南京江寧某場地泥質(zhì)粉砂巖載荷試驗(yàn)分析

宗靜，趙升峰，馬世強(qiáng)，吳鳳軍

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步快速的發(fā)展，帶動了城市建設(shè)的高速發(fā)展，高層建筑、人防工程、地鐵、城市隧道以及其他市政基礎(chǔ)設(shè)施如雨后春筍，上部建構(gòu)筑物荷載增大，要求地基承載力提高，基巖地基作為建構(gòu)筑物基礎(chǔ)持力層是很好的選擇［1～3］。目前用于確定軟質(zhì)巖地基承載力的方法主要有巖基載荷試驗(yàn)法、室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)法、數(shù)值模擬等方法［4～5］。但是數(shù)值模擬法仍由基巖基本參數(shù)確定，因此準(zhǔn)確度較基巖載荷試驗(yàn)低［6］。

泥質(zhì)粉砂巖在南寧江寧地區(qū)較廣泛地分布，其天然抗壓強(qiáng)度小于30 MPa屬于軟質(zhì)巖，其具有強(qiáng)度低、風(fēng)化強(qiáng)烈、局部夾中風(fēng)化巖碎塊、遇水易軟化、巖芯多呈碎塊狀等特征，與硬質(zhì)巖石相比，在上部建構(gòu)筑物荷載作用下，表現(xiàn)出承載力低、變形大等特點(diǎn)。本文通過開展南京江寧地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖地基承載力試驗(yàn)研究，從載荷試驗(yàn)與巖石天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度二者比較分析，以探討其變化規(guī)律，為本地區(qū)類似地層地基承載力的確定提供參考。

2 工程概況及地層特征

梁臺煦府項(xiàng)目位于南京市江寧區(qū)湖熟鎮(zhèn)湯銅路東側(cè)。項(xiàng)目占地面積53 957.9 m2，本工程地上建筑包括10 幢11 層住宅樓，擬建建筑結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)類型，建筑基礎(chǔ)采用人工挖孔樁。

場地地形總體較為平坦，局部有起伏，地面高程在12.23 m～16.95 m(吳淞高程系)。場地地貌單元為階地，發(fā)育有坳溝亞地貌?？辈焐疃确秶鷥?nèi)地基土層情況如下:

①－1 雜填土:褐灰～灰色，松散，由粉質(zhì)黏土混碎磚、碎石子填積，填齡大于5 a。層厚0.4 m～0.8 m。

①－2 素填土:褐黃～黃灰色，可塑為主，部分硬塑，由粉質(zhì)黏土混少量碎石子填積，夾植物根系，大部分為耕植土，填齡大于10 a。層頂埋深0 m～0.8 m，層厚0.2 m～4.2 m。

②b2 粉質(zhì)黏土:灰黃～灰褐色，可塑。局部夾少量黏土，含鐵錳斑紋，切面稍有光澤，韌性、干強(qiáng)度中等。層頂埋深0.2 m～4.2 m，層厚0.2 m～8.7 m。

③a+b1－2 黏土、粉質(zhì)黏土:褐黃～黃褐色，可～硬塑。含鐵錳結(jié)核，切面稍有光澤，韌性、干強(qiáng)度中等。層底含少量風(fēng)化巖碎屑物，局部區(qū)域底部夾少量卵礫石，含量小于5%。層頂埋深0.3 m～7.7 m，層厚0.4 m～6.8 m。

K2c－2 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖:磚紅色，風(fēng)化強(qiáng)烈，呈密實(shí)砂土狀，層底局部夾中風(fēng)化巖碎塊，遇水易軟化，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅴ級。層頂埋深1.0 m～11.2 m，層厚0.2 m～4.1 m。

K2c－3 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖:磚紅色，為軟巖～極軟巖。泥質(zhì)膠結(jié)，巖體較完整，少量閉合裂隙發(fā)育，局部區(qū)域?qū)禹攷r體稍破碎，遇水易軟化。巖體基本質(zhì)量等級分類主要為Ⅳ～Ⅴ級。層頂埋深2.1 m～12.5 m，未鉆穿。

3 巖石地基承載力試驗(yàn)

該工程基礎(chǔ)采用人工挖孔樁，樁端持力層選擇K2c－3 層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，樁端嵌入中風(fēng)化巖層。為了準(zhǔn)確確定該持力層地基承載力，進(jìn)行了室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及現(xiàn)場巖石地基載荷試驗(yàn)。

3.1 巖石地基載荷試驗(yàn)原理

巖石地基載荷試驗(yàn)，是通過測定巖基在不同的受荷狀態(tài)(慢速加載)下的變形特征，即巖基受荷情況下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，采用一定的方法(規(guī)范、規(guī)程規(guī)定)分析、評價巖基的承載力水平，它是目前較可靠且應(yīng)用較廣泛的方法。試驗(yàn)時，利用壓重平臺反力裝置，采用油壓千斤頂加載，通過傳力柱將荷載傳給承壓板下巖基，用連于千斤頂?shù)挠蛪罕頊y定油壓，根據(jù)千斤頂率定曲線換算荷載。沉降采用百分表量測，通過對荷載–沉降曲線的分析，確定巖基承載力特征值。

根據(jù)設(shè)計的樁基礎(chǔ)型式，判斷樁端持力層有一定的埋深，因此選擇深層平板載荷試驗(yàn)?zāi)M樁端實(shí)際工作狀態(tài)。本試驗(yàn)采用的加載裝置為2 000 kN靜載試驗(yàn)反力架，混凝土配重塊作為荷載?；鶞?zhǔn)梁采用兩根長度為12.0 m的槽鋼，對稱安置在剛性傳力柱兩側(cè)，傳力柱端部對稱安置2 個沉降測點(diǎn)，用磁性表座將2個量程為50 mm百分表固定在基準(zhǔn)梁中部。本次試驗(yàn)采用Φ300 mm、厚50 mm的剛性承壓板，承壓板面積為0.07 m2，傳力柱采用鋼管，加載時已考慮管柱重量。加載裝置采用的壓重－反力梁體系由2 個鋼托架及一片鋼結(jié)構(gòu)梁組成，試驗(yàn)用千斤頂加載。試驗(yàn)裝置如圖1 所示。

圖1 深層平板載荷試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)時，配重物一次性加上，并均勻穩(wěn)固地放置于平臺上。試驗(yàn)點(diǎn)(孔)底部安放合適的剛性承壓板，承壓板與傳力柱聯(lián)接一體，傳力柱露出地面，在其上放一塊鋼軌束，在鋼軌束上安置100 t油壓千斤頂一臺。加載時，由平放于傳力柱頂面中心的千斤頂出力，將反力傳遞給鋼梁及平臺上的配重物。加載采用慢速維持荷載法，具體加載與卸載歷時如表1 所示。

試驗(yàn)加載及卸載歷時表 表1

3.2 巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本法采用天然狀態(tài)下的巖石圓柱體試件的抗壓強(qiáng)度來評定巖石強(qiáng)度。試樣采用圓柱體試件，其直徑為50 mm ±2 mm，每組試件共6 個。用游標(biāo)卡尺量取試件尺寸(精確至0.1 mm)，在試件頂面和底面分別測量兩個相互正交的直徑，并以其各自的算術(shù)平均值分別計算底面和頂面的面積，取其頂面和底面面積的算術(shù)平均值作為計算抗壓強(qiáng)度所用的截面積。將試件置于壓力機(jī)的承壓板中央，對正上、下承壓板，不得偏心。以0.5 MPa/s～1.0 MPa/s的速率進(jìn)行加荷直至破壞，記錄破壞荷載及加載過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象?？箟涸嚰囼?yàn)的最大荷載記錄以N 為單位，精度1.0%。

巖石單軸天然抗壓強(qiáng)度按下式進(jìn)行計算確定:

式中，Rc，P 分別巖石天然抗壓強(qiáng)度(MPa)、試件破壞時的荷載(N)，A 為垂直于加荷方向的試件截面面積(mm2)。

巖體中褶皺、斷層、層理及節(jié)理等非連續(xù)面的存在，使得巖石成為一種非均勻性材料，內(nèi)部強(qiáng)度差異顯著。巖石內(nèi)部含有大量孔隙和微裂隙，巖石的許多力學(xué)特征亦發(fā)生了改變。因此單軸抗壓強(qiáng)度要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及統(tǒng)計修正系數(shù)進(jìn)一步計算確定其單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，計算如下:

式中，frk，frm分別為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)及巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值(MPa)，ψ為統(tǒng)計修正系數(shù)，n 為試驗(yàn)試樣個數(shù)，δ 為變異系數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了深入分析南京江寧某場地泥質(zhì)粉砂巖的力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)一步確定其地基承載力規(guī)律，本次試驗(yàn)共在該巖層取7 個完整的巖樣進(jìn)行單軸飽和試驗(yàn)，在該場地不同位置選取7 個點(diǎn)進(jìn)行人工挖孔樁孔底深層平板載荷試驗(yàn)，其中深層平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)依次編號為1#孔～7#孔。

4.1 室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計分析表明，南京江寧該場地泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度主要分布在2.85 MPa～4.98 MPa之間，且明顯集中在3.5 MPa～4.5 MPa 之間;然而巖土的干燥抗壓強(qiáng)度主要分布在5.24 MPa～16.2 MPa之間，明顯集中在7.0 MPa～9.0 MPa之間，而且離散性大于飽和單軸抗壓強(qiáng)度。按照巖石堅(jiān)硬程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，該中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬于軟巖、極軟巖類。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計如表2 所示。

室內(nèi)巖石試驗(yàn)結(jié)果表 表2

巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)具有操作簡單、周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是目前確定巖石地基承載力應(yīng)用最廣泛的一種方法。文獻(xiàn)［7］在第5.2.6 條中明確規(guī)定:對完整、較完整和較破碎的巖石地基承載力特征值，可根據(jù)室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度按下式計算:

式中，fa為巖石地基承載力特征值(MPa);φr為折減系數(shù)，由地方經(jīng)驗(yàn)確定，若無經(jīng)驗(yàn)時，則完整巖體可取0.5，較完整巖體可取0.2～0.5，較破碎巖體可取0.1～0.2。

4.2 巖基載荷試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 為本次試驗(yàn)場地K2c－3 層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地基載荷－沉降曲線(p－s 曲線)。由圖2 可知p－s曲線均屬于緩變型，比例界限載荷在p－s 曲線上均不明顯。因此，難以依此確定巖石地基承載力的特征值。這反映出軟質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖地基在載荷作用下，其變形一開始就表現(xiàn)出明顯的非線性特征。

圖2 巖地基載荷－沉降曲線

表3 是現(xiàn)場載荷試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計表，由表3 可以看出，試驗(yàn)最終加載值為8 250 kPa。由現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)繪制的p－s 曲線，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007－2011)附錄H“巖基載荷試驗(yàn)要點(diǎn)”，綜合分析:7 個試驗(yàn)點(diǎn)的p－s 曲線均呈緩變型，取試驗(yàn)最大加載加載值為8 250 kPa，是該試驗(yàn)點(diǎn)對應(yīng)的巖基的承載力極限值，將承載力極限值除以3 的安全系數(shù)，所得值則為該巖石地基承載力特征值，故7 個點(diǎn)巖石地基承載力特征值均為2 750 kPa。綜上所述，該工程巖基載荷試驗(yàn)對應(yīng)的K2c－3 層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖承載力特征值為2 750 kPa。

表4 是深層載荷試驗(yàn)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計表，從表4 可以看出，K2c－3 層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖對應(yīng)的最大沉降為12.85 mm～17.96 mm，反映出巖質(zhì)較為致密，壓縮性小，承載力較為穩(wěn)定，是樁基礎(chǔ)良好的持力。

試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計表 表3

深層載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計表 表4

卸載試驗(yàn)所得回彈值均較小為 3.92 mm～5.31 mm，回彈率為25.7%～37.9%。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了軟質(zhì)巖石地基彈性變形階段很短，其變形一開始就表現(xiàn)出彈塑性特征。由此表明，在進(jìn)行軟質(zhì)板巖巖石地基承載力的理論計算或數(shù)值模擬時，采用非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系更為合適。

5 結(jié) 論

試驗(yàn)結(jié)果表明，南京江寧地區(qū)的K2c－3 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地基在載荷作用下，其變形一開始就表現(xiàn)出非線性特征，且卸載試驗(yàn)所獲得的回彈值均亦較小。由此說明，該地區(qū)在進(jìn)行中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地基承載力理論計算或數(shù)值模擬時，采用非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系更為妥當(dāng)。

按巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度確定南京江寧區(qū)K2c－3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地基的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巖石地基的實(shí)際承載力。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007－2011)提供的方法反算折減系數(shù)，得出南京市江寧區(qū)較完整的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地基承載力的實(shí)際折減系數(shù)明顯高于規(guī)范所提供的折減系數(shù)0.20～0.50，并達(dá)到了0.85。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并為安全起見，建議最低可取0.50。

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