南京地區(qū)極軟巖承載力確定方法的分析研究

王宗文 等

摘要： 巖石承載力是工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，它直接影響著工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。文章以南京某樁基工程的巖石單軸抗壓強(qiáng)度與現(xiàn)場(chǎng)巖基載荷試驗(yàn)為例，建議對(duì)南京地區(qū)極軟巖地基承載力的確定不能簡(jiǎn)單的運(yùn)用查表法，應(yīng)首選現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的方法，力求確定其最接近值，服務(wù)于工程建設(shè)。

Abstract： The bearing capacity of rock is the important parameters for engineering design， it directly influence the safety and economy of project. This article take rock uniaxial compression strength and site rock foundation loading test of a pile foundation project in Nanjing district as example， suggest that the table examination method can not simply be used to confirm the foundation bearing capacity of extreme soft rock in Nanjing district， site loading test method should be adopted first， so as to confirm the most approach value， serve the engineering construction.

關(guān)鍵詞： 極軟巖；巖石承載力；巖石單軸抗壓強(qiáng)度；巖基載荷試驗(yàn)；單樁承載力

Key words： extreme soft rock；rock bearing capacity；rock uniaxial compression strength；rock foundation loading test；bearing capacity of single-pile

中圖分類號(hào)：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2013）03-0040-04

0 引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，現(xiàn)代的民用、工業(yè)建筑的高度越來(lái)越高，荷重越來(lái)越大，大部分建筑均選用下臥基巖作為樁基持力層，這樣就對(duì)巖土工程勘察、設(shè)計(jì)的工作要求越來(lái)越高，越來(lái)越細(xì)致。要求設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)方案更經(jīng)濟(jì)合理、更安全適用；要求勘察單位提供的設(shè)計(jì)參數(shù)更準(zhǔn)確、更安全?？墒窃趯?shí)際工程建設(shè)過(guò)程中，由于多種客觀因素的干擾，工程師很難準(zhǔn)確把握，導(dǎo)致基巖承載力不是偏大就是偏小，給工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)、工期、安全等方面帶來(lái)?yè)p失。

南京沿江工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)位于長(zhǎng)江中下游，地貌上屬長(zhǎng)江階地、坳溝和漫灘。下臥基巖主要為中生代白堊紀(jì)紅色巖系組成，常稱為“紅層”，巖性主要為：泥巖，泥質(zhì)砂巖，砂巖，砂質(zhì)泥巖，大部分飽和單軸單軸抗壓強(qiáng)度小于30MPa，屬軟巖～極軟巖[1]。本文從工程實(shí)例入手，通過(guò)對(duì)室內(nèi)巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和巖基載荷試驗(yàn)的對(duì)比分析及探討，提出南京極軟質(zhì)巖石承載力的確定應(yīng)首選現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的方法。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況 項(xiàng)目為虹達(dá)國(guó)貿(mào)大廈擴(kuò)建工程，場(chǎng)地位于南京市沿江工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)新華路現(xiàn)有南浦商廈與大廠新華書店之間，為集商業(yè)和民用住宅為一體的小高層建筑，擬建建筑為地上15層，地下1層（層高4.0m）。地下一層為人防工程，平時(shí)用做車庫(kù)，1～４層為商業(yè)用房，5～１５層為民用住宅。

1.2 地基設(shè)計(jì)方案

①擬采用樁基礎(chǔ)形式，樁型采用人工挖孔樁，樁徑1000mm，選4B層為樁端持力層，樁端進(jìn)入持力層深度不小于2.0m；

②單柱極限荷重15000KN；

③混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40；

④為了給設(shè)計(jì)提供較準(zhǔn)確的巖石承載力，以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，選擇了3個(gè)具代表性的地段進(jìn)行巖基載荷試驗(yàn)。

1.3 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件 擬建場(chǎng)地地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高為26.70m左右（吳淞高程），場(chǎng)地地貌單元屬長(zhǎng)江階地。樁基開(kāi)工之前進(jìn)行了詳細(xì)勘察工作，根據(jù)《虹達(dá)國(guó)貿(mào)大廈擴(kuò)建工程巖土工程勘察報(bào)告》[2]，在勘察深度范圍內(nèi)揭示的地層自上而下為：

0A層，雜填土（Qml）：雜色，上部為混凝土路面，下部以磚塊、碎石為主，夾少量粘性土，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均勻，堆填時(shí)間6～7年。

2A層，粉質(zhì)粘土（Q3al）：褐黃色，含氧化鐵和鐵錳質(zhì)，夾灰色高嶺土斑塊，硬塑。中壓縮性。fak=210kPa。

2B層，粉質(zhì)粘土（Q3al）：褐黃色，土質(zhì)均勻，可塑，局部硬塑。中壓縮性。fak=140kPa。

2C層，粉質(zhì)粘土（Q3al）：褐黃色，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，夾灰色高嶺土斑塊，硬塑，局部堅(jiān)硬。中壓縮性。fak=230kPa。

3層，粉質(zhì)粘土（Qel）：棕紅色，由下臥砂質(zhì)泥巖風(fēng)化殘積而成，含氧化鐵及鐵錳質(zhì)，硬塑，局部可塑。中壓縮性fak=200kPa。

4A層，強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖（K）：棕紅色，標(biāo)貫錘擊數(shù)大于50擊，裂隙發(fā)育，巖芯較破碎，呈干土狀或碎塊狀，手折易斷，遇水易軟化。屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。fak=300kPa。

4B層，中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖（K）：棕紅色，裂隙稍發(fā)育，取芯率70～90%，巖芯較完整，呈短柱狀或柱狀，錘擊可碎，遇水易軟化。屬極軟巖，巖石質(zhì)量指標(biāo)較好（RQD=70～80），巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。fak=1100kPa。

1.4 室內(nèi)巖石試驗(yàn)

1.4.1 室內(nèi)巖石數(shù)據(jù) 現(xiàn)場(chǎng)鉆探施工過(guò)程中，在4B層中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖中共采取巖芯15組，根據(jù)《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》DGJ32/J 12-2005[3]（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范1）附錄G，本次巖石強(qiáng)度較低，屬極軟巖，進(jìn)行了天然單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.4.2 室內(nèi)巖石數(shù)據(jù)分析與選用 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取15組巖樣進(jìn)行分析，最大值為4.96MPa，最小值為0.67MPa，其中11組在1～3MPa之間，分布比較集中，具體見(jiàn)圖1分布圖。

剔除異常數(shù)據(jù)后的巖樣為13組，根據(jù)“規(guī)范1”附錄J公式（即本文公式（1）、（2）），統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

frk=ψ.frm（1）

ψ=1-■+■δ（2）

frm—巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值；

frk—巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

ψ—統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)；

n—試樣個(gè)數(shù)；

δ—變異系數(shù)。

1.4.3 確定巖石承載力

①根據(jù)“規(guī)范1”附錄F，用野外簽別結(jié)果確定巖石承載力，見(jiàn)表3，本場(chǎng)地4B層巖石屬中風(fēng)化極軟巖，承載力特征值最大僅為750Kpa。

②根據(jù)“規(guī)范1”附錄G，用單軸抗壓強(qiáng)度確定承載力，按本文公式（3）計(jì)算，巖石承載力特征值為1168Kpa。

fak=1000ψrfrk（3）

fak—巖石地基承載力特征值；

frk—巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa），對(duì)軟質(zhì)巖石也可采用天然濕度巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

ψr—折減系數(shù)，按“規(guī)范1”表G.0.2確定為0.77。

2 巖基試驗(yàn)方案與成果

2.1 試驗(yàn)位置 本次試驗(yàn)選擇了具代表性的地段，分別在1～3#人工挖孔樁樁端4B層中進(jìn)行試驗(yàn)，具體位置詳見(jiàn)圖2。

2.2 巖基試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求 根據(jù)設(shè)計(jì)單位要求，進(jìn)行巖基承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)要求：

①檢測(cè)目的為判定巖基作為樁基礎(chǔ)持力層的承載力是否滿足；

②檢測(cè)依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）》[4]；

③樁型為人工挖孔樁，樁端持力層4B層中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖；

④檢測(cè)數(shù)量為3根；

⑤預(yù)估基巖承載力特征值為2000kPa，要求最大試驗(yàn)荷載6000 kPa；

⑥檢測(cè)方法：慢速維持荷載法。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 加載方式 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用慢速維持荷載法采用手動(dòng)加壓千斤頂逐級(jí)加載，根據(jù)預(yù)估承載力特征值的3倍荷載進(jìn)行檢測(cè)，使用0.07m2圓形承壓板，共分10級(jí)加載和5級(jí)卸載，第一級(jí)按兩倍分級(jí)荷載加載。采用混凝土預(yù)制塊作為反力裝置，最大壓重量為500kN。

2.3.2 荷載及沉降測(cè)量 荷載值通過(guò)壓力表測(cè)量，壓板沉降則通過(guò)對(duì)稱正向布置于傳力柱頂端承壓板的百分表測(cè)量，所有百分表均用磁性表座固定，基準(zhǔn)梁在獨(dú)立的基準(zhǔn)樁上安裝。安裝示意圖見(jiàn)圖3。

2.3.3 沉降觀測(cè)：每級(jí)荷載施加后立即讀數(shù)，以后每隔10min讀數(shù)一次。

2.3.4 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)3次讀數(shù)之差均不大于0.01mm時(shí)，進(jìn)行下一級(jí)荷載觀測(cè)。

2.3.5 卸載觀測(cè)：每級(jí)卸載為加載時(shí)的2倍，每級(jí)卸載后，隔10min測(cè)讀一次，測(cè)讀三次后可卸下一級(jí)荷載。全部卸載后，當(dāng)測(cè)讀到半小時(shí)內(nèi)回彈量小于0.01mm時(shí)，即認(rèn)為穩(wěn)定。

2.3.6 當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可終止加載：①沉降量讀數(shù)不斷變化，在24小時(shí)內(nèi)沉降速率有增大的趨勢(shì)。② 壓力加不上或勉強(qiáng)加上而不能保持穩(wěn)定。③荷載加載至最大壓力值（本工程為驗(yàn)證性檢測(cè)，最大壓力值為6000kPa）。

2.4 試驗(yàn)成果 按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）規(guī)定，根據(jù)巖基載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)曲線分析，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別加載至其對(duì)應(yīng)的3倍預(yù)估荷載值時(shí)，均未出現(xiàn)破壞。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)點(diǎn)的巖基承載力特征值為2000kPa，檢測(cè)試驗(yàn)荷載和沉降數(shù)據(jù)及曲線見(jiàn)附圖4～圖6。

3 承載力特征值估算與分析

3.1 巖石承載力對(duì)比分析 通過(guò)根據(jù)“規(guī)范1”查表、計(jì)算和巖基載荷試驗(yàn)的方法得出的巖石承載力見(jiàn)表4。

由表4可以看出，依據(jù)巖基載荷試驗(yàn)得出的巖石承載力特征值最大，是依據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度得出的承載力的1.71倍，是依據(jù)風(fēng)化程度得出的承載力的2.66倍。因此根據(jù)風(fēng)化程度、單軸抗壓強(qiáng)度得出的承載力特征值偏小、不符合實(shí)際，在工程中直接使用是不適宜的。

3.2 單樁豎向承載力特征值估算 工程師根據(jù)“規(guī)范1”附錄M表M.0.1-1，M.0.1-3提出了人工挖孔樁樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)附錄M公式（即本文中公式（4））估算單柱豎向承載力特征值。樁基參數(shù)和鉆孔層位數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

Ra=up∑ψsqsiali+ψbqpaAp（4）

Ra—單樁豎向承載力特征值（KPa）；qsia—樁側(cè)第i層土的側(cè)阻力特征值（KPa）；qpa—樁端土端阻力特征值（KPa）；ψs、ψb—大直徑樁的側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)，可按“規(guī)范1”表M.0.1-5取值；up—樁身周長(zhǎng)（m）；li——樁側(cè)第i層土的厚度（m）；Ap—樁底面積（m2）。

本樁基工程樁型擬采用人工挖孔樁，樁徑1000mm，樁端持力層為4B層，進(jìn)入持力層深度2.0m，有效樁長(zhǎng)為18.5m，依據(jù)本文中公式（4），以鉆孔1#為例，計(jì)算得出：按勘察報(bào)告參數(shù)估算單樁承載力特征值3538KN；用野外簽別結(jié)果確定巖石承載力（特征值750Kpa）估算單樁承載力特征值3106KN；按巖基載荷試驗(yàn)估算單樁承載力特征值4088KN。

3.3 單樁承載力對(duì)比 載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)值比勘察報(bào)告估算值要高，高出550kN，占勘察報(bào)告估算值的15%。設(shè)計(jì)單位要求單柱極限荷重15000KN（特征值7500KN），那么每根柱下布置樁數(shù)量就不同了，如果按照勘察報(bào)告估算值就需要布置3根樁，而按照巖基載荷試驗(yàn)成果只需要布置2根樁。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，按照目前市場(chǎng)人工挖孔樁每方約1500元計(jì)算，一個(gè)樁就節(jié)約近2萬(wàn)元，整個(gè)工程就節(jié)約了近百萬(wàn)元，還是很可觀的。

3.4 成果分析

3.4.1 差異產(chǎn)生的原因 巖基載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)值一般情況下與勘察報(bào)告估算值會(huì)存在差異，差異的產(chǎn)生可能是：①現(xiàn)場(chǎng)取樣過(guò)程中由于鉆具、取樣方法不合要求等因素造成了對(duì)巖樣的破壞。②室內(nèi)試驗(yàn)所采用的巖樣已經(jīng)脫離了巖體本身，經(jīng)過(guò)篩選和切割再次破壞了已有的結(jié)構(gòu)。③巖石單軸抗壓強(qiáng)度是在無(wú)側(cè)限狀態(tài)下的極限強(qiáng)度，這一受力狀態(tài)與地基巖體在建筑物荷載下受到的側(cè)限狀態(tài)是完全不同的，室內(nèi)試驗(yàn)所獲得基巖極限強(qiáng)度偏小。④工程師按照“規(guī)范1”附錄G表G.0.2提出的承載力時(shí)為了謹(jǐn)慎，大多數(shù)情況折減幅度較大，承載力都是取低值。

3.4.2 減小差異的方法 ①巖基載荷試驗(yàn)是確定巖石承載力的首選方法，按此方法所得到的巖石承載力是可靠的、安全的、經(jīng)濟(jì)的、合理的。②工程師應(yīng)對(duì)勘察地區(qū)的勘察經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行搜集、整理、歸納工作，提出的參數(shù)更符合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)值。③建議“規(guī)范1”附錄G表G.0.2中巖石單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk小于5MPa的極軟巖折減系數(shù)進(jìn)一步細(xì)化：1）0.5～1.0MPa取值為1.0；2）1.0～2.0MPa取值為1.0～0.9；3）2.0～5.0MPa取值為0.9～0.8。

4 結(jié)論

巖石承載力的確定方法有多種，現(xiàn)階段我國(guó)主要采用室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和巖基載荷試驗(yàn)。

巖基載荷試驗(yàn)是準(zhǔn)確確定巖石承載力首選的、可靠的手段。本次試驗(yàn)時(shí)由于工期和天氣的因素，未能測(cè)出巖石承載力的極限值，只是檢驗(yàn)是否滿足設(shè)計(jì)的要求，建議有條件時(shí)，盡可能通過(guò)巖基載荷試驗(yàn)確定巖石承載力，為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參數(shù)，這樣對(duì)整個(gè)工程是經(jīng)濟(jì)和安全的。

南京地區(qū)極軟巖分布廣泛，工程力學(xué)性質(zhì)特殊，基巖一般埋藏較深，做現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)有一定的困難，大多數(shù)工程中都是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定巖石承載力，基巖承載力是有潛力可挖的，建議做更細(xì)致的、更多的經(jīng)驗(yàn)積累、總結(jié)工作，更好地為工程建設(shè)服務(wù)。

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