铁路嵌岩桩嵌岩深度研究

铁２０１７年第２期　道建筑　４５　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３－１９９５（２０１７）０２－００４５—０３　铁路嵌岩桩嵌岩深度研究　赵延波　（兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州　７３００００）　摘　要　嵌岩桩因其具有承载力高、沉降小、受力明确、群桩效应低的特点而在工程中得到了广泛的应　用。嵌岩深度是嵌岩桩设计中的核心问题，不同的设计规范对嵌岩桩嵌岩深度的规定不尽相同。文章　分析了几种规范对嵌岩深度的规定，通过实例计算说明：规范中所规定的嵌岩深度偏于保守，在设计中　应当考虑土的弹性抗力对嵌岩深度的影响。　关键词桥梁基础；嵌岩桩；数值计算；嵌岩深度；弹性抗力　ＴＵ４７３．１　２　文献标识码Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—１９９５．２０１７．０２．１１　中图分类号桩端嵌入微风化岩或新鲜基岩中的桩称之为嵌岩　桩，在我国已被广泛应用于铁路、公路、建筑等工程领　６．２．３条所规定的嵌岩深度除了符号有别之外，其余　一致。铁路地基规范规定如下：　１）圆形桩　，域　。嵌岩桩的嵌岩深度是设计师们最为关心的一　个问题，各类规范对于嵌岩深度的规定也不一致，而且　在不同的设计部门，为了简化设计，各大设计院对嵌岩　深度一般都有自己的设计原则。诸如，有的规定为ｄ，　有的规定为２ｄ（ｄ为桩径）等等，不尽相同。　√—厂—　Ｏ．０６６—ＫＲｄ　２）矩形桩　“　［　ｋ一本文基于铁路规范嵌岩深度计算公式，分析了嵌　岩桩设计中嵌岩深度的计算问题。　０．０８３ＫＲｂ　式中：ｈ　为自桩下端锚固点算起的锚固需要深度，ｍ；　为桩下端锚固点处的弯矩，ｋＮ・ｍ；Ｋ为根据岩层构　造在水平方向的岩石容许压力换算系数，０．５～１．０；　ｄ为钻孔直径，ｍ；ｂ为垂直于弯矩作用平面桩的边长，　ｍ；　为桩尖土的极限承载力，ｋＰａ。　１　规范中关于嵌岩桩嵌岩深度的规定　１）《建筑地基基础设计规范》（ＧＢ　５０ｏ０７—　２０１１）　８．５．３条第３条注解：桩底进入持力层的深　度，宜为桩身直径的１～３倍。在确定桩底进入持力层　深度时，尚应考虑特殊土、岩溶以及震陷液化等影响。　同时，文献［５］６．３．７条规定：嵌入新鲜岩面以下　的钻（挖）孑Ｌ灌注桩，其嵌入深度应根据计算确定，但　不得＜０．５　ｍ。　嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、　中风化硬质岩体的最小深度，不宜＜０．５　ｍ。　２《铁路地基规范》嵌岩深度计算公式的推导　１）圆形桩计算假定：①桩在嵌固深度ｈ．范围内的　应力图形，假定按２个相等三角形变化；②桩侧压力分　布不均匀，假定最大压力Ｐ…等于平均压应力Ｐ的　１．２７倍；③水平力日和桩端摩阻力对桩的影响略而不　计。计算示意如图１，则有　Ｐ　＝ｃＫＲ　２）《建筑桩基技术规范》（ＪＧＪ　９４—２００８）　３．３．３　条第６条注解：对于嵌岩桩，嵌岩深度应综合荷载、上　覆土层、基岩、桩径、桩长诸因素确定；对于嵌入倾斜的　完整和较完整岩的全断面深度不宜小于０．４ｄ且不小于　０．５　ｍ，而倾斜度＞３０％的中风化岩，宜根据倾斜度及岩　石完整性适当加大嵌岩深度；对于嵌入平整、完整的坚　硬岩和较硬岩的深度不宜＜０．２ｄ，且不应＜０．２　ｍ。　３）《公路桥涵地基与基础设计规范》（ＪＴＧ　Ｄ６３—　式中，ｃ为安全系数，采用０．５。　（　＝２００７）　５．３．５条及《铁路桥涵地基和基础设计规范》　（ＴＢ　１０００２．５—２００５）（以下简称《铁路地基规范》）Ｈ　×　ｈ１×ｄ）×（２×了２×　ｈ１）　＝　ｄ＝　×　×　ｄ　收稿日期：２０１６—０８—２４；修回日期：２０１６－１０—１８　作者简介：赵延波（１９８４一），男，工程师。　Ｅ・ｍａｉｌ：４７６７６４９６０＠ｑｑ．ｔｏｍ　＝　。ＫＲｈ２ｄ　１铁道Ｈ厂、Ｍ　Ｐ　图１嵌岩深度计算示意　２）矩形桩除Ｐ…＝Ｐ以外，其余同圆形桩。　（　×　ｈ１＝×６）×（２×了２×　）　吉　０　５ＫＲｈ￣Ｚｂ　＝０．０８３　３ＫＲｈ￣ｂ　３《铁路规范》公式计算嵌岩深度的不足　１）简化图示中只考虑了弯矩　的作用，未考虑桩　顶水平力日，竖向力Ⅳ，静力平衡条件不满足。　２）简化图示中假定ｈ．范围内的应力分布为三角　形，且作用点位于ｈ．／２处，其前提条件是桩是绝对刚　性的，但在实际工程中，由于地基条件的不同，并非所　有的桩都是绝对刚性。　３）未考虑钻孔底面承受挠曲力矩的影响，计算的　深度偏于安全。　４　基于桩基稳定性的嵌岩深度计算新思路　在计算嵌岩深度时，一个核心的问题就是桩下端　锚固点处弯矩　的计算。为了考虑全面，在计算时从　桩基全阶段受力分析。从文献［６］可知土中任意深度　Ｙ处桩身弯矩　ｒ】一　Ｍ　：ａＥＩ（　ｏＡ３＋　０Ｂ３）＋Ｍ０Ｃ３＋・Ｙ－！Ｄ３　式中：　为土中桩的变形系数，１／ｍ，其值为√　；ｍ为　水平地基系数的比例系数，ｋＰａ／ｍ　；ｂ　为桩的计算宽　度，ｍ；Ｅ为桩的受挠弹性模量，ｋＰａ；，为横截面惯性　矩，１ＴＩ　；Ａ　，Ｂ　，Ｃ　，Ｄ　为Ｏｔ　的函数，从附录表中可查；　０　为地面或局部冲刷线处构件横向位移，　。＝Ｑ。６。ｐ＋　Ｍ。６。　；　。为地面或局部冲刷线处构件转角，　。＝一（Ｑ。６　。＋Ｍ。６　）；Ｍ。为地面或局部冲刷线处　构件弯矩；Ｑ。为地面或局部冲刷线处构件剪力；６ｐｐ，　６　口，６Ｑ　，　均为桩的柔度，计算公式如下　建筑　Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１７　Ｄ。ｏ　１　Ａ２Ｄ】一Ａｌ　Ｄ２　。　１　Ｂ２Ｃｌ—Ｂｌ　Ｃ２　Ｄ。　１　Ａ２Ｃ１一Ａ１　Ｃ２　一ｏｔＥＩ　５　算例　阿富准铁路一铁路桥为１３孔３２　ｍ梁桥，其中５　号墩为嵌岩桩，桩径西＝１．２５　ｍ，桩全长８　ｍ，嵌岩部　分深度为３　ｍ。地质情况如下：０～１．５　ｍ，粉土，稍密，　稍湿，Ⅱ级普通土；１．５～５　ｍ，细角砾土，潮湿一饱和，中　密，Ⅱ级普通土；５　ｍ以下，片麻岩，弱风化，Ｖ级次坚　石，极限抗压强度Ｒ：１０　０００　ｋＰａ。ｈ　深度范围内土　层的平均地基系数的比例系数为５０　０００　ｋＰａ／ｍ　，岩石　层破碎程度及清底情况为一般。桩基为Ｃ３０混凝土，　Ｅ　＝３×１０　ｋＰａ，桩设计由主＋附控制，单桩所受力　为：竖向力Ｎ＝４　３０３．２　ｋＮ，水平力Ｈ＝８０　ｋＮ，弯矩Ｍ　＝１７７．６　ｋＮ・ｍ，具体如图２所示，按照２种方式分别计　算嵌岩深度。　Ｎ＝４３０３　２　ｋＮ　Ｈ；８０ｋＮ　厂　—＼Ｍ＝１７７　６ｋＮ・ｍ　粉土　粉土　Ｊ　’●　‘　●●　●：　：　‘●‘　‘‘　。●　●●　●　●１．５　ｍ　＿　●　●●　●＿　●　‘●＿・－　●　纽　碡芋‘：‘．　．　细角砾土　窨。。　●　●　●　●●　●・：。　●＿●　●』●　．　・　．．　图２桩基受力示意　１）考虑弹性抗力的嵌岩深度计算　Ｅ　＝３０×１０　ｋＮ／ｍ　＝署一ｏ．　ｍ４　ｂ０＝０．９×（１＋１．２５）＝２．０２５　ｍ　＝√　－ｏ．５　２　Ｅ，＝０．８ａＥ。，＝１．４７×１０　Ｅ１＝７．５４×１０　Ｅ１＝３．８６×１０　２０１７年第２期　赵延波：铁路嵌岩桩嵌岩深度研究　４７　１　Ｂ２Ｄ１一Ｂ１Ｄ２　一｜　Ｍ　ｏ？Ｅｌ　＝＾√０．０６６ＫＲｄ　｜４７７．６　６．２２×１０一　ｍ／ｋＮ　＾√０．０６６×０．５×１０　０００×１．２５　８ＭＱ－－　１　１　，１　Ｄ　２　１　—Ａ　Ｄ　１　２　＝１．１８　１．２　ｍ　＝２．１２×１０～ｒａｄ／ｋＮ　６　结论　１）《铁路规范》在计算嵌岩深度时，未考虑岩面　以上土的弹性抗力作用，计算所得桩下端锚固点处　的弯矩往往偏大，计算所得的嵌岩深度也偏于保守。　２）当考虑岩面以上土的弹性抗力时，桩下端锚　根据位移互等定理得　占Ｑ＾ｆ＝２．１２×１０～ｍ／（ｋＮ・ｍ）　１　Ａ２Ｃ１一Ａ１　Ｃ２　固点处的弯矩会减小，其嵌岩深度也较小。　＝１．１７６　ｘ　１０　ｒａｄ／（ｋＮ・ｍ）　３）对于嵌岩桩，当岩面以上土体较厚时，设计时　ｏ＝Ｑ０艿ＱＱ＋Ｍ０　ＱＪｆ＝８７４．１１×１０一ｌ　ｍ　０＝一（Ｏ０６＾ｆ０＋Ｍ０６』ｌｆ　）＝一０．０００　３７８　６　ｒａｄ　应该考虑土体的弹性抗力，按照规范计算出的嵌岩　深度应做相应的折减。　参　考　文　献　则岩顶部的弯矩Ｍ　＝ｏｔＥｌ（ＯｔＸｏＡ　３＋　ｏＢ３）＋　０［１］邱喜，尹崇清．大直径嵌岩桩承载特性的试验研究［Ｊ］．铁　道建筑，２００８（１２）：６０—６３．　Ｃ３＋Ｑ０Ｄ３／ａ＝６５９．２Ａ３—５５７．６Ｂ３＋１７７．６Ｃ３＋　１５６．２Ｄ，，令Ｙ＝５　ＩＴＩ，查表带入对应的系数值得　Ｍ　：８９．１　ｋＮ・ｍ，则　厂—　广－－［２］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国　家质量监督检验检疫总局．ＧＢ　５０００７－－２０１１　建筑地基　基础设计规范［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１１．　［３］中华人民共和国住房和城乡建设部．ＪＧＪ　９４－－２００８建筑　桩基技术规范［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００８．　　４０．０６６ＫＲｄ　厂—————　丁————一　＿√　＝０．４７　０．５　ｍ　而　［４］中华人民共和国交通部．ＪＴＧ　Ｄ６３－－２００７　公路桥涵地基　与基础设计规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００７．　［５］中华人民共和国铁道部．ＴＢ　１０００２．５—２ＯＯ５铁路桥涵地　２）基于规范的嵌岩深度计算　桩下端锚固点处的弯矩Ｍ＝１７７．６＋８０×５＝　４７７．６　ｋＮ・ｍ，则　基和基础设计规范［ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５．　［６］王慧东．桥梁墩台与基础工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版　社。２００５．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｓｏｃｋｅｔｅｄ　Ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ－ｓｏｃｋｅｔｅｄ　Ｐｉｌｅ　Ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　ＺＨＡＯ　Ｙａｎｂｏ　（Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｇａｎｓｕ　７３００００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｒｏｃｋ—ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｐｉｌｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｈｉｇｈ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｓｍａｌｌ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｓｔｒｅｓｓ　ｄｅｆｉｎｉｔｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｐｉｌｅ　ｇｒｏｕｐ　ｅｆｆｅｃｔ．Ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｄｅｐｔｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｒｏｃｋ・ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｐｉｌｅ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｓｉｎ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｇｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｒｏｃｋ・ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｐｉｌｅ　ａｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｄｅｐｔｈ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｄｅｐｔｈ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；Ｒｏｃｋ—ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｐｉｌｅ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；Ｓｏｃｋｅｔｅｄ　ｄｅｐｔｈ；Ｅｌａｓｔｉｃ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　（责任审编赵其文）