嵌岩桩设计探讨

1、轴向荷载下

嵌岩桩极限承载力由 桩周土总侧阻力 、 嵌岩段总侧阻力 、 总端阻力 3 大部分组成。

桩周土总侧阻力： 除桩端置于新鲜或微风化基岩且长径比很小的情况外 ( 地基和桩身变形均极小 ) ，上覆土层侧阻力均可以发挥。 L/D大于20的嵌岩桩，其荷载传递具有摩擦型桩的特性(泥浆护壁嵌岩桩桩侧阻力分担荷载超过总荷载60%) 。 L/D 大于 40 ，且覆盖层为非软弱土层，嵌岩桩端阻力发挥较小 ( 侧阻力分担荷载超过 95%) ，桩端进入强风化或中风化岩层中即可。

嵌岩段侧阻和端阻： 岩石强度越高，侧阻发挥系数越低；桩岩刚度比越大，端阻力越大，嵌岩深径比越大，端阻力越小，岩石强度越低，端阻发挥系数越大， 嵌岩深度越大，端阻发挥系数越小，受清底情况影响较大 。

受力过程： 嵌岩桩在竖向荷载作用下， 桩身受到压缩而产生相对于土(岩)向下的位移，于此同时桩侧表面受到土(岩)向上的摩阻力，从而将部分桩身荷载传递给桩侧土(岩)，故桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。在桩土(岩)相对位移等于0处，其桩侧阻力难以发挥而等于0 。

随着荷载不断增加，桩身压缩和位移量不断增大，桩身下段侧阻力也随之发挥，直至桩端受到压缩而产生桩端阻力。桩端的压缩又增大了桩土 ( 岩 ) 相对位移，导致桩侧阻力进一步发挥。当端阻力完全发挥达极限值后，若继续增加荷载，则荷载增量将全部由桩端阻力承担。

根据嵌岩桩的作用机理： 嵌岩桩无论是嵌入风化岩还是完整岩， 其荷载传递具有摩擦型桩的特征 ，即桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥作用。 ( 桩端阻力充分发挥需要较大的位移值(0.08～0.25D) ，钻孔桩孔底虚土，沉渣厚度等影响，所需位移值更大。 而侧摩阻发挥需要的位移较小（ 3～40mm)

侧阻力和端阻力并不同时发挥 ，上部土层的侧阻力总是先于下部岩层发挥出来，非嵌岩段侧阻力早于嵌岩段侧阻力， 而嵌岩段桩侧阻力又是先于桩端阻力发挥出来，且二者也不会同时达到极限状态 。

参考资料：《建筑桩基技术规范应用手册》刘金砺等、《大直径嵌岩桩嵌岩深度效应试验研究》、《按桩顶沉降控制的嵌岩桩嵌岩深度计算方法》

2、水平荷载下

对于桩基在水平力作用下内力和位移普遍采用弹性地基梁法 ( 把桩作为弹性地基上的梁 ) 。

当αh＞2.5时 ( α为桩的变形系数， h 为桩基地面线或局部冲刷线以下的入土 ( 不包含嵌岩段，全风化及强风化岩层均按土层考虑 ) 深度 ) ，说明基岩以上覆盖土层厚，桩基的弯矩最大值一般落在覆盖土层中，由覆盖土层承担了大部分的弯矩和剪力，对基底端承桩的握裹作用就降低了很多，受力形态为柔性桩，考虑桩身变形，桩底弯矩基本为 0 ，称之为 弹性桩 。假定桩的挠曲方程为幂级数。（考虑桩侧土抗力）

当αh≤2.5时 ，基岩上覆土层很薄，基岩埋深很浅，所有水平荷载全靠嵌岩深度提供，受力模式为刚性桩，变形趋近于整体变形，桩底弯矩不为 0 ，称之为 刚性桩 。刚度远大于土的刚度，假定桩的横向外力作用下只发生转动，无挠曲变形。（不考虑土抗力，也称柱桩）

刚性桩（柱桩）和弹性桩?网络

通常覆盖层在5～6D时， 均为刚性桩。

嵌岩桩的破坏特征与桩身、桩周岩体的相对强度以刚度相关。主要有以下几类：

1、桩身材料强度不足而发生压屈破坏。 该破坏模式主要出现于桩身长且长径比大，但桩身材料强度不高的嵌岩桩。

2、桩底岩体整体剪切破坏。 该破坏形式主要发生在桩底岩石强度不高，而桩身强度较大且桩长较小的情况下，随着嵌岩桩嵌岩段桩侧阻力的全部发挥，增加的荷载将由桩底岩体承担，最终导致桩底岩体形成滑裂面 ( 或压碎 ) 而发生整体剪切破坏。

3、桩-岩界面发生剪切滑移破坏。 此类型多发生在桩底清孔不彻底，桩底沉渣过厚，导致桩端阻力难以发挥，上部荷载主要由桩侧阻力承担，引起桩 - 岩相对位移较大，最终使桩 - 岩接触面完全丧失胶结力。

参考资料：《嵌岩桩破坏模式的试验研究》。

桩基需要嵌入基岩一定深度，主要分别根据桩身稳定和竖向承载力要求，以最不利状况控制设计。

1、按轴向承载力确定最小嵌岩深度

从公式参数可知，考虑岩石完整程度、钻孔桩工艺、 沉渣厚度(大于10cm未考虑) 、风化程度 ( 中风化以上 ) 、岩石抗压强度 ( 影响侧阻发挥 ) 等影响。

2、按桩身稳定确定最小嵌岩深度

基本假定见地基基础规范 6.3.8 条文说明。

3 、弹性桩通常由轴向承载力控制，刚性桩由桩身稳定控制。

4、国内公路规范嵌岩桩计算流程：判断桩基受力模式(刚性桩or柔性桩)→根据轴向承载力及桩身稳定进行计算→初步确定入岩深度→根据经验修正(弹性桩一般1～2D，刚性桩一般2～5D，同时刚性桩嵌岩深度受岩石强度和完整性影响较大，在某些情况应单独计算。溶洞、陡坡等特殊情况额外考虑。)

例1：乐广高速(2014年通车)

对于 跨径不大于50m的中小跨径桥梁 采用如下原则：

(1) 当端承桩的入土深度 h≤2.5/α时，应按刚性桩设计，嵌岩深度应根据实际岩石单轴极限抗压强度及覆盖层厚度计算确定 。

(2) 当端承桩的入土深度 h＞2.5/α时，建议按弹性桩设计 。其中， 桩径不大于1.5m 的端承桩当覆盖层厚度 h>6D 时，其嵌岩深度可取 1.0 ～ 1.5D ( 大桩径取小值、小桩径取大值 ) ； 当桩径大于1.5m 、覆盖层厚度 h>5.5D 时，其嵌岩深度可取 1.0～1.5D 。按以上原则确定嵌岩深度， 应注意桩长应同时满足临空面安全距离的要求。

例2：辽中环线浑河大桥

覆土深度 2m ，中风化变粒岩 ( 饱和抗压强度 36.6MPa ) ，桩基直径 2m ， 刚性桩 ，桩身 稳定控制计算嵌岩深度为4.6m (07 规范 ) ， 计算桩长6.6m 。 ( 试验桩取 5D ，总长 12m 试验，效果良好 )

参考文献：《大直径嵌岩桩嵌岩深度计算》、《 大直径嵌岩桩嵌岩深度效应研究 》、《端承桩基础嵌岩深度设计分析》、《刚性嵌岩短桩计算理论分析》、《关于嵌岩桩嵌岩深度的计算》、《浅谈端承桩嵌岩深度的原则与运用》、《浅谈乐广高速公路桥梁端承桩的优化设计》、《桥梁嵌岩桩受力机理及最佳嵌岩深度研究》

“最大嵌岩深度”和“最佳嵌岩深度”最早由黄求顺提出。

最佳嵌岩深度是从桩的承载能力，侧阻和端阻所占比重、施工难易程度及经济性等角度来综合考虑的，最终确定一个较为合适的嵌岩深度。最大嵌岩深度指嵌岩桩在嵌入岩石达到一定深度时，桩端阻力为零的临界嵌岩深度。 目前国内外学者对“两个深度”的理解仍然存在着分歧，尤其是国内。

黄求顺： 5D 为“最大嵌岩深度”； 3D 为“最佳嵌岩深度”。（资料均为较短桩）

《公路桥涵地基与基础设计规范》：6.3.8条文说明：该条为按桩身稳定确定嵌岩深度的条文说明。

《贵州山区复杂地质条件公路桥梁桩基设计指导书》： 3.3.2 ：综合考虑覆盖层厚度、桩顶设计荷载及岩石强度、完整性，桩基在满足竖向承载力要求的前提下， 覆盖层厚度大于20 m 且不存在软弱土层时嵌入中风化以上硬质岩深度建议取1.5D左右 。当下伏基岩为中风化以上 软质岩 时，应适当加深， 宜取3D～5D 。在桩基配筋设计时， 嵌岩桩应通长配筋 。 ( 详细条文说明见该条条文说明 )

设计院1： 最小有效入土桩长不小于 6D和10m ，进入中风化岩层不小于 2D 。 ( 同时满足计算要求，软岩应该在 4D 左右 )

《湖北省普通国省道设计技术指南》： 端承桩 ( 嵌固 ) 嵌岩深度应根据桩基受力大小、桩长及岩性 ( 含节理情况 ) 而定，最小有效桩长不小于 12m 。

设计院2： 桩基较长 ( 大于40m ) ，受力更 接近于摩擦桩 的，桩基进入中风化岩层深度可浅些， 1D左右 ，桩基较短的，按照不少于 2 ～ 3D 或者不少于 3 ～ 5m 为宜且桩长不小于 6D 及 10m ，具体应更具所嵌入的 岩层力学特性、淤泥层厚度、有无潜在工程病害 具体判断，上述仅作为参照原则。

铁路设计院1： 桩长应综合考虑地质条件和施工条件根据计算确定。对桩径 D=1m 、 1.25m 的桩基础，最小桩长可采用 6m ；对 D ≥ 1.5m 的桩基础，最小桩长应根据计算确定。

设计院3：

(1) 当覆盖层较厚，按摩擦桩验算桩端不伸入基岩可满足承载力要求时，按摩擦桩设计；

但如果按摩擦桩设计仅比按端承桩设计的桩长减短在 5m 以内时，建议按嵌岩桩设计。 ( 考虑沉降小 )

(2) 当端承桩的入土深度 h ≤ 2.5/ α ( α为土中基础的变形系数 ) 时，按 刚性桩设计，嵌岩深度取3～5D ， 建议小直径取大值，大桩径取小值 ；反之按 弹性桩设计，嵌岩深度取1～1.5D 。

根据规范要求验算桩身强度、稳定性及裂缝宽度 。按照偏心受压构件的有关规定进行。对于桩基稳定性验算指计算时应计入桩身纵向屈曲因素，并予以考虑。 对于桩基裂缝宽度的验算一般情况可不予进行，主要早构造上予以保证，仅当土或水对桩有侵蚀作用时才须进行验算 。

对于较长的桩基可分为 三个区段 ： 上段桩身弯矩较大 ， 为钢筋混凝土圆形截面偏心受压构件 ；中段弯矩很小，为少筋混凝土或钢筋混凝土圆形截面轴心受压构件；下段桩身仅受轴力，为素混凝土圆形截面轴心受压构件。

对于上段 ( 压弯构件 ) ：由于桩基受力特点以受压为主， 就算弯矩最大处，也一般是小偏心受压，弯矩轴力比非常小 ， 接近于轴心受压 。根据桥规计算配筋时， 一般都是最小配筋率控制(桥规0.5%， 国内外通常0.4%～1%) 。

中下段： m 法计算可知， 在4/α(弯矩零点)以下理论上桩身的弯矩和剪力已经等于0，可以不必进行配筋 。但考虑到土的比例系数 m 值在不同水平力作用下不确定性 以及桩基存在初始偏心、截面重心的几何不对中、施工误差等因素 。在实际设计时通常一般采用 上段配筋的50%(长筋) ，这种断面配筋率不满足最小配筋率要求，为少筋混凝土结构。

因此建议 较长的桩基 全筋段 长度设置为 4/α ， 半筋长度 考虑“ K ”法 ( 弯矩零点可达 5.989/ α及以上 ) 及“ m ”法弯矩影响深度、施工误差因素等， 取为2/α 。

刚性端承桩按全筋通长设置；弹性桩分全筋段和半筋段，不设素砼段 。

以上原则均未考虑坡岸、地震、陡坡等特殊情况，这些情况在参考资料及后续描述。

参考资料：

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》9.1.12： 轴心受压构件、偏心受压构件全部纵向钢筋的配筋百分率不应小于 0.5 ，当混凝土强度等级 C50 及以上时不应小于 0.6 ；同时，一侧的配筋百分率不应小于 0.2 。

《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》： 灌注型嵌岩桩竖向主筋应计算确定，且配筋率不宜小于 0.4% ，根数不宜少于 12 根。

《建筑桩基技术规范应用手册》：3.2.1-2：

(1) 实际工程中端承桩 ( 一般较短，刚性嵌岩桩多 ) ，侧阻力分担荷载很小，桩身压应力沿深度减小并不明显，这时应通长配筋。对于 桩长较大的摩擦端承桩(弹性嵌岩桩)，当基岩较深(或覆盖土层较厚)，侧阻力分担荷载量较大，桩身压应力沿深度减小较为明显，可变截面配筋 。 抗震设防区 的嵌岩桩，从基岩到上覆土层刚度突变， 在桩端也有应力集中，故配筋量不宜减少。

(2) 位于 坡地岸边的基桩 ， 其配筋长度应考虑多项因素确定 。在非抗震设防区， 应根据土体整体滑移计算桩端进人潜在滑裂面以下足够深度 ，其纵筋长度也应与之对应； 震害表明 ， 坡地岸边建筑物 ，由于滑移性地裂致使桩基础破坏较为严重， 为防止基桩截面断裂失效，因此规定纵筋应通长布置 。

(3) 非抗震设防区的摩擦型桩 ，因荷载主要由侧阻力分担，桩身内力沿深度近似直线减小， 因此在2/3桩长以下取消配筋仍能满足必要的安全度 。当受水平荷载 ( 如风荷载、拱的水平推力等 ) 时， 配筋长度尚不应小于反弯点下限4/α 。

(4) 对于 抗震设防区的基桩 ，应在桩身 弯、剪应力突变处加强纵筋和箍筋 。从目前统计的资料来看，以下 三个位置基桩震害较为严重 ： 桩头部位 、 在液化土与非液化土界面处 、 软夹层和硬夹层的界面处 。 纵筋及箍筋在这些位置均需加强，且纵筋应进人稳定土层一定深度。

(5) 对于 抗拔桩(如抗水浮力的基桩) ，应 通长配筋 ；对于以竖向受压为主，只在使用过程中可能因风力、土的冻涨作用引起拔力的基桩，配筋长度应通过计算确定。

(6) 受 负摩阻力的桩在中性点处承受最大压力 ，应对 中性点截面验算配筋率 ，且 纵筋应穿过软弱土层并进人稳定土层，深度不小于2～3倍桩身直径 。

某设计院1：

(1) 桩身上端配筋率应不小于 0.5% ，刚性端承桩按全筋通长设置；弹性桩分全筋段和半筋段，不设素砼段；摩擦桩分全筋段、半筋段及素砼段。

(2) 分段配筋的桩基， 其全筋段长度建议为4/α(α为土中基础的变形系数)，半筋段长度建议不小于2/α ，素砼段长度建议不大于 8D 。

某设计院2： 上段需要按照计算。 配筋率宜为0.2%～0.65%(小桩径取大值，大桩径取小值) 。当桩身截面直径很大时，即使按照最小配筋率控制，竖向主筋数量也很大，不甚 合理。可按《水工混凝土结构设计规范》 9.5.2 条对主筋数量进行折减。 4/α(理论弯矩零点)以下竖向主筋可减少，但要满足构造要求；另一方面，有部分竖向钢筋直达桩底，也方便钢筋笼安装 。

某设计院3： 桩基础的最大单桩承载力设计应略有富裕，留有余地，一般富裕10%，管线位置控制15%。 桩基主筋必须全数配设至第一个弯矩零点(m法理论为4/α，K法为5.989/α)以下2D处 ，且声测管位置通长钢筋布置。主筋长度当 桩身上段存在淤泥、淤泥质土层或液化土层 时，除应满足上述三条要求外， 桩身主筋还必须穿过淤泥、淤泥质土层或液化土层并进入下一土层不小于2D的长度后再截断50% 。

《xx省公路工程造价控制要点》

箍筋的配置，主要考虑三个方面因素。

一是 箍筋的受剪 作用，对于地震设防地区，基桩桩顶要承受较大剪力和弯矩，在风载、温度力、制动力等水平力作用下也同样如此，故需要在 桩顶一定范围内适当加密 ；

二是箍筋在轴压荷载下对混凝土起到约束加强作用， 可大幅提高桩身受压承载力，而桩顶部分荷载最大，故桩顶部位箍筋应适当加密 ；

三是为 控制钢筋笼刚度 。

承受水平力或较大弯矩的桩 ，其顶部 2～3m内范围 ，箍筋应加密，一般为 10cm 。伸入 承台箍筋仅作为定位作用间距可增大至15～20cm 。加密区以外箍筋间距一般为 15～30cm，桥梁设计习惯上通常采用20cm 。

参考资料：

《建筑桩基技术规范应用手册》

1 、普通条件下 ( 地势平坦、无不利地质等 ) 应根据岩层 (中风化以上)上覆土层厚度试算选取桩基类型 ( 可根据计算和贵州复杂地质桩基设计指导书 3.2 节综合确定 ) ，进而确定桩基受力特性。 当采用嵌岩桩设计时：

(1) 当h≤2.5/α(h为基岩以上土层厚度)时(通常为3～6D) ，按 刚性桩 设计，一般为 桩身稳定控制 ( 仍需进行竖向承载力计算，一般不控制 ) ， 确定嵌岩深度 。根据 岩石坚硬应程度对比规范经验值确定最终设计嵌岩深度(一般为2～5D) 。配筋 按照压弯构件计算确定并不小于最小配筋率要求，纵筋通长 。

(2) 入土深度h＞2.5/α时(通常为3～6D) ，按 弹性桩 设计，此时桩基长度一般较长， 竖向荷载主要由侧摩阻承担 ， 桩端嵌岩深度在满足计算条件下，按1～1.5D控制 。当按 摩擦桩计算也能满足时，可不嵌入基岩(如摩擦桩桩底接近基岩面1～2D，建议嵌入岩层1D，经济性差距不大，对沉降有利) 。 配筋按照长筋通长（桩基过长时参考摩擦桩），短筋不小于4/α+2D配置 。

2 、对于特殊情况需做额外考虑：

(1) 岩溶地区 。按《岩溶地区公路桥梁桩基设计与施工技术指南 GDJTGT A01-2016 》、《贵州山区复杂地质条件公路桥梁桩基设计指导书》等资料进行研究后综合确定。

(2) 软质岩、强风化层及断层破碎带 。根据计算和参考《贵州山区复杂地质条件公路桥梁桩基设计指导书》 4 章及其他相关资料确定。

(3) 岸边、 斜坡、断崖等 。参考《贵州山区复杂地质条件公路桥梁桩基设计指导书》 6 章及浙江地标《山区高速公路勘察设计规范》 2021 等。

①除按常规计算流程外，还需验算最不利荷载效应组合下斜坡桩基的整体稳定性和桩基的水平承载力。 ( 该点操作较困难，通常保证所处坡体稳定，桩基型号大一号，配筋加强。浙江地标要求坡度大于 30o 时，应进行抗剪、稳定性验算，类似于抗滑桩那一套 )

②采用群桩基础时，可采用高桩承台，设计时应考虑外侧桩有足够桩长，满足承载力及稳定要求。同一承台内、外侧桩长不得相差过大，一般情况下控制在 1/5 桩长及 5m 内 ( 浙江地标为桩底标高差不大于相邻桩基间距 ) 。

③ 有效入岩深度 按图示确定。

④对于 斜坡上的桩基，不得将桩支撑于边坡潜在的滑动体上 。桥梁桩基建设场地内的边坡必须为完全稳定的边坡，当有崩塌、滑坡等不良地质现象或边坡不稳定时，应先进行整治防护，确保其稳定。

⑤桩端与斜坡的水平距离。当 桥梁桩基位于陡峭的山坡上或陡崖处时 ，桩长的确定不仅取决于桥梁上构传给桩基的反力大小， 同时也要考虑到桩基所在山体的稳定性 ，桩底距 临空面需保证一定的安全距离。

(4) 踩空区。参考《贵州山区复杂地质条件公路桥梁桩基设计指导书》 7 章。

(5)抗震、地质灾害等 其他特殊情况需查阅相关文献后确定。

案例1：某项目基岩层为中风化粉砂岩，单桩饱和抗压强度为9.6～18.3MPa，上部结构为30mT梁。墩高10m以内，覆盖土层厚度4.55m，桩基直径1.5m，嵌岩深度8.45m。 水平力148kN，弯矩为1973kN · m。 覆盖土层较薄，典型刚性桩。

按桩身稳定计算嵌岩深度为1.79m，按轴向承载力要求计算嵌岩深度为0.55m。持力层为软岩，规范建议嵌岩深度4～5D，取4D=6m，可优化2.45m。

概况

按桩身稳定计算承载力

案例2：某项目基岩层为中风化砂砾岩，单桩饱和抗压强度为10MPa，上部结构为30mT梁。墩高10m以内，覆盖土层厚度约22m，桩基直径1.6m，桩长31m，嵌岩深度3.2m。覆盖土层约13D，典型弹性桩，侧摩阻提供60%承载力，嵌岩深度可取1D，全筋段长可配置约10D（16m），半筋到底 。

弹性桩

作者：朱刚/王成树/丰月华/陈耀军/王建江/刘甜甜/陈正星

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参考文献：

1、《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008；

2、《岩溶地区公路桥梁桩基设计与施工技术指南(广东)》GD-JTG-T-A01-2016；

3、《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG3363-2019；

4、《贵州山区复杂地质条件公路桥梁桩基设计指导书》；

5、《建筑桩基技术规范应用手册》，刘金砺，高文生，邱明兵；

6、《岩土工程勘察与设计》高大钊；

7、《土建工程基础设计和计算技术规范》CCTG第62分册第5卷；

8、《刚性嵌岩短桩计算理论分析》胡家伟；

9、《浅谈乐广高速公路桥梁端承桩的优化设计》梁亦通等；

10、《按桩顶沉降控制的嵌岩桩嵌岩深度计算方法》雷勇等；

11、《大直径嵌岩桩嵌岩深度效应试验研究》范昕然；

12、《公路桥梁嵌岩桩嵌岩深度计算》赵明华等；

13、《关于嵌岩桩设计的讨论》，北京建达宋桂峰等，1999。