随着高层建筑、市政工程、大型超大桥梁等的建设,超大直径扩底嵌岩桩因其承载力高、沉降小等优点得到了广泛的运用,使用的桩径也在不断增大。深圳平安大厦基桩工程使用了16根桩径5.7 m(扩底桩径7.0 m)和8根桩径8.0 m(扩底桩径9.5 m)的超大直径扩底嵌岩桩。国内外尚无应用先例,被认为是目前世界上桩径最大的扩底嵌岩桩。目前各国规范针对大直径嵌岩桩仍多使用传统的中、小直径嵌岩桩的设计方法。传统的静荷载试验难以对超大直径扩底嵌岩桩进行试验,由于缺少相关的现场试验数据,导致桩身受力状态不明确并造成设计上的浪费。因此,对超大直径嵌岩桩进行研究是对桩基理论的补充,同时也是工程界的迫切需求。本文基于深圳平安超大直径扩底嵌岩桩基桩工程,从理论分析、相似模型试验、数值计算和现场试验四个方面对超大直径扩底嵌岩桩的竖向承载性能进行了分析。超大直径扩底嵌岩桩的桩端多为强度较高的岩层。传统的人工机械开挖的方法难以进行施工,须采用爆破处理。由于爆破会对桩周的岩层产生扰动,因此,在施工前设计好爆破施工方案,采用二次微差光面爆破技术以减小爆破施工对桩周其它构筑物和管道的影响,将爆破引起的振动对周边环境的影响和危害降到最低。由于在同一场地内需同时施工大量的超大直径扩底嵌岩桩,场地施工范围较小,采用逆传统施工顺序的方法进行钢筋笼的安装和施工,有效的提高了施工效率。由于桩径较大,在连续浇筑的过程中如何控制混凝土的入模温度成为施工的关键,通过加入冰屑和优化配合比的方法可以有效降低混凝土的水化热,保证超大直径桩桩身的连续浇筑。针对超大直径嵌岩桩的竖向受力特征,对超大直径扩底嵌岩桩的桩身侧摩阻力和桩端阻力进行了理论分析。(1)在充分考虑桩身和护壁自重及桩-岩界面特征的前提下,对超大直径嵌岩桩侧摩阻力进行了分析。结果表明,桩周岩体的种类、岩体质量和施工扰动均会对嵌岩桩的承载性能产生影响,在施工过程中应特别注意这些因素对桩身侧摩阻力的影响。(2)提出了基于岩石质量指标RQD分组的大直径扩底嵌岩桩的桩端阻力的理论计算公式。收集了国内外文献研究报道的77组大直径嵌岩桩的现场试桩试验的结果,并对其进行了非线性统计分析,给出了基于岩石质量指标RQD的大直径嵌岩桩桩端承载力的理论计算模型与方法。通过对不同桩端岩体质量的等级划分,可以根据所得公式结果方便计算得到大直径嵌岩桩的桩端承载力。通过深圳平安大厦超大直径扩底嵌岩桩工程的计算对比,验证了理论计算模型的可靠性。该计算方法较现行的规范法更具有合理性,在保证安全性的同时,可以有效避免设计时的浪费。为了进一步分析大直径嵌岩桩在竖向荷载作用下的承载机理,进行了超大直径嵌岩桩的相似模型试验,试验结果表明:(1)基于相似理论,推导分析了超大直径扩底嵌岩桩在竖向荷载作用下的相似准则,通过选取不同的砂、水泥、石膏的配合比,确定了模型桩和岩层的相似材料。以深圳平安大厦5.7 m和8.0 m超大直径嵌岩桩的实际受力情况为依据,设计了模型试验。(2)对已有的城市地下工程三维模型系统进行了改造,使其在试验时具有更强的可操作性,方便安装和拆除,更易于试验过程的观察。结合已有的试验加载系统,可同时对2根单根直径达160 mm的模型桩进行加载试验。(3)等直径和扩底嵌岩模型桩的桩顶荷载-沉降曲线均为缓变型。在设计荷载下,桩顶荷载-沉降曲线为线性。根据相似比进行反演计算后,试验所得到的桩顶沉降值与现场监测值吻合较好,试验结果是准确可靠的。在加载前期,即桩身在设计荷载作用下时,等直径嵌岩桩和扩底嵌岩桩的桩顶荷载-沉降曲线无明显差别。但随着上部荷载的增大,在同级荷载作用下,扩底嵌岩桩的桩顶沉降小于等直径嵌岩桩。上部荷载越大,这一现象也越明显。因此,对桩底进行扩底处理可以有效控制桩顶沉降。另一方面,当桩身承载力按桩顶沉降值进行控制时,采用扩底桩可以提高桩身的整体承载力。(4)桩身轴力和侧摩阻力随上部荷载的增大均逐级增大。在上部荷载较小时,桩身在模拟强风化花岗岩处的侧摩阻力即可发挥到极值。桩身侧摩阻力受桩周岩体强度的影响非常明显。当桩身在强度较小的岩层段侧摩阻力发挥到极限后,桩身在此范围内主要作用为传递荷载。随着荷载的不断增大,等直径嵌岩桩的侧摩阻力比扩底嵌岩桩的侧摩阻力的发挥更明显。(5)大直径嵌岩桩的荷载主要由桩端阻力承担,扩底桩与等直径桩相比,桩端承载所占总荷载比例更大。桩端岩层的强度对桩身承载力有很大影响。大直径扩底嵌岩桩的桩身侧摩阻力较同尺寸的等直径桩存在折减的现象。另一方面,桩身在中风化~微风化花岗岩段的侧摩阻力在设计中不应忽略。特别是在桩周中风化岩层较厚的情况下,大直径扩底嵌岩桩的设计应同时考虑桩身侧摩阻力对荷载的承担。采用数值计算的方法研究了超大直径扩底嵌岩桩竖向受力特性,结果表明:(1)采用Hoek-Brown强度准则确定岩体参数的方法可以较准确的得到桩周岩层的计算参数。现场监测和数值计算结果对比表明,数值计算结果是准确的。(2)对于桩径较大,嵌岩比小于5的大直径短桩,其荷载-沉降曲线为直线型,不会出现明显拐点。桩端所嵌入的岩层强度对桩顶沉降有明显的影响。当上部荷载为设计荷载时,上部荷载由嵌岩段的侧摩阻力和桩端阻力共同承担。但随着荷载的增大至桩身极限荷载时,桩端阻力几乎承担了所有荷载。(3)由于扩底处桩端截面积的增大,导致扩底的斜直线段内出现负摩阻力,在设计中需引起注意。为了检测超大直径扩底嵌岩桩的桩身质量,以弥补超大直径扩底嵌岩桩无法采用静载试验确定其承载力的缺点,采用了四种检测方法对桩身质量和承载力进行分析:(1)深圳平安超大直径嵌岩桩的检测采用低应变检测、超声检测、自平衡检测和钻孔抽芯检测四种方法对不同桩径、桩长的嵌岩桩进行综合评估。(2)对于桩径不超过2.5 m的大直径嵌岩桩,低应变检测可以较为准确的检测出桩身具有缺陷的位置,但是该方法对桩径的大小存在限制,同时嵌岩桩的长径比需大于5,以达到更好的检测效果。通过埋设多个测声管,可以对直径超过5.7 m的超大嵌岩桩的桩身完整性进行超声检测,该方法不受桩径和长径比的影响;自平衡试验可以方便的测得桩身的正、负侧摩阻力,不仅可以评估桩身的承载力是否符合设计要求,同时可以对比桩身正、负摩阻力的大小,为后续分析提供现场依据;钻芯法可以准确测得桩身和桩端岩体的强度,但同时需注意钻芯对桩身承载力的影响。对于高层建筑而言,由于需要抵抗向上轴向荷载作用,本文对扩底嵌岩抗拔桩的承载性能进行了分析后认为:(1)当桩径差别不大时,在同级荷载作用下,桩长越大,桩底向上的位移越小,抗拔桩承载力越大。就深圳平安桩基工程场地而言,桩径增大对抗拔桩的承载性能影响有限。(2)随着上拔荷载的增加,等直径段桩身侧摩阻力和扩底处桩身侧摩阻力均增大,且扩大头处提供的荷载占总上拔荷载的比例从35%增长至50%。(3)参数化分析结果表明,扩底桩径和桩身等直径段桩径比的增大对嵌岩桩的抗拔承载力影响较大,而扩底处周围岩体弹性模量和扩底高度对桩身抗拔承载力的影响相对较小。