩灌注桩嵌岩深度建议值。在岩溶发育地区，嵌岩深度的选取应综合考虑侧摩阻力和顶板结构内力，一般岩溶地区，当岩面较为平整且上覆土层较厚时，嵌岩深度宜采用0.2d或不小于0.2m。
The .international studies on the performance of the socketed piles in karst subgrade show still insufficient at present. Therefore, succeeding research is essential on improving the loading mechanism, shear distribution v- socket depth, bedrock thickness and properties. Up to now , the references concerning the simulated test are rarely reported . In this paper , an extensive study on socket depth, and bedrock thickness is carried out and some satisfactory results have been obtained.
Based on various international papers, a deep investigation for vertical load transfer has been carried out to propose 6 varieties of load-settlement curve and 4 types of defective P-S curve. 4 approaches have also been suggested in the paper to determine vertical capacity in light of the pile strength, strength and deformation of" surrounding soil and static analysis. In addition, the study touches upon the depth effect of end- bearing and lateral resistance, negative friction to extract the theoretical critical embedded depth and its mechanism.
The theoretical analysis for the performances of the socketed pile in karst region and their failure patterns shows the pile stability is mainly due to the vertical load, bedrock thickness and its bending resistance.
With the performance of the socketed pile in karst region and Simulate theory . simulated model test plan lias beer. marked out moluding the test equipment ana computing system for collecting daces and results analysis.
The choice of similar material is ; key problem- in the simulated model cest. With. the improved "Limited uniform design methods" .the mixture of cement with gypsum and sand is treat as similar material :r. test. Though, a deep analysis of the mterna; interaction in mixture, empirical cropcrtionmg is suggested to effectively simulate limestone . the regressive equation of compression strength and. bending strength prove reasonable. Performing various test C'..Y.~.S . simulate; model tests have beep. earned out to investigate the factors affecting e critical loading capacity including limestone properties - socket depth, bedrock thickness and lateral friction et al.
According to the test results and theoretical analyses ,the paper has proposed the approach to examine the safety bedrock thickness, half-theory and half-experience formula associated with vertical load is suggested as followed: ?
In karst subgrade, the embedded depth seems difficult to deternine. considering synthetically the correlation, between the pile skin friction resistance and the bedrock internal cohesion and also the influences on loading capacity of pile,-. the mine. socketed length is suggested 0.2 pile diameters or at least 0.2m when the rock surface is level and the upper soil is thick relatively.
引文
[1] 陈国亮编著，岩溶地面塌陷的成因与防治，中国铁道出版社，1994
[2] 纪万斌主编，工程塌陷与治理，地震出版社，1998
[3] 陈国亮等，岩溶地面塌陷机制、预测及整治研究，地质灾害与防治，1990，3
[4] 徐文，贵州牛场岩溶地面塌陷的形成及其防治，中国岩溶，1991，3
[5] 陈朝贵，隐伏岩溶地面塌陷机理分析与建筑物基础处理，中国岩溶，1988，4
[6] 余祥宏等，广东茶园立交桥用桩对岩溶地基的处理，土工基础，2000，2
[7] 曾经道、张举贤，津浦铁路泰安岩溶地面塌陷病害整治工程实录，国内外岩土工程实例与实录选编，辽宁科学技术出版社，1998
[8] 甘展孜，某工程岩溶桩基分析处理，岩土工程界，2000，9
[9] 方宗正，岩溶发育区若干濒危建筑的岩土工程治理，桂林工学院学报，1997，2
[10] 陈仲颐，叶书龄．基础过程学，北京，中国建筑出版社，1996．
[11] 《基础工程手册》编写委员会．北京，中国建筑出版社，1996．
[12] 《地基与基础译文集》编写委员会．地基与基础译文集(5)—桩基础，北京，中国建筑出版社，1995．
[13] 林天健等．桩基础设计指南．北京，中国建筑出版社，1999．
[14] Tomlinson M J(1997)．桩的设计和施工，朱世杰译．北京，人民交通出版社，1984．
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[16] Brahim Benmokrane etal. Laboratory investigation of shaft resistance of rock-socketed piers using the constant normal stiffness direct shear test .Can Geotech J ,1994,31:40~49
[17] 曹析风、薛家德等，振动沉管爆扩灌注桩在石灰岩地区应用的工程实录，国内外岩土工程实例与实录选编，辽宁科学技术出版社，1998
[18] 铁道部标准，铁路桥涵设计规范(TBJ12-85)，中国铁道出版社，1985
[19] 建设部标准，建筑桩设计技术规范·条文说明(TGJ94-94)，中国建筑出版社，1995
[20] 刘金励主编，桩基础设计与计算，中国建材工业出版社，1990
[21] 刘金励主编，桩基工程技术，中国建材工业出版社，1996
[22] 史佩栋，梁晋渝，嵌岩桩竖向承载力的研究，岩土工程学报，1994，4
[23] 建筑桩基技术规范(JGJ94—94)，中国建筑工业出版社，1995
[24] 刘兴远等，关于嵌岩桩理论研究的几点认识，岩土工程学报，1998，5
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[26] 四川省公路勘察设计院试验室，嵌岩灌注桩的轴向承载力，岩土工程学报，1984，2
[27] 史佩栋，梁晋渝，国外两栋高层建筑下嵌岩桩荷载传递性状长期观测实例，工程勘察，1994，1
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[29] 刘树压，嵌岩桩桩—土—岩共同作用分析方法，土工基础，2000，2
[30] 罗惟德，单桩承载机理分析与荷载—沉降曲线的理论推导，岩土工程学报，1990，1
[31] 董金荣，嵌岩桩承载性状分析，工程勘察，1995，3
[32] 陈强华等，进入持力层不同深度对单桩承载力的影响，岩土工程学报，1981，1
[33] 罗嘉运编著，岩土工程与路基，中国铁道出版社
[34] 王勇强等，嵌岩桩的荷载传递及沉降分析，工程勘察，1998，6
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[38] Crapps, D. K. Design construction and inspection of drilled shafts in limerock and limestone. Proc. annual meeting of Florida Section, ASCE
[39] Crapps, D. K. Design guidelines for drilled shafts in weak rocks of south Florida. Proc. annual meeting of Florida Section, ASCE
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