嵌岩桩地基反力参数与土体侧向受荷桩性状

与黏土中侧向受荷桩的分析一样,对于岩石中的侧向受荷桩需要确定岩石的剪切模量Gm和泊松比vm。对于均质各向同性岩石,剪切模量可通过岩石的变形模量Em和vm按式Gm=Em/2(1+vm)确定。岩石的泊松比一般为0.10～0.35(U.S.Army Corps of Engineers,1994)。如果没有实测资料,可取vm=0.25。这对侧向受荷嵌岩桩性状的影响不是很明显。对于Em值,由于岩石的变形模量与试样的尺寸有密切相关,一般很难通过室内试验确定。在工程设计和分析中,Em值往往通过地下结构物的变形测试结果反分析或通过经验关系式确定。通常采用的经验关系式为Em值与下列岩石分类指标或强度参数之间的关系：①岩石分类指数(RMR,Rock Mass Rating),完整岩石单轴抗压强度(qur),地质强度指标(GSI,Geology Strength Index)和岩石质量标号(RQD,Rock Quality Designation),如表5-8(M1—M4)和表5-9(M5)。在应用这些关系式时,必须确定如下参数：①试验确定RQD;②RMR(Bieniawski,1989,下称RMR89),其中,RMR89=RA+RB+RC+RD+RE-Adj,式中,RA为qur权重分级指数,RB为RQD权重分级指数,RC为岩体中不连续结构间距权重分级指数;RD为不连续结构粗糙程度权重分级指数;RE为地下水权重分级指数,Adj为考虑不连续结构走向对结构物影响的分级指数修正值;③GSI。假定岩石完全干燥,并且不连续结构走向对结构物有利条件下,GSI=RMR89-5(Hoek等,1995);④岩体裂隙条件和完整岩石的杨氏模量Er,其中,Er≈(100～1 000)qur(Reese,1997)。

表5-8　Em值的经验关系式

表5-9　M5:Em与RQD经验关系值(Sabatini等,2002)

根据式(2-19),嵌岩桩的侧向变形主要发生在上部6d深度内。由于该深度内的岩石很容易受到风化、应力释放、施工扰动、加荷断裂的影响,Em值一般比隧道或其他开挖支护结构反分析得到的值小。因此,上述经验关系式是否适用于侧向受荷嵌岩桩的分析,有必要进一步论证。在本文的分析中,Gm(或Em)值将通过拟合预测和实测的桩基性状,反分析得到。再进一步比较反分析得到的Em值与上述经验关系式的计算结果,判定上述经验关系式的适用性。(www.xing528.com)

对于嵌岩桩,在采用式(3-3)确定极限抗力分布时,AL和α0也可表达为无量纲参数Ng和Nc0的表达式：

式(5-20)或式(3-3)能够包括目前所有侧向受荷嵌岩桩的LFP。例如,对于一个直径1.0 m、嵌入单轴抗压强度qur=3.45 MPa、容重γm=23 kN/m3的嵌岩桩,分别由Reese(1997)(下称Reese LFPR)和Zhang等(2000)(下称Zhang LFP,对于光滑和粗糙嵌固条件,分别称为Zhang LFP-S和Zhang LFP-R)建议的嵌岩桩LFP,在3d深度内可采用表5-10所给的n,Ng和α0组合值准确拟合,其中,对于Reese LFPR,其参数αr=1.0;对于Zhang LFP,其参数mb=3.186,s=0.003 87,和m=0.5。然而,需要指出的是,必须谨慎采用上述两种嵌岩桩的LFP,主要由于：①LFP对桩的性状影响十分显著,而Reese LFPR中的参数αr变化范围较大,目前还没有选取的依据;②Zhang LFP与RMR89和GSI有关,而这些参量很难定量确定;③两种LFP分别只得到了两个实例的验证。

表5-10　采用式(3-3)准确拟合现有嵌岩桩的LFP(d=1.0 m,qur=3.45 MPa和γm=23 kN/m3)

与土体中的侧向受荷桩一样,真实的n,Ng和α0(或Nc0)可通过拟合预测与实测的桩基性状进行反分析得到。由于桩的最大弯矩基本上只取决于LFP和桩的变形受LFP影响显著,一般依次拟合如下关系：①Pt～Mmax关系;②Pt～yt关系;③Pt～最大弯矩发生深度xmax关系;④Pt～地面处转角θ0关系(θ0一般很难准确测定,故作为最后的拟合性状)。不过,由于费用昂贵,一般很少能够测定上述所有桩基性状,常见的只有Pt～yt和/或Pt～Mmax关系。这样,常常反分析得到的n,Ng和α0(或Nc0)组合值并不唯一。因此,在侧向受荷嵌岩桩的分析中,应考虑如下因素：①浅层岩石很容易受到风化、应力释放、施工扰动、加荷断裂的影响,岩石极限抗力沿深度增长的斜率可能比砂土和黏土的极限抗力增长的斜率大。参照砂土和黏土中侧向受荷桩的n值,可初步选取n=2.5;②在岩面处,极限抗力pu取为αn0qur,即由式(3-3)得AL=qur。下面的实例分析将表明,上述假定引起的误差可通过选择α0值得到补偿。因为qur由试验确定,所以对于LFP,只有α0值未知。α0值可通过有限的桩基性状实测资料反分析得到。