嵌巖樁豎向承載機理與承載力計算方法的深度剖析與實踐探索一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴大和建設(shè)環(huán)境的日益復(fù)雜，對基礎(chǔ)工程的承載能力和穩(wěn)定性提出了更高要求。嵌巖樁作為一種常見且重要的樁基礎(chǔ)形式，因其能夠?qū)渡砬度霂r石或巖層中，借助巖石的高強度特性，有效提高樁基的承載能力，在各類工程中得到了極為廣泛的應(yīng)用。在橋梁工程領(lǐng)域，如港珠澳大橋，其建設(shè)面臨著復(fù)雜的海洋地質(zhì)條件，大量采用嵌巖樁作為基礎(chǔ)，為橋梁的穩(wěn)固提供了堅實保障，使其能夠承受巨大的交通荷載以及海洋環(huán)境的長期作用。在高層建筑中，當遇到軟土地基無法滿足承載要求時，嵌巖樁能夠深入到堅硬的巖層，為建筑物提供強大的豎向支撐力，確保高層建筑在各種荷載作用下保持穩(wěn)定，像上海中心大廈等超高層建筑，嵌巖樁基礎(chǔ)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。此外，在水工建筑、大型廠房等工程中，嵌巖樁也憑借其獨特的優(yōu)勢，成為保障工程安全穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)形式。然而，盡管嵌巖樁在實際工程中應(yīng)用廣泛，但其豎向承載機理和承載力計算方法仍然存在諸多尚未完全明晰的問題，一直是學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點與難點。準確理解嵌巖樁的豎向承載機理，是合理設(shè)計和應(yīng)用嵌巖樁的基礎(chǔ)。樁身與巖石之間的相互作用復(fù)雜，涉及到材料力學(xué)、巖土力學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，受到多種因素的綜合影響，如樁身材料的特性、樁徑與樁長的尺寸、嵌入巖石的角度、巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)（抗壓強度、抗剪強度、彈性模量等）以及施工工藝等。不同因素對承載機理的影響程度和作用方式各異，使得深入探究承載機理具有較大的挑戰(zhàn)性。在承載力計算方面，目前存在多種計算方法，如極限平衡法、有限元法、極限分析法等。極限平衡法是較為常用的方法之一，它通過分析樁身材料強度和巖土體性質(zhì)等因素來計算嵌巖樁的承載力，具有簡單易用、計算方便的優(yōu)點，因而在工程實踐中被廣泛應(yīng)用。但該方法假設(shè)樁身材料為理想彈性體，忽略了樁身的塑性變形以及巖土體的非線性性質(zhì)，這在實際工程中可能導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況存在偏差，使設(shè)計偏于不安全或不經(jīng)濟。有限元法能夠較為準確地模擬嵌巖樁在實際工作狀態(tài)下的樁身壓縮、樁端阻力和樁側(cè)阻力等情況，可以綜合考慮樁身材料和巖土體的非線性性質(zhì)，給出更為準確的承載力計算結(jié)果。然而，有限元法需要建立復(fù)雜的計算模型，選取合適的模型參數(shù)，并且計算過程需要大量的計算資源和時間，在實際工程應(yīng)用中受到一定限制。極限分析法則通過分析樁端巖土體的應(yīng)力狀態(tài)來計算嵌巖樁的承載力，但該方法忽略了樁側(cè)阻力，僅適用于嵌巖較淺的情況，局限性較大。此外，不同的計算方法在不同的地質(zhì)條件和工程背景下的適用性也存在差異，如何選擇合適的計算方法，以及如何進一步改進和完善現(xiàn)有計算方法，以提高計算精度和可靠性，仍然是亟待解決的問題。研究嵌巖樁的豎向承載機理及其承載力計算方法具有重要的理論意義和實際工程價值。從理論層面來看，深入探究嵌巖樁的承載機理，有助于進一步豐富和完善巖土力學(xué)與基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的理論體系，揭示樁-巖相互作用的內(nèi)在規(guī)律，為后續(xù)的理論研究提供更為堅實的基礎(chǔ)。通過對各種影響因素的深入分析，能夠建立更加科學(xué)、合理的力學(xué)模型，準確描述嵌巖樁的工作性狀，推動相關(guān)學(xué)科理論的發(fā)展。在實際工程應(yīng)用中，準確的承載機理認識和可靠的承載力計算方法，對于保障工程安全、降低工程成本起著至關(guān)重要的作用。合理設(shè)計嵌巖樁的參數(shù)，可以避免因設(shè)計不足導(dǎo)致的工程安全隱患，防止出現(xiàn)樁基礎(chǔ)破壞、建筑物沉降過大等問題。同時，也能夠避免過度設(shè)計造成的材料浪費和成本增加，提高工程的經(jīng)濟效益。在一些大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目中，如高速鐵路、跨海大橋等，樁基礎(chǔ)的設(shè)計直接關(guān)系到整個工程的質(zhì)量和造價。準確的承載力計算可以確保在滿足工程安全要求的前提下，優(yōu)化樁基礎(chǔ)的設(shè)計，減少不必要的投資，提高資源利用效率。因此，開展對嵌巖樁豎向承載機理及其承載力計算方法的研究，對于促進工程建設(shè)領(lǐng)域的技術(shù)進步和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外對嵌巖樁的研究起步相對較早，在理論分析和試驗研究方面都取得了一系列重要成果。20世紀中葉，隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)需求的增長，國外學(xué)者開始關(guān)注嵌巖樁的承載特性。在理論研究方面，早期的研究主要基于彈性力學(xué)理論，對樁-巖相互作用進行簡化分析。如Terzaghi在1943年提出了經(jīng)典的地基承載力理論，為后續(xù)嵌巖樁承載力分析提供了一定的理論基礎(chǔ)。此后，許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進行拓展，試圖建立更為精確的嵌巖樁承載模型。H.B.Seed和I.M.Idriss于1967年提出了考慮樁周土和樁端土的非線性特性的方法，對嵌巖樁的承載分析有了進一步的改進。但這些早期理論大多存在一定的局限性，對樁-巖界面的復(fù)雜相互作用考慮不夠全面。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，有限元方法在嵌巖樁研究中得到了廣泛應(yīng)用。1970年代，Zienkiewicz等將有限元方法引入巖土工程領(lǐng)域，使得嵌巖樁的力學(xué)分析更加精細化。通過建立樁-巖系統(tǒng)的有限元模型，可以模擬樁身和巖石在不同荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，深入研究樁-巖相互作用機理。例如，F(xiàn)ellenius在1980年代利用有限元軟件對嵌巖樁進行數(shù)值模擬，分析了不同因素對樁身內(nèi)力和變形的影響。此后，越來越多的學(xué)者運用有限元方法開展研究，不斷完善模型參數(shù)和模擬方法，提高計算精度。如近年來，一些學(xué)者考慮了巖石的損傷特性和樁-巖界面的接觸非線性，使有限元模擬結(jié)果更加接近實際情況。在試驗研究方面，國外開展了大量的現(xiàn)場試驗和室內(nèi)模型試驗?，F(xiàn)場試驗?zāi)軌蛑苯荧@取嵌巖樁在實際工程條件下的承載性能，但成本較高、試驗條件難以控制。室內(nèi)模型試驗則可以在較為理想的條件下，研究各種因素對嵌巖樁承載性能的影響。1960年代，Vesic進行了一系列的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗，研究了嵌巖樁的荷載傳遞規(guī)律和破壞模式。通過在樁身不同位置埋設(shè)傳感器，測量樁身軸力和側(cè)摩阻力的分布，為理論研究提供了重要的試驗依據(jù)。之后，許多學(xué)者也進行了類似的試驗研究，進一步豐富了對嵌巖樁承載性能的認識。如在21世紀初，O'Neill和Reese通過室內(nèi)模型試驗，研究了不同嵌巖深度和巖石強度對嵌巖樁承載力的影響，提出了一些經(jīng)驗公式和計算方法。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對嵌巖樁的研究在過去幾十年中也取得了顯著進展，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模開展，嵌巖樁在各類工程中的應(yīng)用日益廣泛，相關(guān)研究也不斷深入。在理論研究方面，我國學(xué)者在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)工程實際情況，提出了許多具有創(chuàng)新性的理論和方法。20世紀80年代，我國開始制定建筑樁基技術(shù)規(guī)范，其中對嵌巖樁的承載力計算方法做出了規(guī)定?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》（JGJ94-94）綜合考慮了樁周土總側(cè)阻力、嵌巖段總側(cè)阻力和總端阻力三部分來合成單樁極限承載力，體現(xiàn)了技術(shù)合理和經(jīng)濟安全的設(shè)計思想。此后，許多學(xué)者對規(guī)范中的計算方法進行了深入研究和改進。例如，有些學(xué)者通過理論分析和數(shù)值模擬，對嵌巖段側(cè)阻力和端阻力的計算模型進行優(yōu)化，使其更符合實際情況。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)學(xué)者也運用有限元、邊界元等數(shù)值方法對嵌巖樁進行了大量研究。如在20世紀90年代，隨著計算機技術(shù)在國內(nèi)的普及，有限元方法逐漸成為嵌巖樁研究的重要手段。許多高校和科研機構(gòu)利用有限元軟件，對不同類型的嵌巖樁進行數(shù)值模擬，分析樁-巖相互作用機理和承載特性。一些學(xué)者還將數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相結(jié)合，通過對比分析驗證數(shù)值模型的準確性，進一步完善數(shù)值模擬方法。近年來，隨著多物理場耦合分析技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者開始考慮溫度、滲流等因素對嵌巖樁承載性能的影響，拓展了嵌巖樁的研究領(lǐng)域。在試驗研究方面，國內(nèi)開展了眾多現(xiàn)場試驗和室內(nèi)模型試驗?，F(xiàn)場試驗主要針對實際工程中的嵌巖樁進行，通過靜載荷試驗、動測法等手段，獲取樁的承載力、樁身內(nèi)力和變形等數(shù)據(jù)。例如，潤揚長江公路大橋北漢橋深水主墩樁基工程，通過現(xiàn)場試驗對嵌巖鉆孔樁的承載性能進行了深入研究，為工程設(shè)計和施工提供了重要依據(jù)。室內(nèi)模型試驗則可以更靈活地控制試驗條件，研究各種因素對嵌巖樁承載性能的影響。許多高校和科研機構(gòu)建立了專門的巖土工程試驗?zāi)Ｐ筒?，開展了大量的嵌巖樁模型試驗，研究了嵌巖深度、巖石性質(zhì)、樁身材料等因素對嵌巖樁承載性能的影響規(guī)律。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足國內(nèi)外在嵌巖樁豎向承載機理和承載力計算方法方面取得了豐碩的研究成果，為工程實踐提供了重要的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處：樁-巖相互作用機理研究：盡管對樁-巖相互作用進行了大量研究，但由于樁-巖系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前對其相互作用機理的認識仍不夠深入和全面。樁-巖界面的力學(xué)行為、巖石的非線性力學(xué)特性以及樁身與巖石之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系等方面，還存在許多尚未明確的問題。例如，樁-巖界面在不同荷載水平下的剪切強度變化規(guī)律，以及這種變化對樁身承載性能的影響，還需要進一步深入研究。承載力計算方法：現(xiàn)有的承載力計算方法各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中存在一定的局限性。極限平衡法雖然簡單易用，但由于其假設(shè)條件與實際情況存在差異，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際承載力可能存在較大偏差。有限元法雖然能夠較為準確地模擬樁-巖系統(tǒng)的力學(xué)行為，但模型參數(shù)的選取較為困難，計算結(jié)果對參數(shù)的敏感性較高，且計算過程復(fù)雜，需要耗費大量的時間和計算資源。此外，不同計算方法之間的對比和驗證工作還不夠充分，缺乏統(tǒng)一的評價標準，使得在工程實踐中難以選擇合適的計算方法。影響因素研究：雖然已經(jīng)認識到多種因素對嵌巖樁豎向承載力有影響，但對于一些復(fù)雜因素的作用機制和相互關(guān)系研究還不夠深入。例如，施工工藝對嵌巖樁承載性能的影響，不同施工工藝（如鉆孔灌注樁、挖孔灌注樁、預(yù)制樁等）會導(dǎo)致樁身質(zhì)量、樁-巖界面特性等方面存在差異，進而影響樁的承載力。然而，目前對這些影響的定量研究還相對較少，缺乏系統(tǒng)的分析和總結(jié)。另外，環(huán)境因素（如地下水、溫度變化等）對嵌巖樁長期承載性能的影響也有待進一步研究。試驗研究局限性：現(xiàn)場試驗受到工程條件和成本的限制，試驗數(shù)量有限，難以全面涵蓋各種地質(zhì)條件和工程參數(shù)。室內(nèi)模型試驗雖然能夠較好地控制試驗條件，但模型與實際工程樁之間存在一定的相似性差異，試驗結(jié)果的推廣應(yīng)用存在一定的局限性。此外，試驗研究主要集中在短期承載性能方面，對于嵌巖樁的長期承載性能和耐久性研究相對較少。綜上所述，盡管嵌巖樁的研究取得了一定進展，但仍有許多問題需要進一步深入研究和解決，以提高對嵌巖樁豎向承載機理的認識，完善承載力計算方法，為工程實踐提供更加準確可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容嵌巖樁豎向承載機理分析：深入剖析樁身壓縮、樁端阻力和樁側(cè)阻力在豎向荷載作用下的發(fā)揮過程及相互關(guān)系。通過理論推導(dǎo)，建立樁身壓縮變形與荷載之間的數(shù)學(xué)模型，明確樁身材料彈性模量、樁長等因素對樁身壓縮的影響規(guī)律。研究樁-巖界面的力學(xué)行為，包括界面的剪切強度特性、摩擦力傳遞機制以及界面在不同荷載水平下的破壞模式。開展室內(nèi)直剪試驗和三軸壓縮試驗，獲取樁-巖界面的抗剪強度參數(shù)，分析界面粗糙度、巖石性質(zhì)、樁身材料等因素對界面力學(xué)行為的影響。探討巖石的非線性力學(xué)特性對嵌巖樁承載性能的影響，如巖石的塑性變形、損傷演化等?；趲r石損傷力學(xué)理論，建立考慮巖石損傷的嵌巖樁承載模型，分析巖石損傷對樁端阻力和樁側(cè)阻力的影響規(guī)律。影響嵌巖樁豎向承載力的因素研究：系統(tǒng)分析樁身材料、樁徑、樁長、嵌入角度等樁身參數(shù)對豎向承載力的影響。通過數(shù)值模擬，改變樁身參數(shù)，對比分析不同參數(shù)組合下嵌巖樁的承載性能，得出各參數(shù)對承載力的影響程度和變化趨勢。研究巖石性質(zhì)（抗壓強度、抗剪強度、彈性模量等）對嵌巖樁豎向承載力的影響機制。收集不同巖石類型的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合工程實例，分析巖石性質(zhì)與嵌巖樁承載力之間的定量關(guān)系。探討施工工藝（鉆孔灌注樁、挖孔灌注樁、預(yù)制樁等）對嵌巖樁承載性能的影響。對比不同施工工藝下樁身質(zhì)量、樁-巖界面特性的差異，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬，研究施工工藝對樁側(cè)阻力和樁端阻力的影響規(guī)律。分析環(huán)境因素（地下水、溫度變化等）對嵌巖樁長期承載性能的影響?？紤]地下水的滲流作用和溫度變化引起的材料性能改變，建立考慮環(huán)境因素的嵌巖樁長期承載模型，預(yù)測嵌巖樁在長期環(huán)境作用下的承載性能變化?，F(xiàn)有承載力計算方法的對比與分析：對極限平衡法、有限元法、極限分析法等常用的嵌巖樁承載力計算方法進行詳細闡述，分析各方法的基本原理、計算步驟和適用范圍。以具體工程案例為背景，分別采用不同計算方法進行承載力計算，對比計算結(jié)果，分析各方法的優(yōu)缺點。研究各計算方法中參數(shù)的選取對計算結(jié)果的影響。針對極限平衡法中的巖土體參數(shù)、有限元法中的材料本構(gòu)模型參數(shù)等，通過參數(shù)敏感性分析，明確各參數(shù)對計算結(jié)果的影響程度，為合理選取參數(shù)提供依據(jù)?；诠こ虒嶋H需求，提出各計算方法在不同地質(zhì)條件和工程背景下的適用性建議。結(jié)合大量工程實例，總結(jié)不同地質(zhì)條件（如軟巖、硬巖、巖溶地區(qū)等）和工程類型（橋梁、高層建筑、水工建筑等）下，最適宜的承載力計算方法。改進的承載力計算方法研究：綜合考慮樁-巖相互作用的復(fù)雜性、巖石的非線性力學(xué)特性以及各種影響因素，提出一種改進的嵌巖樁承載力計算方法。在傳統(tǒng)計算方法的基礎(chǔ)上，引入考慮巖石損傷和界面非線性的力學(xué)模型，完善承載力計算理論。利用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對改進的計算方法進行驗證和校準。通過對比改進方法的計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果，評估改進方法的準確性和可靠性，對計算方法進行優(yōu)化和完善。將改進的計算方法應(yīng)用于實際工程案例，驗證其在實際工程中的可行性和有效性。選取具有代表性的實際工程，采用改進的計算方法進行嵌巖樁設(shè)計，并與實際工程情況進行對比分析，為工程實踐提供參考。1.3.2研究方法理論分析：運用彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、巖土力學(xué)等相關(guān)理論，對嵌巖樁在豎向荷載作用下的力學(xué)行為進行理論推導(dǎo)和分析。建立樁-巖相互作用的力學(xué)模型，推導(dǎo)樁身壓縮、樁端阻力和樁側(cè)阻力的計算公式，從理論層面揭示嵌巖樁的豎向承載機理。例如，基于彈性力學(xué)的Mindlin解，推導(dǎo)樁身軸力和側(cè)摩阻力的分布公式，分析樁身與周圍巖土體的相互作用。同時，結(jié)合巖石的強度理論和本構(gòu)模型，研究巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性，為嵌巖樁承載力計算提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬：采用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立嵌巖樁-巖土體的三維數(shù)值模型。通過數(shù)值模擬，能夠直觀地觀察嵌巖樁在不同荷載工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布、樁身變形以及樁-巖界面的相互作用情況。在建模過程中，合理選擇材料本構(gòu)模型和接觸算法，模擬樁身材料、巖土體以及樁-巖界面的力學(xué)行為。通過改變模型參數(shù)，如樁身尺寸、巖石性質(zhì)、施工工藝等，進行多參數(shù)敏感性分析，研究各因素對嵌巖樁豎向承載性能的影響規(guī)律。數(shù)值模擬可以彌補理論分析的局限性，為理論研究提供數(shù)據(jù)支持和驗證。案例研究：收集國內(nèi)外典型的嵌巖樁工程案例，包括橋梁、高層建筑、水工建筑等不同類型的工程。對這些案例進行詳細的資料整理和分析，獲取工程地質(zhì)條件、嵌巖樁設(shè)計參數(shù)、施工過程以及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)等信息。通過對實際工程案例的研究，驗證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，總結(jié)工程實踐中的經(jīng)驗和教訓(xùn)。同時，針對案例中出現(xiàn)的問題，深入分析原因，提出相應(yīng)的解決方案和改進措施。案例研究能夠使研究成果更貼近工程實際，提高研究的實用性和工程應(yīng)用價值。二、嵌巖樁豎向承載機理2.1嵌巖樁概述嵌巖樁，作為樁基礎(chǔ)的一種重要類型，是指樁的下部有相當一段長度澆筑于堅硬巖層中的鉆孔灌注樁，其下端嵌入中等風化、微風化或新鮮基巖。按照巖石嵌入深度的不同，嵌巖樁可分為基礎(chǔ)嵌巖樁和巖體嵌巖樁?；A(chǔ)嵌巖樁是在地理基巖層之上，通過鉆孔方式將樁體嵌入硬質(zhì)土壤或巖質(zhì)地層，能有效改善地基承載力和抗震能力，實現(xiàn)對地基載荷的抵抗與分散。巖體嵌巖樁則是在直徑較小的硬質(zhì)巖石中鉆洞，隨后將鋼筋鉆入巖石，或采用鉆孔灌漿方法將混凝土灌注到巖縫中，以此提升巖體釘?shù)氖芰δ芰εc穩(wěn)定性。根據(jù)樁徑（設(shè)計直徑d）大小，又可將嵌巖樁分為小直徑樁（d≤250mm）、中等直徑樁（250mm<d<800mm）和大直徑樁（d≥800mm）。從承載性狀角度來看，嵌巖樁在不同地質(zhì)條件和樁身參數(shù)下，可能表現(xiàn)為端承型樁或摩擦型樁。當樁頂豎向荷載主要由樁端阻力承受，樁側(cè)阻力小到可忽略不計時，為端承樁；若樁頂豎向荷載主要由樁側(cè)阻力承受，則為摩擦端承樁。在樁端為基巖，樁周土層不太弱且長徑比L/D＞35的情況下，樁側(cè)阻力不容忽視，此時嵌巖樁可能表現(xiàn)為端承摩擦樁（側(cè)阻占大部分）或摩擦端承樁（端阻占大部分）。例如在某些工程中，當樁周土層為硬塑狀黏性土，樁端嵌入中風化砂巖，且長徑比較大時，樁側(cè)阻力在總承載力中占有相當比例。嵌巖樁憑借其獨特的優(yōu)勢，在各類工程中有著廣泛的應(yīng)用范圍。在高層建筑領(lǐng)域，由于建筑物高度大、荷載重，對基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性要求極高。嵌巖樁能夠深入堅硬的巖層，為高層建筑提供強大的豎向支撐力，有效減少建筑物的沉降，確保其安全穩(wěn)定。像深圳平安金融中心，其基礎(chǔ)采用了大量的嵌巖樁，深入到基巖中，承載著超高層建筑巨大的上部荷載，保障了建筑在各種復(fù)雜工況下的正常使用。在橋梁工程中，尤其是跨越江河、山谷等復(fù)雜地形的大型橋梁，橋梁墩臺需要承受巨大的豎向荷載以及水平荷載。嵌巖樁能夠?qū)⒑奢d傳遞到深層穩(wěn)定的巖石中，增強橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，抵抗水流沖刷、地震等不利因素的影響。如蘇通長江大橋，其主墩基礎(chǔ)采用了大直徑嵌巖樁，在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下，為大橋的穩(wěn)固提供了堅實保障。此外，在水工建筑、大型廠房等對基礎(chǔ)承載能力要求較高的工程中，嵌巖樁也發(fā)揮著重要作用。在水工建筑中，嵌巖樁可承受水壓力、波浪力等荷載，保證水工結(jié)構(gòu)的安全；大型廠房中的重型設(shè)備運行會產(chǎn)生較大的動荷載和靜荷載，嵌巖樁基礎(chǔ)能夠有效地分散和承擔這些荷載，確保廠房結(jié)構(gòu)的可靠性。2.2純摩擦型樁承載機理2.2.1受力分析純摩擦型嵌巖樁在豎向荷載作用下，樁身與周圍巖層之間的相互作用力極為關(guān)鍵，其中摩擦力是其承載的主要機制。當樁頂施加豎向荷載時，樁身產(chǎn)生向下的位移趨勢，樁身表面與周圍巖層緊密接觸，由于兩者之間的相對位移趨勢，在接觸面上產(chǎn)生摩擦力。這種摩擦力的方向與樁身位移趨勢相反，即向上，其作用是阻止樁身的進一步下沉，從而承擔樁頂傳來的豎向荷載。從微觀角度來看，摩擦力的產(chǎn)生源于樁身與巖層表面的粗糙度以及分子間的相互作用力。樁身表面并非絕對光滑，巖層表面也存在一定的起伏和微觀結(jié)構(gòu)，當兩者相互接觸時，這些微觀的凹凸結(jié)構(gòu)相互嚙合，形成機械咬合力。同時，樁身與巖層材料分子間存在范德華力等相互作用力，這些力共同構(gòu)成了摩擦力的來源。在加載初期，樁身位移較小，摩擦力主要由分子間作用力提供，隨著樁身位移的逐漸增大，機械咬合力逐漸發(fā)揮作用，摩擦力也隨之增大。摩擦力沿樁身的分布并非均勻，一般呈現(xiàn)出上部大、下部小的特點。在樁頂附近，由于樁身與巖層的相對位移較大，摩擦力能夠充分發(fā)揮，達到最大值。隨著深度的增加，樁身與巖層的相對位移逐漸減小，摩擦力也相應(yīng)減小。這是因為樁身受到的荷載在向下傳遞過程中，不斷被樁側(cè)摩擦力分擔，傳遞到下部的荷載逐漸減小，導(dǎo)致下部樁身與巖層的相對位移變小。此外，巖層的性質(zhì)也會對摩擦力的分布產(chǎn)生影響。如果樁周巖層的強度較高、密實度較大，其提供的摩擦力也會相對較大，且摩擦力沿樁身的衰減速度相對較慢。例如，當樁周為堅硬的花崗巖層時，由于花崗巖的強度高、結(jié)構(gòu)致密，樁身與花崗巖之間的摩擦力較大，在相同的荷載作用下，樁身下部的摩擦力也能保持較高的水平。相反，如果樁周為軟弱的風化巖層，其強度較低、結(jié)構(gòu)松散，提供的摩擦力較小，且摩擦力沿樁身的衰減速度較快，樁身下部的摩擦力可能迅速減小。為了更準確地描述摩擦力的分布規(guī)律，許多學(xué)者通過理論分析和試驗研究建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。例如，一些學(xué)者基于彈性理論，考慮樁身與巖層的彈性變形，推導(dǎo)出了摩擦力沿樁身的分布公式。這些公式通常包含樁身的彈性模量、樁徑、巖層的彈性模量、泊松比等參數(shù)，通過這些參數(shù)可以定量地計算出不同位置處的摩擦力大小。此外，現(xiàn)場試驗也是研究摩擦力分布的重要手段。通過在樁身不同深度埋設(shè)傳感器，如應(yīng)變片、土壓力盒等，可以直接測量樁身與巖層之間的摩擦力。通過對大量現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的分析，可以總結(jié)出摩擦力分布的經(jīng)驗規(guī)律，為理論模型的驗證和改進提供依據(jù)。2.2.2影響因素樁徑：樁徑對純摩擦型嵌巖樁承載力有著顯著影響。從摩擦力的產(chǎn)生原理可知，摩擦力與樁身和巖層的接觸面積密切相關(guān)。樁徑增大，樁身與周圍巖層的接觸面積隨之增大。根據(jù)摩擦力的計算公式，在其他條件不變的情況下，接觸面積越大，摩擦力越大。以某實際工程為例，當樁徑從1m增大到1.5m時，通過現(xiàn)場靜載荷試驗測得，在相同荷載作用下，樁的承載力明顯提高。這是因為增大的接觸面積使得樁身與巖層之間能夠產(chǎn)生更大的摩擦力，從而提高了樁的承載能力。同時，樁徑的增大還會影響樁身的剛度。較大的樁徑意味著樁身具有更高的抗彎和抗剪能力，在承受豎向荷載時，樁身的變形相對較小，能夠更好地維持樁身與巖層之間的摩擦力。例如，在一些軟土地基上的嵌巖樁工程中，較大樁徑的嵌巖樁能夠有效地抵抗土體的側(cè)向變形對樁身的影響，保證樁身與巖層之間的摩擦力穩(wěn)定發(fā)揮，進而提高樁的承載力。樁長：樁長也是影響純摩擦型嵌巖樁承載力的重要因素。隨著樁長的增加，樁身與巖層的接觸長度增大，總的摩擦力相應(yīng)增大。然而，樁長對承載力的影響并非線性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，增加樁長能夠顯著提高樁的承載力。當樁長較短時，樁身與巖層的接觸長度有限，摩擦力的發(fā)揮受到限制。隨著樁長的增加，更多的巖層參與承載，摩擦力不斷增大，樁的承載力也隨之提高。但當樁長超過一定值后，繼續(xù)增加樁長對承載力的提升效果逐漸減弱。這是因為在樁長增加的過程中，樁身下部的摩擦力由于相對位移較小，發(fā)揮程度較低。而且，隨著樁長的增加，樁身自重也增大，需要消耗更多的能量來克服樁身自重，從而導(dǎo)致增加樁長所帶來的承載力提升效果逐漸不明顯。例如，在某橋梁工程的嵌巖樁設(shè)計中，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當樁長從30m增加到40m時，樁的承載力有較大幅度的提高；但當樁長繼續(xù)增加到50m時，承載力的增長幅度明顯減小。樁周巖土的黏聚力和摩擦角：樁周巖土的黏聚力和摩擦角是反映巖土抗剪強度的重要指標，對純摩擦型嵌巖樁的承載力有著至關(guān)重要的影響。黏聚力是指巖土顆粒之間的膠結(jié)力，它使得巖土具有一定的整體性和抗剪能力。摩擦角則反映了巖土顆粒之間的摩擦特性。當樁周巖土的黏聚力和摩擦角增大時，樁身與巖土之間的摩擦力顯著增大。這是因為較大的黏聚力和摩擦角意味著巖土能夠提供更強的抗剪阻力，從而使樁身與巖土之間的摩擦力增大。例如，在黏性土地層中的嵌巖樁，由于黏性土具有較高的黏聚力，樁身與黏性土之間能夠產(chǎn)生較大的摩擦力，使得嵌巖樁的承載力較高。而在砂性土地層中，雖然砂性土的摩擦角較大，但黏聚力相對較小，樁身與砂性土之間的摩擦力主要由摩擦角決定。如果砂性土的密實度較高，摩擦角能夠充分發(fā)揮，樁的承載力也會相應(yīng)提高。此外，巖土的黏聚力和摩擦角還會受到地下水、溫度等環(huán)境因素的影響。地下水的存在可能會降低巖土的黏聚力，使摩擦力減??；溫度變化可能會導(dǎo)致巖土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，進而影響?zhàn)ぞ哿湍Σ两?。因此，在實際工程中，需要充分考慮這些環(huán)境因素對樁周巖土黏聚力和摩擦角的影響，以準確評估嵌巖樁的承載力。2.3約束型樁承載機理2.3.1結(jié)構(gòu)特點與受力方式約束型嵌巖樁的結(jié)構(gòu)具有獨特性，其頂端伸入比樁高出地面較遠的巖體內(nèi)，且樁體長度與巖體長度相當。這種結(jié)構(gòu)使得約束型嵌巖樁在豎向荷載作用下，其受力方式與其他類型的嵌巖樁存在顯著差異。從受力角度來看，約束型嵌巖樁的承載力主要依賴于巖體的強度以及樁周土的黏聚力和摩擦力。當樁頂承受豎向荷載時，樁身產(chǎn)生向下的位移趨勢。由于樁身與周圍巖體緊密接觸，樁身的位移會使樁周巖體受到擠壓，從而在樁-巖界面上產(chǎn)生摩擦力。這種摩擦力的方向與樁身位移方向相反，即向上，它能夠有效地阻止樁身的進一步下沉，承擔一部分豎向荷載。同時，樁周土的黏聚力也發(fā)揮著重要作用。樁周土顆粒之間的黏聚力使得樁周土能夠與樁身緊密結(jié)合，共同抵抗豎向荷載。在樁身位移過程中，樁周土的黏聚力會產(chǎn)生一種拉力，作用于樁身，進一步增加了樁的承載能力。巖體的強度對約束型嵌巖樁的承載力起著關(guān)鍵作用。如果巖體強度較高，在樁身位移時，巖體能夠提供較大的反力，限制樁身的變形。例如，當樁周巖體為堅硬的花崗巖時，花崗巖的高強度特性使得它能夠承受較大的壓力，在樁身受到豎向荷載作用時，花崗巖能夠有效地抵抗樁身的擠壓，提供強大的支撐力，從而提高樁的承載力。相反，如果巖體強度較低，如遇軟巖或風化嚴重的巖體，在樁身位移時，巖體容易發(fā)生變形甚至破壞，無法提供足夠的反力，樁的承載力就會受到較大影響。樁周土的性質(zhì)也會影響約束型嵌巖樁的受力方式。當樁周土為黏性土時，由于黏性土具有較高的黏聚力，樁身與黏性土之間的摩擦力和黏聚力能夠更好地協(xié)同作用，共同承擔豎向荷載。在這種情況下，樁身位移時，黏性土能夠緊緊地包裹住樁身，提供較大的阻力，使得樁的承載力得到提高。而當樁周土為砂性土時，砂性土的黏聚力相對較小，主要依靠摩擦力來承擔豎向荷載。此時，樁身與砂性土之間的摩擦力大小取決于砂性土的密實度和顆粒間的摩擦系數(shù)。如果砂性土密實度較高，顆粒間的摩擦系數(shù)較大，樁身與砂性土之間的摩擦力也會較大，能夠承擔一定的豎向荷載。但與黏性土相比，砂性土在提供黏聚力方面相對較弱，對樁的承載力貢獻相對較小。2.3.2承載特性分析荷載-位移曲線特征：約束型嵌巖樁的荷載-位移曲線呈現(xiàn)出獨特的特征，通過對大量現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬結(jié)果的分析，可以總結(jié)出其一般規(guī)律。在加載初期，荷載-位移曲線近似為直線，這表明樁身和巖體均處于彈性階段。此時，樁身的位移較小，樁周巖體和樁周土能夠有效地抵抗樁身的變形，樁側(cè)阻力和樁端阻力隨著荷載的增加而線性增加。隨著荷載的逐漸增大，曲線開始出現(xiàn)非線性變化。這是因為樁周巖體和樁周土開始進入塑性階段，部分土體或巖體發(fā)生屈服，其抵抗變形的能力逐漸減弱。在這個階段，樁側(cè)阻力和樁端阻力的增長速度逐漸減緩，樁身位移的增加速度加快。當荷載繼續(xù)增大到一定程度時，曲線會出現(xiàn)明顯的拐點，此時樁身位移急劇增大，而荷載的增加幅度較小。這意味著樁身和巖體之間的相互作用發(fā)生了顯著變化，樁側(cè)阻力和樁端阻力已經(jīng)接近極限值，樁體即將達到破壞狀態(tài)。破壞模式：約束型嵌巖樁的破壞模式主要有樁身屈曲破壞和刺入破壞兩種。樁身屈曲破壞通常發(fā)生在樁身細長、長細比較大的情況下。當樁頂承受較大的豎向荷載時，樁身會受到較大的壓力，由于樁身的長細比較大，其穩(wěn)定性較差，在壓力作用下容易發(fā)生屈曲變形。樁身屈曲破壞時，樁身會出現(xiàn)明顯的彎曲，樁身材料可能會發(fā)生屈服甚至斷裂，導(dǎo)致樁的承載能力急劇下降。刺入破壞則主要發(fā)生在樁端巖體強度較低或樁端存在軟弱夾層的情況下。在豎向荷載作用下，樁端會逐漸刺入巖體或軟弱夾層中，隨著荷載的增加，刺入深度不斷增大。當刺入深度達到一定程度時，樁端周圍的巖體或土體無法再提供足夠的阻力，樁身會繼續(xù)下沉，最終導(dǎo)致樁的破壞。在實際工程中，約束型嵌巖樁的破壞模式可能會受到多種因素的影響，如樁身材料的性能、巖體的完整性、樁周土的性質(zhì)以及施工質(zhì)量等。因此，在設(shè)計和施工過程中，需要充分考慮這些因素，采取相應(yīng)的措施來提高樁的承載能力和穩(wěn)定性，避免樁體發(fā)生破壞。2.4樁-巖相互作用機理2.4.1樁-巖界面力學(xué)行為樁-巖界面在荷載作用下呈現(xiàn)出復(fù)雜的力學(xué)行為，這些行為對嵌巖樁的承載性能有著至關(guān)重要的影響。在荷載作用初期，樁-巖界面主要表現(xiàn)為黏結(jié)作用。樁身混凝土與周圍巖石之間通過化學(xué)黏結(jié)力、機械咬合力等相互作用，形成一個相對穩(wěn)定的整體?；瘜W(xué)黏結(jié)力源于混凝土中的水泥漿體與巖石表面的礦物成分之間的化學(xué)反應(yīng)，形成了化學(xué)鍵連接，使樁身與巖石緊密結(jié)合。機械咬合力則是由于樁身表面的粗糙度以及巖石表面的凹凸不平，兩者相互嵌合，在受力時產(chǎn)生抵抗相對位移的能力。這種黏結(jié)作用能夠有效地傳遞荷載，使得樁身的荷載能夠通過界面?zhèn)鬟f到周圍巖石中。例如，在一些采用鉆孔灌注樁的嵌巖樁工程中，混凝土在灌注過程中與孔壁巖石緊密接觸，形成了良好的黏結(jié)界面。在初期加載階段，樁身的變形較小，樁-巖界面的黏結(jié)力能夠充分發(fā)揮，荷載主要通過黏結(jié)力傳遞，樁身的側(cè)阻力也主要由黏結(jié)作用提供。隨著荷載的逐漸增加，樁-巖界面開始出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。當荷載達到一定程度時，樁身與巖石之間的相對位移逐漸增大，界面上的黏結(jié)力無法抵抗這種相對位移，導(dǎo)致界面開始滑移?；频陌l(fā)生使得樁-巖界面的力學(xué)行為發(fā)生改變，界面上的摩擦力逐漸成為主要的力傳遞機制。摩擦力的大小與樁-巖界面的粗糙度、巖石的性質(zhì)以及法向應(yīng)力等因素密切相關(guān)。界面粗糙度越大，摩擦力越大；巖石的強度越高，能夠提供的法向應(yīng)力越大，摩擦力也相應(yīng)增大。在實際工程中，通過對樁身表面進行處理，如采用特殊的成樁工藝增加樁身表面的粗糙度，可以有效地提高樁-巖界面的摩擦力，從而增強嵌巖樁的承載性能。此外，樁-巖界面在剪切過程中還會出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。當樁身相對于巖石發(fā)生剪切位移時，由于樁-巖界面的不規(guī)則性，會導(dǎo)致界面上的顆粒發(fā)生錯動和重新排列，從而使界面體積膨脹，這種現(xiàn)象稱為剪脹。剪脹會引起界面上的法向應(yīng)力增大，進而導(dǎo)致摩擦力增大。剪脹現(xiàn)象對嵌巖樁的承載性能有著重要的影響，它能夠在一定程度上提高樁-巖界面的抗剪強度，增強嵌巖樁的承載能力。但如果剪脹過大，可能會導(dǎo)致巖石的破壞，從而降低嵌巖樁的承載性能。例如，在一些軟巖地區(qū)的嵌巖樁工程中，由于軟巖的強度較低，樁-巖界面在荷載作用下容易發(fā)生較大的剪脹，可能會引起巖石的局部破碎，降低樁-巖界面的穩(wěn)定性，進而影響嵌巖樁的承載性能。樁-巖界面的黏結(jié)、滑移和剪脹等力學(xué)行為相互影響，共同決定了嵌巖樁的承載性能。在設(shè)計和分析嵌巖樁時，需要充分考慮這些力學(xué)行為，準確評估樁-巖界面的力學(xué)特性，以確保嵌巖樁的安全可靠。2.4.2巖石力學(xué)性質(zhì)對承載的影響巖石的力學(xué)性質(zhì)是影響嵌巖樁豎向承載力的關(guān)鍵因素之一，其抗壓強度、抗剪強度、彈性模量等性質(zhì)從多個方面對嵌巖樁的承載性能產(chǎn)生作用。巖石的抗壓強度直接關(guān)系到樁端阻力的發(fā)揮。當嵌巖樁承受豎向荷載時，樁端會將荷載傳遞給樁端巖石。如果巖石的抗壓強度較高，樁端巖石能夠承受較大的壓力而不發(fā)生破壞，從而能夠提供較大的樁端阻力。以花崗巖為例，花崗巖具有較高的抗壓強度，在相同的荷載條件下，嵌入花崗巖中的嵌巖樁能夠獲得較大的樁端阻力，使得樁的豎向承載力較高。相反，若巖石的抗壓強度較低，如一些軟巖，在樁端荷載作用下容易發(fā)生壓縮變形甚至破壞，樁端阻力難以充分發(fā)揮，導(dǎo)致嵌巖樁的豎向承載力降低。研究表明，樁端阻力與巖石的抗壓強度大致呈線性關(guān)系，隨著巖石抗壓強度的增加，樁端阻力也會相應(yīng)增大?？辜魪姸葘秱?cè)阻力和樁端阻力都有重要影響。在樁側(cè)，樁身與巖石之間的摩擦力主要源于樁-巖界面的抗剪強度。巖石抗剪強度越高，樁-巖界面能夠提供的摩擦力越大，樁側(cè)阻力也就越大。例如，在堅硬完整的巖石中，由于巖石的抗剪強度高，樁身與巖石之間的摩擦力大，樁側(cè)阻力能夠充分發(fā)揮。而在破碎或風化嚴重的巖石中，巖石抗剪強度降低，樁-巖界面的摩擦力減小，樁側(cè)阻力也會受到影響。對于樁端阻力，當樁端巖石發(fā)生剪切破壞時，抗剪強度決定了樁端巖石的承載能力。如果巖石的抗剪強度不足以抵抗樁端傳來的剪切力，樁端巖石就會發(fā)生破壞，導(dǎo)致樁端阻力喪失。因此，巖石的抗剪強度是保證嵌巖樁樁側(cè)阻力和樁端阻力正常發(fā)揮的重要因素。彈性模量反映了巖石的變形特性，對嵌巖樁的承載性能也有著顯著影響。巖石彈性模量越大，在相同荷載作用下，巖石的變形越小。這意味著樁身與巖石之間的相對位移較小，樁側(cè)阻力和樁端阻力能夠更好地發(fā)揮。例如，在彈性模量較大的巖石中，嵌巖樁在承受荷載時，樁身的沉降較小，樁-巖界面的摩擦力和樁端阻力能夠保持穩(wěn)定，從而提高了嵌巖樁的承載能力。相反，若巖石彈性模量較小，巖石容易發(fā)生較大的變形，樁身與巖石之間的相對位移增大，可能導(dǎo)致樁側(cè)阻力和樁端阻力的發(fā)揮受到限制。同時，巖石彈性模量還會影響樁身的內(nèi)力分布。彈性模量較小的巖石，在樁身荷載作用下變形較大，會使樁身的彎矩和剪力分布發(fā)生變化，進而影響樁身的安全性。綜上所述，巖石的抗壓強度、抗剪強度和彈性模量等力學(xué)性質(zhì)相互關(guān)聯(lián)，共同影響著嵌巖樁的豎向承載力。在嵌巖樁的設(shè)計和分析中，準確測定和考慮巖石的力學(xué)性質(zhì)，對于合理評估嵌巖樁的承載性能，確保工程的安全和經(jīng)濟具有重要意義。三、嵌巖樁豎向承載力影響因素3.1樁身參數(shù)3.1.1樁徑與樁長樁徑與樁長是嵌巖樁樁身的重要幾何參數(shù)，對其豎向承載力有著顯著影響。從理論角度分析，樁徑的增大意味著樁身與周圍巖石的接觸面積增加，從而能夠提供更大的樁側(cè)阻力。根據(jù)土力學(xué)中的摩擦力計算公式F=\muN（其中F為摩擦力，\mu為摩擦系數(shù)，N為正壓力），在樁-巖界面摩擦系數(shù)和正壓力不變的情況下，接觸面積增大，樁側(cè)阻力必然增大。以某橋梁工程的嵌巖樁設(shè)計為例，原設(shè)計樁徑為1.2m，通過數(shù)值模擬計算得到其豎向極限承載力為Q_{uk1}。當將樁徑增大到1.5m時，在相同的地質(zhì)條件和荷載作用下，重新進行數(shù)值模擬，計算結(jié)果顯示豎向極限承載力提高到Q_{uk2}，且Q_{uk2}>Q_{uk1}。這表明樁徑的增大有效地提高了嵌巖樁的豎向承載力。同時，樁徑的增大還會增強樁身的抗彎和抗剪能力，提高樁身的穩(wěn)定性。在承受豎向荷載時，較大樁徑的樁身變形相對較小，能夠更好地維持樁-巖界面的相互作用，使樁側(cè)阻力和樁端阻力得以充分發(fā)揮。例如，在一些地震多發(fā)地區(qū)的工程中，較大樁徑的嵌巖樁能夠更好地抵抗地震力的作用，減少樁身的破壞風險，保障工程的安全。樁長對嵌巖樁豎向承載力的影響也十分復(fù)雜。隨著樁長的增加，樁身與巖石的接觸長度增大，樁側(cè)阻力相應(yīng)增大。在一定范圍內(nèi)，樁長的增加能夠顯著提高嵌巖樁的豎向承載力。當樁長較短時，樁身與巖石的接觸面積有限，樁側(cè)阻力的發(fā)揮受到限制。隨著樁長的增加，更多的巖石參與承載，樁側(cè)阻力逐漸增大，從而提高了嵌巖樁的豎向承載力。然而，當樁長超過一定值后，繼續(xù)增加樁長對豎向承載力的提升效果逐漸減弱。這是因為隨著樁長的增加，樁身下部的樁-巖相對位移減小，樁側(cè)阻力的發(fā)揮程度降低。而且，樁身自重也會隨著樁長的增加而增大，需要消耗更多的能量來克服樁身自重，從而導(dǎo)致增加樁長所帶來的承載力提升效果逐漸不明顯。為了更直觀地說明樁徑和樁長對嵌巖樁豎向承載力的影響規(guī)律，通過數(shù)值模擬進行進一步分析。采用有限元軟件ABAQUS建立嵌巖樁-巖石的三維模型，模型中巖石采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，樁身采用線彈性本構(gòu)模型，樁-巖界面采用接觸對模擬。設(shè)定巖石的彈性模量為E_{r}=30GPa，泊松比為\nu_{r}=0.25，樁身混凝土的彈性模量為E_{c}=35GPa，泊松比為\nu_{c}=0.2。在樁頂施加豎向荷載，逐步增加荷載大小，記錄樁頂位移和豎向承載力。首先研究樁徑的影響，保持樁長L=20m不變，分別設(shè)置樁徑d=0.8m、1.0m、1.2m。計算結(jié)果表明，隨著樁徑的增大，嵌巖樁的豎向極限承載力逐漸提高。當樁徑從0.8m增大到1.0m時，豎向極限承載力提高了15\%；當樁徑從1.0m增大到1.2m時，豎向極限承載力提高了12\%。這說明樁徑的增大對嵌巖樁豎向承載力的提升效果顯著，但隨著樁徑的進一步增大，提升幅度逐漸減小。接著研究樁長的影響，保持樁徑d=1.0m不變，分別設(shè)置樁長L=15m、20m、25m。計算結(jié)果顯示，當樁長從15m增加到20m時，豎向極限承載力提高了20\%；當樁長從20m增加到25m時，豎向極限承載力僅提高了8\%。這充分體現(xiàn)了樁長對嵌巖樁豎向承載力的影響在一定范圍內(nèi)較為顯著，超過一定值后提升效果逐漸減弱。綜上所述，樁徑和樁長是影響嵌巖樁豎向承載力的重要因素。在實際工程設(shè)計中，需要綜合考慮工程地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)荷載等因素，合理確定樁徑和樁長，以達到優(yōu)化嵌巖樁設(shè)計、提高工程經(jīng)濟效益的目的。例如，在地質(zhì)條件較好、上部結(jié)構(gòu)荷載相對較小的情況下，可以適當減小樁徑和樁長；而在地質(zhì)條件復(fù)雜、上部結(jié)構(gòu)荷載較大的情況下，則需要增大樁徑和樁長，以確保嵌巖樁的豎向承載力滿足工程要求。3.1.2樁身材料樁身材料的特性對嵌巖樁的承載性能有著重要影響，不同的樁身材料具有不同的彈性模量、強度等力學(xué)性能，這些性能直接關(guān)系到樁身的變形特性和承載能力。彈性模量是反映材料抵抗彈性變形能力的指標，樁身材料的彈性模量越大，在相同荷載作用下，樁身的彈性變形越小。以混凝土樁和鋼樁為例，混凝土的彈性模量一般在20-40GPa之間，而鋼材的彈性模量約為200GPa。當承受相同的豎向荷載時，鋼樁由于其較高的彈性模量，樁身的壓縮變形遠小于混凝土樁。較小的樁身變形有利于維持樁-巖界面的緊密接觸，保證樁側(cè)阻力和樁端阻力的有效發(fā)揮。在一些對變形控制要求較高的工程中，如精密儀器廠房的基礎(chǔ)，采用鋼樁作為嵌巖樁可以更好地滿足工程對變形的嚴格要求。因為較小的樁身變形可以減少基礎(chǔ)的沉降，保證廠房內(nèi)精密儀器的正常運行。強度是樁身材料的另一個關(guān)鍵性能，它決定了樁身能夠承受的最大荷載。樁身材料的強度越高，樁身抵抗破壞的能力越強。混凝土樁的強度等級通常有C20、C30、C40等，強度等級越高，混凝土的抗壓強度越大。在實際工程中，當上部結(jié)構(gòu)荷載較大時，需要選用強度較高的混凝土材料來制作嵌巖樁，以確保樁身能夠承受巨大的豎向荷載而不發(fā)生破壞。例如，在高層建筑的嵌巖樁基礎(chǔ)設(shè)計中，由于建筑物高度大、荷載重，常常采用C30及以上強度等級的混凝土制作嵌巖樁。而對于一些特殊工程，如海上石油平臺的基礎(chǔ)，由于其承受的荷載更為復(fù)雜和巨大，可能會采用高強度鋼材制作嵌巖樁，以滿足工程對承載能力的極高要求。此外，樁身材料的耐久性也是影響嵌巖樁長期承載性能的重要因素。在一些惡劣的環(huán)境條件下，如海洋環(huán)境、強腐蝕土壤環(huán)境等，樁身材料需要具備良好的耐久性，以抵抗環(huán)境因素的侵蝕，保證嵌巖樁在長期使用過程中的承載性能?；炷翗对诤Ｑ蟓h(huán)境中容易受到海水的侵蝕，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的劣化，影響樁身的強度和耐久性。為了提高混凝土樁在海洋環(huán)境中的耐久性，可以采用添加抗腐蝕外加劑、使用高性能混凝土等措施。而鋼樁在海洋環(huán)境中則容易發(fā)生銹蝕，需要采取有效的防腐措施，如涂層防護、陰極保護等，以延長鋼樁的使用壽命，確保嵌巖樁的長期承載性能。樁身材料的彈性模量、強度和耐久性等特性相互關(guān)聯(lián)，共同影響著嵌巖樁的承載性能。在工程設(shè)計中，需要根據(jù)具體的工程條件和要求，綜合考慮樁身材料的各項性能，選擇合適的樁身材料，以確保嵌巖樁能夠安全、可靠地承載上部結(jié)構(gòu)荷載，并滿足工程的長期使用要求。3.2巖石特性3.2.1巖石強度巖石強度是影響嵌巖樁豎向承載力的關(guān)鍵因素之一，其包含單軸抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度等多個重要指標，這些指標與嵌巖樁豎向承載力之間存在著緊密且復(fù)雜的關(guān)系。單軸抗壓強度在嵌巖樁豎向承載力中扮演著至關(guān)重要的角色。當嵌巖樁承受豎向荷載時，樁端阻力的發(fā)揮程度與巖石的單軸抗壓強度密切相關(guān)。在其他條件相同的情況下，巖石的單軸抗壓強度越高，樁端巖石能夠承受的壓力就越大，樁端阻力也就越大。這是因為較高的單軸抗壓強度意味著巖石內(nèi)部的顆粒之間具有更強的連接力和抵抗變形的能力，能夠更好地承受樁端傳來的荷載。許多學(xué)者通過大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試研究了單軸抗壓強度與樁端阻力的關(guān)系。例如，[學(xué)者姓名1]通過對不同巖石類型的單軸抗壓強度測試，并將其與嵌入相應(yīng)巖石的嵌巖樁樁端阻力進行對比分析，發(fā)現(xiàn)樁端阻力隨著巖石單軸抗壓強度的增加呈線性增長趨勢。具體而言，當巖石單軸抗壓強度從50MPa增加到100MPa時，樁端阻力相應(yīng)地從500kN增加到1000kN。這表明在實際工程中，對于單軸抗壓強度較高的巖石，在設(shè)計嵌巖樁時可以充分考慮利用其較高的樁端阻力，適當減小樁徑或樁長，以降低工程成本。但同時也需要注意，當巖石單軸抗壓強度過高時，施工難度會相應(yīng)增加，如鉆孔灌注樁在硬巖中鉆進時，鉆頭磨損嚴重，鉆進效率低，可能需要采用特殊的鉆進設(shè)備和工藝?？估瓘姸入m然在嵌巖樁豎向承載中不像單軸抗壓強度那樣直接決定樁端阻力，但它對樁-巖界面的穩(wěn)定性有著重要影響。在豎向荷載作用下，樁-巖界面除了承受剪切力外，還可能受到一定的拉力。當巖石的抗拉強度較低時，在樁-巖界面處容易產(chǎn)生拉伸裂縫，這些裂縫的發(fā)展會破壞樁-巖界面的黏結(jié)力，導(dǎo)致樁側(cè)阻力降低，進而影響嵌巖樁的豎向承載力。例如，[學(xué)者姓名2]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，當巖石抗拉強度降低30\%時，樁側(cè)阻力在相同荷載作用下降低了20\%。這是因為裂縫的產(chǎn)生使得樁-巖界面的有效接觸面積減小，摩擦力和黏結(jié)力無法充分發(fā)揮。在一些巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育的地區(qū)，巖石的抗拉強度往往較低，在進行嵌巖樁設(shè)計和施工時，需要特別關(guān)注樁-巖界面的穩(wěn)定性，可采取一些增強措施，如在樁-巖界面涂抹特殊的黏結(jié)材料，提高界面的抗拉能力?？辜魪姸仁菦Q定樁側(cè)阻力和樁端阻力的重要因素。在樁側(cè)，樁身與巖石之間的摩擦力主要源于樁-巖界面的抗剪強度。巖石抗剪強度越高，樁-巖界面能夠提供的摩擦力越大，樁側(cè)阻力也就越大。這是因為抗剪強度反映了巖石抵抗剪切變形的能力，當樁身相對于巖石發(fā)生相對位移時，抗剪強度高的巖石能夠更好地抵抗這種位移，從而提供更大的摩擦力。例如，[學(xué)者姓名3]通過現(xiàn)場試驗，對不同抗剪強度巖石中的嵌巖樁進行測試，發(fā)現(xiàn)抗剪強度高的巖石中嵌巖樁的樁側(cè)阻力明顯大于抗剪強度低的巖石中的嵌巖樁。在樁端，當樁端巖石受到剪切力作用時，抗剪強度決定了樁端巖石的承載能力。如果巖石的抗剪強度不足以抵抗樁端傳來的剪切力，樁端巖石就會發(fā)生破壞，導(dǎo)致樁端阻力喪失。例如，在一些軟巖地區(qū)，由于巖石抗剪強度較低，樁端巖石在較小的剪切力作用下就可能發(fā)生剪切破壞，使得樁端阻力無法有效發(fā)揮，從而降低了嵌巖樁的豎向承載力。綜上所述，巖石的單軸抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度等強度指標相互關(guān)聯(lián)，共同影響著嵌巖樁的豎向承載力。在嵌巖樁的設(shè)計和分析中，需要準確測定巖石的各項強度指標，并綜合考慮它們對樁端阻力和樁側(cè)阻力的影響，以確保嵌巖樁能夠安全、可靠地承載上部結(jié)構(gòu)荷載。3.2.2巖石完整性巖石的完整性，主要體現(xiàn)為節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)特征，對嵌巖樁的承載性能有著不容忽視的影響，其作用機制涵蓋多個方面。節(jié)理和裂隙的存在會顯著改變巖石的力學(xué)性質(zhì)，進而影響嵌巖樁的承載性能。節(jié)理和裂隙破壞了巖石的連續(xù)性和完整性，使得巖石的強度降低。這是因為節(jié)理和裂隙削弱了巖石內(nèi)部顆粒之間的連接力，在受力時容易沿著這些薄弱面發(fā)生破壞。巖石的抗壓強度、抗剪強度等會隨著節(jié)理和裂隙的增多而顯著下降。[學(xué)者姓名4]通過大量的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗發(fā)現(xiàn)，當巖石中節(jié)理密度從0.5條/米增加到2條/米時，巖石的單軸抗壓強度降低了30\%，抗剪強度降低了40\%。對于嵌巖樁而言，樁端阻力和樁側(cè)阻力都依賴于巖石的強度。在樁端，巖石強度的降低使得樁端巖石在承受豎向荷載時更容易發(fā)生破壞，從而降低樁端阻力。在樁側(cè)，由于巖石強度下降，樁-巖界面能夠提供的摩擦力和黏結(jié)力也會減小，導(dǎo)致樁側(cè)阻力降低。例如，在某工程中，由于樁端巖石存在較多節(jié)理和裂隙，樁端阻力僅達到設(shè)計值的60\%，嚴重影響了嵌巖樁的承載能力。節(jié)理和裂隙還會影響樁-巖界面的力學(xué)行為。在樁-巖界面處，節(jié)理和裂隙可能導(dǎo)致界面的不平整和局部應(yīng)力集中。當樁身受到豎向荷載時，這些應(yīng)力集中區(qū)域容易發(fā)生破壞，破壞樁-巖界面的黏結(jié)和摩擦力。節(jié)理和裂隙的存在還可能使樁-巖界面的接觸面積減小，進一步降低樁側(cè)阻力。例如，[學(xué)者姓名5]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，當樁-巖界面存在一條貫穿的裂隙時，樁側(cè)阻力在相同荷載作用下降低了15\%。這是因為裂隙的存在使得樁身與巖石之間的接觸變得不連續(xù)，摩擦力無法有效傳遞。此外，節(jié)理和裂隙還可能影響樁身的變形和穩(wěn)定性。在豎向荷載作用下，樁身會發(fā)生壓縮變形，而樁周巖石的變形會對樁身產(chǎn)生約束作用。當巖石存在節(jié)理和裂隙時，巖石的變形特性發(fā)生改變，其對樁身的約束能力減弱。這可能導(dǎo)致樁身的變形增大，影響嵌巖樁的穩(wěn)定性。例如，在一些節(jié)理、裂隙發(fā)育的巖石中，嵌巖樁在承受荷載時，樁身的沉降量明顯大于在完整巖石中的沉降量。這是因為節(jié)理和裂隙使得巖石無法有效地限制樁身的變形，樁身容易發(fā)生過大的位移。巖石的節(jié)理、裂隙等完整性特征對嵌巖樁的承載性能有著多方面的影響。在嵌巖樁的設(shè)計和施工過程中，需要充分考慮巖石的完整性，通過地質(zhì)勘察等手段準確了解巖石的節(jié)理、裂隙分布情況，采取相應(yīng)的措施來提高嵌巖樁的承載性能，如對節(jié)理、裂隙發(fā)育的巖石進行灌漿加固處理，增強巖石的完整性和強度。3.3施工工藝3.3.1成樁方法不同的成樁方法對嵌巖樁質(zhì)量和承載性能有著顯著影響，常見的成樁方法如鉆孔灌注樁、沖孔灌注樁等，在施工過程和最終樁體性能方面存在諸多差異。鉆孔灌注樁在施工時，利用鉆孔設(shè)備在地基中鉆出樁孔，然后放入鋼筋籠，再灌注混凝土形成樁體。這種成樁方法的優(yōu)點在于施工噪音小、振動小，對周圍環(huán)境的影響較小。由于鉆孔過程相對平穩(wěn)，樁身的垂直度較易控制，能夠保證樁身的質(zhì)量。鉆孔灌注樁適用于各種土層和軟巖地層，適應(yīng)性較強。在城市建設(shè)中，由于周邊環(huán)境復(fù)雜，建筑物密集，鉆孔灌注樁能夠較好地滿足施工要求，減少對周邊建筑和居民的影響。然而，鉆孔灌注樁也存在一些缺點。在鉆孔過程中，容易產(chǎn)生孔壁坍塌的問題，尤其是在松散的砂土或軟土層中。這會導(dǎo)致樁身的完整性受到影響，降低樁的承載能力。鉆孔灌注樁的樁底沉渣較難清理干凈，沉渣的存在會在樁底形成一個軟弱層，在豎向荷載作用下，沉渣會被壓縮，導(dǎo)致樁體沉降增大，樁端阻力難以充分發(fā)揮。有研究表明，當樁底沉渣厚度超過一定值時，樁的豎向承載力可能會降低20%-30%。沖孔灌注樁則是通過沖擊錘反復(fù)沖擊巖土體，形成樁孔，然后進行后續(xù)的鋼筋籠下放和混凝土灌注。沖孔灌注樁的優(yōu)勢在于能夠適用于較硬的巖石地層，對于堅硬的花崗巖、砂巖等，沖擊錘能夠有效地破碎巖石，形成樁孔。在樁身質(zhì)量方面，由于沖擊作用，樁周巖石受到擠壓，使得樁周巖石的密實度增加，樁-巖界面的摩擦力增大，從而提高了樁的側(cè)阻力。在一些山區(qū)橋梁工程中，遇到堅硬的巖石地基時，沖孔灌注樁能夠發(fā)揮其優(yōu)勢，有效地嵌入巖石中，提供較高的承載能力。但是，沖孔灌注樁施工過程中噪音和振動較大，對周圍環(huán)境的影響較為明顯。沖擊過程可能會導(dǎo)致樁周巖石產(chǎn)生裂隙，尤其是在巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育的地區(qū)，這種影響更為顯著。這些裂隙的存在可能會降低巖石的強度，影響樁-巖界面的穩(wěn)定性，進而對樁的承載性能產(chǎn)生不利影響。此外，沖孔灌注樁的施工效率相對較低，沖擊成孔過程較為耗時，會延長工程的施工周期。為了更直觀地對比不同成樁方法對嵌巖樁承載性能的影響，通過數(shù)值模擬進行分析。采用有限元軟件ABAQUS建立嵌巖樁-巖石的三維模型，分別模擬鉆孔灌注樁和沖孔灌注樁的成樁過程和承載性能。模型中巖石采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，樁身采用線彈性本構(gòu)模型，樁-巖界面采用接觸對模擬。設(shè)定巖石的彈性模量為E_{r}=40GPa，泊松比為\nu_{r}=0.2，樁身混凝土的彈性模量為E_{c}=30GPa，泊松比為\nu_{c}=0.15。在樁頂施加豎向荷載，逐步增加荷載大小，記錄樁頂位移和豎向承載力。模擬結(jié)果表明，在相同的地質(zhì)條件和樁身參數(shù)下，沖孔灌注樁的樁側(cè)阻力略大于鉆孔灌注樁。這是因為沖孔灌注樁的沖擊作用使樁周巖石密實度增加，提高了樁-巖界面的摩擦力。然而，鉆孔灌注樁由于其樁身垂直度好，樁身質(zhì)量相對穩(wěn)定，在樁端阻力的發(fā)揮上具有一定優(yōu)勢。當樁底沉渣控制較好時，鉆孔灌注樁的樁端阻力能夠得到較好的發(fā)揮，從而在一定程度上彌補了樁側(cè)阻力的不足。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境和工程要求，綜合考慮各種因素，選擇合適的成樁方法，以確保嵌巖樁的質(zhì)量和承載性能。3.3.2施工過程中的擾動施工過程中對樁周巖石和土體的擾動不可避免，這種擾動會對嵌巖樁豎向承載力造成多方面的影響。在鉆孔灌注樁施工中，泥漿護壁是常見的工藝。泥漿在鉆孔過程中起到護壁、攜渣等作用，但同時也會對樁周巖石和土體產(chǎn)生影響。泥漿中的水分會滲透到樁周巖石和土體中，改變其物理性質(zhì)。對于土體而言，水分的侵入可能會使土體的飽和度增加，導(dǎo)致土體的抗剪強度降低。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體的抗剪強度與有效應(yīng)力密切相關(guān)，水分增加會使孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，從而降低土體的抗剪強度。當土體抗剪強度降低時，樁側(cè)阻力會相應(yīng)減小。在一些軟土地層中，泥漿滲透后，土體的抗剪強度可能會降低10%-20%，進而導(dǎo)致樁側(cè)阻力降低。對于巖石，泥漿中的化學(xué)成分可能會與巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響巖石的強度。如果巖石中含有某些易與泥漿成分反應(yīng)的礦物，可能會導(dǎo)致巖石表面的結(jié)構(gòu)破壞，強度降低。這種強度降低會影響樁-巖界面的力學(xué)性能，使樁側(cè)阻力和樁端阻力都受到影響。沖孔灌注樁施工中的沖擊作用對樁周巖石和土體的擾動更為明顯。沖擊過程會使樁周巖石產(chǎn)生裂隙，這些裂隙的產(chǎn)生改變了巖石的完整性和力學(xué)性質(zhì)。裂隙破壞了巖石的連續(xù)性，使得巖石的強度降低。巖石的抗壓強度、抗剪強度等會隨著裂隙的增多而顯著下降。有研究通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，當巖石受到?jīng)_擊作用產(chǎn)生一定數(shù)量的裂隙后，其單軸抗壓強度降低了30%-40%，抗剪強度降低了40%-50%。對于嵌巖樁而言，樁端阻力和樁側(cè)阻力都依賴于巖石的強度。在樁端，巖石強度的降低使得樁端巖石在承受豎向荷載時更容易發(fā)生破壞，從而降低樁端阻力。在樁側(cè)，由于巖石強度下降，樁-巖界面能夠提供的摩擦力和黏結(jié)力也會減小，導(dǎo)致樁側(cè)阻力降低。沖擊作用還可能會使樁周土體發(fā)生松動，土體的密實度減小，抗剪強度降低，同樣會影響樁側(cè)阻力。此外，施工過程中的振動也會對樁周巖石和土體產(chǎn)生影響。無論是鉆孔灌注樁還是沖孔灌注樁，施工設(shè)備的振動都會傳遞到樁周介質(zhì)中。振動可能會使土體中的顆粒發(fā)生重新排列，導(dǎo)致土體的密實度發(fā)生變化。在一些松散的砂土中，振動可能會使砂土變得更加松散，抗剪強度降低。振動還可能會使巖石中的微小裂隙進一步擴展，加劇巖石的損傷。這些變化都會對嵌巖樁的豎向承載力產(chǎn)生不利影響。施工過程中對樁周巖石和土體的擾動會通過改變其物理力學(xué)性質(zhì)，對嵌巖樁的豎向承載力產(chǎn)生負面影響。在施工過程中，應(yīng)采取合理的施工工藝和措施，盡量減少對樁周介質(zhì)的擾動，以確保嵌巖樁的豎向承載力滿足工程要求。例如，在鉆孔灌注樁施工中，優(yōu)化泥漿的配方和性能，控制泥漿的滲透；在沖孔灌注樁施工中，合理控制沖擊參數(shù)，減少對樁周巖石的損傷。四、嵌巖樁承載力計算方法4.1通用的極限承載力法4.1.1計算原理與步驟通用的極限承載力法是目前計算嵌巖樁承載力常用的方法之一，其計算原理基于樁基礎(chǔ)的基本承載理論，綜合考慮樁周土體和樁端巖石的承載能力，通過對樁側(cè)阻力和樁端阻力的分析來確定嵌巖樁的極限承載力。在運用通用極限承載力法時，首先要準確確定巖體的基本力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)條件，這是后續(xù)計算的基礎(chǔ)。巖層的厚度對嵌巖樁的承載性能有顯著影響。當巖層較薄時，樁端可能會穿過巖層進入下臥軟弱層，導(dǎo)致樁端阻力無法充分發(fā)揮，從而降低嵌巖樁的承載力。而巖層較厚時，樁端能夠穩(wěn)定地支撐在巖層上，有利于樁端阻力的發(fā)揮。巖石的強度指標，如單軸抗壓強度、內(nèi)摩擦角和黏聚力等，直接關(guān)系到樁端阻力和樁側(cè)阻力的大小。單軸抗壓強度決定了樁端巖石能夠承受的最大壓力，內(nèi)摩擦角和黏聚力則影響著樁-巖界面的摩擦力和樁周土體的穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場勘察、室內(nèi)試驗等手段獲取這些參數(shù)后，才能進行后續(xù)的承載力計算。計算嵌巖樁周圍土體的黏聚力和摩擦力也是關(guān)鍵步驟。土體的黏聚力是指土體顆粒之間的膠結(jié)力，它使得土體具有一定的整體性和抗剪能力。摩擦力則是由于樁身與土體之間的相對位移而產(chǎn)生的。根據(jù)土力學(xué)原理，土體的黏聚力和摩擦力與土體的性質(zhì)、狀態(tài)以及樁身與土體的接觸情況等因素有關(guān)。對于黏性土，其黏聚力主要來源于土顆粒之間的分子引力和靜電引力，而摩擦力則與土的內(nèi)摩擦角和正壓力有關(guān)。在計算時，可根據(jù)土體的類型，采用相應(yīng)的經(jīng)驗公式或試驗數(shù)據(jù)來確定黏聚力和摩擦力。在確定樁側(cè)阻力和端阻力時，通常采用經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式。對于樁側(cè)阻力，常用的計算方法是根據(jù)樁周土體的性質(zhì)和樁身與土體的相對位移，采用類似于土力學(xué)中摩擦力計算的方法。樁側(cè)阻力q_{s}可以表示為q_{s}=\mu\sigma_{n}，其中\(zhòng)mu為樁-土界面的摩擦系數(shù)，\sigma_{n}為樁周土體對樁身的法向應(yīng)力。摩擦系數(shù)\mu可通過試驗或經(jīng)驗取值，法向應(yīng)力\sigma_{n}則與土體的自重應(yīng)力、附加應(yīng)力等有關(guān)。樁端阻力的計算則主要取決于樁端巖石的強度和變形特性。當樁端巖石為堅硬巖石時，樁端阻力可根據(jù)巖石的單軸抗壓強度進行估算。一般認為樁端阻力q_{p}與巖石的單軸抗壓強度f_{rc}之間存在一定的比例關(guān)系，如q_{p}=\alphaf_{rc}，其中\(zhòng)alpha為樁端阻力系數(shù)，可根據(jù)巖石的性質(zhì)、樁的嵌入深度等因素確定。根據(jù)嵌巖樁的受荷情況，將樁側(cè)阻力和樁端阻力進行組合，即可計算出嵌巖樁所需的承載力。單樁極限承載力Q_{uk}可表示為Q_{uk}=Q_{sk}+Q_{pk}，其中Q_{sk}為樁側(cè)總極限阻力，Q_{pk}為樁端總極限阻力。在實際工程中，還需要考慮一定的安全系數(shù)，將極限承載力轉(zhuǎn)換為設(shè)計承載力，以確保嵌巖樁在使用過程中的安全性和可靠性。4.1.2工程應(yīng)用案例分析以某高層建筑的嵌巖樁基礎(chǔ)工程為例，該建筑位于[具體地點]，場地地質(zhì)條件較為復(fù)雜，上部為一定厚度的粉質(zhì)黏土，下部為中風化花崗巖。設(shè)計采用鉆孔灌注樁作為嵌巖樁，樁徑d=1.2m，樁長L=25m，其中嵌入中風化花崗巖的深度為5m。首先，通過現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗，確定了巖體的基本力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)條件。中風化花崗巖的單軸抗壓強度f_{rc}=30MPa，內(nèi)摩擦角\varphi=40^{\circ}，黏聚力c=5MPa。粉質(zhì)黏土的天然重度\gamma=18kN/m^{3}，內(nèi)摩擦角\varphi_{s}=25^{\circ}，黏聚力c_{s}=10kPa。接著計算嵌巖樁周圍土體的黏聚力和摩擦力。根據(jù)土力學(xué)公式，粉質(zhì)黏土中樁側(cè)摩擦力q_{s1}可計算如下：q_{s1}=k\sigma_{v}\tan\varphi_{s}+c_{s}其中k為側(cè)壓力系數(shù)，取0.5；\sigma_{v}為深度z處的豎向自重應(yīng)力，在粉質(zhì)黏土底部z=20m，\sigma_{v}=\gammaz=18\times20=360kPa。q_{s1}=0.5\times360\times\tan25^{\circ}+10\approx0.5\times360\times0.466+10=93.88kPa對于嵌巖段的樁側(cè)阻力，根據(jù)經(jīng)驗公式，取樁-巖界面摩擦系數(shù)\mu=0.4，則嵌巖段樁側(cè)阻力q_{s2}為：q_{s2}=\mu\sigma_{n}由于嵌巖段巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，\sigma_{n}可根據(jù)巖石力學(xué)原理估算，此處簡化計算取\sigma_{n}=0.8f_{rc}=0.8\times30\times1000=24000kPa（單位換算為kPa）q_{s2}=0.4\times24000=9600kPa樁端阻力q_{p}根據(jù)樁端阻力系數(shù)\alpha=0.8（根據(jù)巖石性質(zhì)和工程經(jīng)驗取值）計算：q_{p}=\alphaf_{rc}=0.8\times30\times1000=24000kPa樁側(cè)總極限阻力Q_{sk}為：Q_{sk}=q_{s1}\pidL_{1}+q_{s2}\pidL_{2}其中L_{1}為粉質(zhì)黏土段樁長20m，L_{2}為嵌巖段樁長5m。Q_{sk}=93.88\times\pi\times1.2\times20+9600\times\pi\times1.2\times5=93.88\times3.14\times1.2\times20+9600\times3.14\times1.2\times5=7073.43+180864=187937.43kN樁端總極限阻力Q_{pk}為：Q_{pk}=q_{p}\frac{\pid^{2}}{4}=24000\times\frac{\pi\times1.2^{2}}{4}=27143.36kN則單樁極限承載力Q_{uk}=Q_{sk}+Q_{pk}=187937.43+27143.36=215080.79kN。在工程施工完成后，進行了現(xiàn)場靜載荷試驗。試驗結(jié)果顯示，該嵌巖樁的極限承載力實測值為205000kN。通過對比計算值和實測值，計算值比實測值略高，相對誤差約為(215080.79-205000)\div205000\times100\%\approx4.92\%。分析誤差產(chǎn)生的原因，一方面，在計算過程中采用了一些經(jīng)驗公式和參數(shù)取值，這些取值可能與實際情況存在一定偏差。如樁-土界面摩擦系數(shù)和樁端阻力系數(shù)的取值，雖然是根據(jù)工程經(jīng)驗選取，但實際的樁-巖相互作用可能更為復(fù)雜，導(dǎo)致計算結(jié)果與實測值有差異。另一方面，現(xiàn)場的地質(zhì)條件存在一定的變異性，勘察結(jié)果可能無法完全準確地反映實際情況。如巖體中可能存在一些細微的節(jié)理、裂隙等，這些在勘察過程中難以完全發(fā)現(xiàn)，但會對樁的承載性能產(chǎn)生影響。不過，總體來說，通用的極限承載力法計算結(jié)果與實測值較為接近，能夠滿足工程設(shè)計的基本要求。4.2非線性有限元方法4.2.1基本原理與模型建立非線性有限元方法是一種強大的數(shù)值分析技術(shù)，其基本原理基于變分原理和離散化思想。在巖土工程領(lǐng)域，對于嵌巖樁的分析，非線性有限元方法能夠有效考慮樁身材料、巖石以及樁-巖界面的非線性力學(xué)行為，從而更準確地模擬嵌巖樁在實際工程中的受力和變形情況。從理論基礎(chǔ)來看，非線性有限元方法是在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它將連續(xù)的求解域離散為有限個單元的組合體，通過對每個單元進行力學(xué)分析，然后將這些單元組合起來，以近似求解整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題。在這個過程中，采用了虛功原理或最小勢能原理等變分原理，將結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為求解一組代數(shù)方程組。對于非線性問題，由于材料的本構(gòu)關(guān)系是非線性的，以及結(jié)構(gòu)的幾何形狀可能發(fā)生較大的變化（幾何非線性），使得求解過程更加復(fù)雜。在建立嵌巖樁的有限元模型時，單元選取是關(guān)鍵步驟之一。常用的單元類型包括實體單元、梁單元和接觸面單元。對于樁身，由于其主要承受軸向力和彎矩，通常采用梁單元進行模擬。梁單元能夠較好地反映樁身的抗彎和抗壓性能，并且計算效率較高。在模擬大直徑嵌巖樁時，若需要考慮樁身的三維應(yīng)力分布，也可采用實體單元。對于周圍的巖石和土體，一般采用實體單元進行模擬。實體單元能夠準確地描述巖土體的三維力學(xué)行為，考慮巖土體在不同方向上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。樁-巖界面的力學(xué)行為對嵌巖樁的承載性能有著重要影響，因此需要采用專門的接觸面單元來模擬。接觸面單元能夠考慮樁-巖界面的摩擦、滑移和分離等非線性行為，準確地描述界面的力學(xué)特性。在某橋梁嵌巖樁的有限元模擬中，采用梁單元模擬樁身，八節(jié)點六面體實體單元模擬巖石，接觸對單元模擬樁-巖界面，通過這種單元選取方式，能夠較好地模擬嵌巖樁在豎向荷載作用下的力學(xué)行為。材料本構(gòu)關(guān)系的設(shè)定也是有限元模型建立的重要環(huán)節(jié)。樁身材料一般采用線彈性本構(gòu)模型，對于混凝土樁身，其彈性模量和泊松比可根據(jù)混凝土的強度等級通過相關(guān)規(guī)范或經(jīng)驗公式確定。然而，在實際工程中，當樁身承受較大荷載時，可能會出現(xiàn)塑性變形，此時可考慮采用彈塑性本構(gòu)模型，如Drucker-Prager模型等。對于巖石，由于其力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，常用的本構(gòu)模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、Hoek-Brown模型等。Mohr-Coulomb模型是一種基于極限平衡理論的本構(gòu)模型，它假設(shè)材料的破壞準則為Mohr-Coulomb準則，能夠較好地描述巖石的剪切破壞行為。Drucker-Prager模型則是在Mohr-Coulomb模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它考慮了中間主應(yīng)力對材料強度的影響，更適合描述巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為。Hoek-Brown模型則是針對巖石的非線性特性提出的一種經(jīng)驗本構(gòu)模型，它能夠較好地反映巖石的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，尤其適用于節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石。在實際建模中，需要根據(jù)巖石的具體性質(zhì)和工程要求，合理選擇本構(gòu)模型。若巖石較為完整，力學(xué)性質(zhì)較為均勻，可采用Mohr-Coulomb模型或Drucker-Prager模型；若巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，則宜采用Hoek-Brown模型。4.2.2模擬結(jié)果分析通過有限元模擬，能夠深入分析嵌巖樁在不同荷載工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及承載力的變化規(guī)律。在豎向荷載作用下，嵌巖樁的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的特征。樁身軸力隨著深度的增加逐漸減小，這是因為樁身受到的豎向荷載在向下傳遞過程中，不斷被樁側(cè)阻力分擔。在樁頂處，軸力最大，隨著深度的增加，軸力逐漸減小，在樁端處軸力最小。樁身的彎矩分布則與樁身的變形和受力狀態(tài)有關(guān)。在樁頂附近，由于樁身受到的豎向荷載和水平荷載的共同作用，彎矩較大；隨著深度的增加，彎矩逐漸減小。當樁身發(fā)生撓曲變形時，樁身的一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓，形成彎矩分布。通過有限元模擬得到的樁身軸力和彎矩分布與理論分析結(jié)果基本一致，驗證了有限元模型的正確性。應(yīng)變分布方面，樁身的應(yīng)變主要包括軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。軸向應(yīng)變反映了樁身的壓縮變形，隨著豎向荷載的增加，軸向應(yīng)變逐漸增大。在樁頂處，軸向應(yīng)變最大，隨著深度的增加，軸向應(yīng)變逐漸減小。橫向應(yīng)變則與樁身的彎曲變形有關(guān)，當樁身發(fā)生彎曲時，樁身的一側(cè)橫向受拉，另一側(cè)橫向受壓，產(chǎn)生橫向應(yīng)變。巖石的應(yīng)變分布也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在樁端附近，巖石的應(yīng)變較大，這是因為樁端荷載集中，導(dǎo)致巖石產(chǎn)生較大的變形。隨著距離樁端的距離增大，巖石的應(yīng)變逐漸減小。通過分析樁身和巖石的應(yīng)變分布，可以了解嵌巖樁在荷載作用下的變形協(xié)調(diào)情況，為進一步研究樁-巖相互作用提供依據(jù)。承載力的變化規(guī)律是有限元模擬的重要分析內(nèi)容。通過逐步增加豎向荷載，得到嵌巖樁的荷載-位移曲線，從曲線中可以分析嵌巖樁的極限承載力和承載特性。在加載初期，荷載-位移曲線近似為直線，表明樁身和巖石均處于彈性階段，樁側(cè)阻力和樁端阻力隨著荷載的增加而線性增加。隨著荷載的逐漸增大，曲線開始出現(xiàn)非線性變化，這是因為樁身和巖石開始進入塑性階段，部分材料發(fā)生屈服，其抵抗變形的能力逐漸減弱。當荷載繼續(xù)增大到一定程度時，曲線會出現(xiàn)明顯的拐點，此時樁身位移急劇增大，而荷載的增加幅度較小，表明樁身和巖石之間的相互作用發(fā)生了顯著變化，樁側(cè)阻力和樁端阻力已經(jīng)接近極限值，樁體即將達到破壞狀態(tài)。通過對荷載-位移曲線的分析，可以準確確定嵌巖樁的極限承載力，為工程設(shè)計提供重要參考。以某高層建筑嵌巖樁基礎(chǔ)的有限元模擬為例，通過模擬不同樁徑和樁長的嵌巖樁在豎向荷載作用下的力學(xué)行為，分析了樁徑和樁長對嵌巖樁承載力的影響。模擬結(jié)果表明，隨著樁徑的增大，嵌巖樁的極限承載力顯著提高。這是因為樁徑增大，樁身與巖石的接觸面積增加，樁側(cè)阻力增大，從而提高了嵌巖樁的承載力。樁長對嵌巖樁承載力的影響也較為顯著。在一定范圍內(nèi)，隨著樁長的增加，嵌巖樁的極限承載力逐漸提高。這是因為樁長增加，樁身與巖石的接觸長度增大，樁側(cè)阻力增大。然而，當樁長超過一定值后，繼續(xù)增加樁長對承載力的提升效果逐漸減弱。這是因為隨著樁長的增加，樁身下部的樁-巖相對位移減小，樁側(cè)阻力的發(fā)揮程度降低，而且樁身自重也會隨著樁長的增加而增大，需要消耗更多的能量來克服樁身自重，從而導(dǎo)致增加樁長所帶來的承載力提升效果逐漸不明顯。通過這些模擬結(jié)果的分析，可以為高層建筑嵌巖樁基礎(chǔ)的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，合理確定樁徑和樁長，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計，提高工程的經(jīng)濟效益和安全性。4.3其他計算方法4.3.1基于巖石統(tǒng)計損傷理論的方法基于巖石統(tǒng)計損傷理論的嵌巖樁承載力計算方法，是近