關(guān)于泥巖力學(xué)指標(biāo)選用的探討

車殿國

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

關(guān)于泥巖力學(xué)指標(biāo)選用的探討

車殿國

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

白堊系及第三系泥巖作為極軟巖，是介于“巖”和“土”之間的一類巖土體，其工程特性特殊，相關(guān)規(guī)范規(guī)程對其力學(xué)指標(biāo)的選用模糊，給工程設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)的選用帶來困惑。是在收集國內(nèi)相似地質(zhì)區(qū)域的工程樁基靜載荷試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)等相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對該類巖石的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行相關(guān)國家(行業(yè))規(guī)范、規(guī)程中取值明顯偏于保守，給工程造成較大的浪費(fèi)。經(jīng)大量工程實(shí)測資料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，提出了泥巖在不同狀態(tài)下的承載力、側(cè)摩阻力更合理的取用范圍，為類似地質(zhì)條件下的工程設(shè)計(jì)提供參考。在確保工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上，更好的降低工程造價(jià)提高經(jīng)濟(jì)效益。

泥巖；樁基靜載荷試驗(yàn)；平板載荷試驗(yàn)；承載力；樁側(cè)摩阻力

1 國內(nèi)關(guān)于泥巖力學(xué)指標(biāo)的取值現(xiàn)狀

目前巖石地基的力學(xué)指標(biāo)常用的確定方法有3種：(1)實(shí)測取值法，以原位載荷試驗(yàn)最為穩(wěn)定可靠；(2)計(jì)算取值法，依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果(單軸抗壓強(qiáng)度)來折算，結(jié)果相互之間差異較大；(3)經(jīng)驗(yàn)取值法，通過查表來確定。由于工程人員的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)不同，往往會(huì)產(chǎn)生不同的認(rèn)知，取值具有隨意性、不確定性。

泥巖在成因上不同于一般的硬巖與土，它的性質(zhì)與兩者也存在著較大的區(qū)別，所以確定泥巖地基的力學(xué)指標(biāo)也將有別于硬巖與土?？v觀國內(nèi)各種國家及行業(yè)巖土勘察規(guī)范，都沒有對泥巖的摩阻力的取值問題進(jìn)行明確的說明，同時(shí)對于泥巖地區(qū)的深基礎(chǔ)(樁基)承載力的計(jì)算也沒有明確統(tǒng)一計(jì)算方法。如何確定泥巖的力學(xué)參數(shù)以及泥巖地區(qū)樁基承載力的計(jì)算模式的探討對工程建設(shè)質(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對極軟巖(泥巖)地基承載力的相關(guān)規(guī)定如下。

(1)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218-2014)表5.2.6-1中對極軟巖(Ⅴ)承載力基本值規(guī)定為f0≤0.5 MPa。

(2)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)第5.2.6條規(guī)定如下：承載力特征值fa=ψr．frk，ψr為折減系數(shù)。無經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對完整巖體可取0.5，對較完整巖體可取0.2～0.5。對于黏土質(zhì)巖可采用天然濕度試樣，不進(jìn)行飽和處理。

(3)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)對于較軟弱巖石承載力取值為(0.1～0.2)Rc。

(4)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)對極軟巖地基承載力容許值fa0規(guī)定如表1所示。

表1 極軟巖地基承載力容許值

在上述規(guī)范規(guī)程中均未對極軟巖(泥巖)的側(cè)阻力如何取值進(jìn)行說明。

2 現(xiàn)行規(guī)定在工程應(yīng)用中存在的問題

《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—2014)條文說明中指出：目前國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范確定地基承載力，大多以評估方法為主，較偏于安全。近年來國內(nèi)泥巖地區(qū)許多大型工程的建設(shè)，特別是在泥巖地區(qū)采用樁基設(shè)計(jì)的工程項(xiàng)目中，究竟按嵌巖樁考慮還是按摩擦樁考慮，選用泥巖地基的力學(xué)參數(shù)不同，往往造成單樁承載力差異巨大，從而使基礎(chǔ)工程造價(jià)上產(chǎn)生很大變化。

(1)據(jù)所收集國內(nèi)白堊系、第三系泥巖室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度資料顯示，絕大多數(shù)在0.3～1.5 MPa之間，而按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的方法計(jì)算泥巖地基承載力大多在0.5 MPa以下，而且多數(shù)在0.2～0.4 MPa之間，這樣的估值范圍也符合其他規(guī)范相關(guān)的規(guī)定。而在《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)中，我們對老黏土的承載力基本容許值取值范圍認(rèn)定為0.38～0.62 MPa，對一般性黏土地基承載力基本容許值取值范圍認(rèn)定為0.1～0.45 MPa，相比較而言作為“巖石”類的泥巖，承載力是否顯得“軟弱”得過于離奇呢？

國內(nèi)有學(xué)者分析產(chǎn)生上述結(jié)果的原因有二：①泥巖抗壓強(qiáng)度指標(biāo)失真。所取得的巖芯在外在作用下，強(qiáng)度大大降低，與原巖抗壓強(qiáng)度不符；②樁端持力層實(shí)際為巖體，巖體強(qiáng)度不僅取決于巖塊的強(qiáng)度，亦受巖體的結(jié)構(gòu)面控制。泥巖大多完整，少有裂隙發(fā)育，而計(jì)算上采用折減系數(shù)，顯然沒有充分反映該類軟巖的工程特性。

(2)在國內(nèi)若干泥巖樁基靜載荷試驗(yàn)顯示，泥巖鉆孔灌注樁和挖孔樁樁側(cè)摩阻力所占比例巨大，所承擔(dān)的承載力約占單樁承載力的50%～90%，特別是鉆孔灌注樁往往發(fā)生的是“刺入破壞”，說明泥巖地層中的樁實(shí)際工作性狀更接近于摩擦樁，如果僅是簡單的按端承樁考慮，由于泥巖極低的承載力勢必會(huì)造成嵌入泥巖過深，造成巨大的浪費(fèi)。

(3)目前確定泥巖地基承載力的勘察方法包括室內(nèi)土工試驗(yàn)和原位測試，主要有單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、波速試驗(yàn)等。國內(nèi)許多單位在泥巖地區(qū)做了大量相關(guān)測試工作，不同的測試方法所獲取的力學(xué)參數(shù)差距甚大，通過大量數(shù)據(jù)的對比分析，旁壓試驗(yàn)與靜載荷試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，兩種方法確定的地基承載力更為切合實(shí)際。

3 泥巖區(qū)地基承載力的確定

泥巖地基的承載力受多種因素影響，比如風(fēng)化程度、埋深、圍壓、含水量變化、試驗(yàn)方法及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的差異等，使得工程技術(shù)人員在確定承載力問題上存在很大差異，因此如何合理確定不同地區(qū)、年代、不同巖性特征的泥巖地基的承載力，采用何種計(jì)算公式、計(jì)算參數(shù)、勘察手段，是一項(xiàng)值得深入研究的工作。

由于現(xiàn)行規(guī)范所提供的泥巖承載力與實(shí)際情況相比普遍偏低這一事實(shí)，通過大量的實(shí)地測試結(jié)論對比分析認(rèn)為采用平板載荷試驗(yàn)及旁壓試驗(yàn)，或在大型工程中采用樁基靜載荷試驗(yàn)所獲得的承載力參數(shù)更貼近真實(shí)的泥巖特征，而僅憑泥巖單軸抗壓強(qiáng)度來計(jì)算所取得的承載力則明顯偏低。

表2是彭海華收集的某地區(qū)15個(gè)工程的79個(gè)點(diǎn)泥巖淺層平板載荷試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表3、表4分別為廣西某工程深層平板載荷試驗(yàn)情況簡表。

表2 泥巖區(qū)某工程淺層平板載荷試驗(yàn)測試成果表 /kPa

表3 泥巖區(qū)某工程深層平板載荷試驗(yàn)測試成果表

表4 泥巖區(qū)某工程深層平板載荷試驗(yàn)測試成果表

從上述試驗(yàn)結(jié)果分析得出的結(jié)論有以下3點(diǎn)。

(1)場地巖相的變化使得承載力有相應(yīng)的變化；

(2)泥巖受水浸泡后強(qiáng)度顯著降低，粉砂質(zhì)泥巖降低幅度更明顯；

(3)以泥巖極限承載力的1/2作為泥巖承載力特征值，其范圍在400～2 500 kPa之間，遠(yuǎn)大于規(guī)范上的取值范圍200～500 kPa。

表5是我們收集到的國內(nèi)相近泥巖區(qū)成功的工程案例中泥巖地基承載力取值結(jié)果匯總。

表5 泥巖地基已建項(xiàng)目地基承載力容許值取值匯總表 /kPa

表6是在考慮了不同的施工工藝的情況下給出的泥巖地基承載力建議取值范圍，建議干作業(yè)時(shí)取大值，帶水作業(yè)時(shí)取小值。

表6 第三系(白堊系)泥巖承載力特征值(建議)取值表 /kPa

4 泥巖區(qū)樁基側(cè)阻力的確定

多項(xiàng)工程實(shí)測表明：在泥巖地區(qū)的樁基承載力主要由側(cè)阻力承擔(dān)，而且泥巖中的樁基承載力按硬土模式計(jì)算得出的承載力與工程實(shí)際更符合。

因此如何準(zhǔn)確確定泥巖段側(cè)阻力是樁基設(shè)計(jì)人員面臨的重要問題，而作為極軟巖的泥巖，其摩阻力的標(biāo)準(zhǔn)值在我國現(xiàn)有規(guī)范規(guī)程中并沒有相關(guān)說明，相關(guān)研究文獻(xiàn)也很少。一般情況下，勘察技術(shù)人員參照黏性土側(cè)阻力取值范圍按照不同的風(fēng)化狀態(tài)取值，往往取值偏于保守。畢竟作為“巖石類”的泥巖工程性質(zhì)整體上要強(qiáng)于一般性黏土，但由于相關(guān)試驗(yàn)很少，目前還沒有國家或地方的取值標(biāo)準(zhǔn)。

下面是筆者收集到的國內(nèi)若干省份在相近巖層區(qū)的工程實(shí)踐中，采用原位測試和工程樁基靜載荷試驗(yàn)所獲得的泥巖側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值的一些數(shù)據(jù)，在剔除偏離值較大的一些數(shù)據(jù)后，得到了表7所列的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，供大家一起探討。

表7 中國部分地區(qū)泥巖樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值統(tǒng)計(jì)表 /kPa

上述數(shù)據(jù)全部是在白堊系或第三系泥巖(泥質(zhì)粉砂巖)地區(qū)鉆孔灌注樁或挖孔樁條件下獲得的。分析上述數(shù)據(jù)我們可歸納出泥巖根據(jù)不同風(fēng)化狀態(tài)和成樁工藝的不同，其樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值大致取值范圍如表8所示。

表8 第三系(白堊系)泥巖樁側(cè)摩阻力

注：建議鉆孔灌注樁取小值，挖孔樁取大值

5 結(jié)束語

(1)第三系及白堊系泥巖作為成巖差或半成巖的一類特殊巖土，是介于“巖”和“土”之間的一類巖土體，其特點(diǎn)是強(qiáng)度低，易于軟化、崩解，力學(xué)性質(zhì)受環(huán)境、施工擾動(dòng)影響劇烈。

(2)對泥巖地區(qū)樁基工程單樁承載力特性的研究表明：泥巖鉆孔灌注樁和挖孔樁承載性狀表現(xiàn)為摩擦樁特征，樁側(cè)摩阻力所占比例巨大，所承擔(dān)的承載力約占單樁承載力的50%～90%，因此對于泥巖樁承載力的計(jì)算應(yīng)按摩擦樁考慮。

(3)目前國內(nèi)所執(zhí)行的規(guī)范規(guī)程對泥巖地基承載力及摩阻力的相關(guān)規(guī)定不是十分明確，大多以評估方法為主，較偏于安全，其結(jié)果往往造成工程上的巨大浪費(fèi)。

(4)收集了國內(nèi)一些省份相關(guān)單位、學(xué)者對泥巖地區(qū)樁基工程力學(xué)特性的一些研究成果，歸納整理了泥巖側(cè)摩阻力及承載力取值范圍，對今后類似工程的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

(5)泥巖在我國有著廣泛的分布，應(yīng)當(dāng)將各地區(qū)泥巖地質(zhì)條件的各項(xiàng)參數(shù)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果匯總，總結(jié)出規(guī)律，為進(jìn)一步開展類似地質(zhì)條件下的工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。逐步形成針對該地質(zhì)條件的計(jì)算準(zhǔn)則，使得工程設(shè)計(jì)有章可循，有據(jù)可查。

[1] 吳啟紅，徐青，彭振斌，等.第三系粉砂質(zhì)泥巖風(fēng)化特性[J].科技導(dǎo)報(bào)，2010，28(6)：65-68.

[2] 岳耀斌.泥巖中挖孔灌注樁承載特性研究[D].成都，西華大學(xué)，碩士研究生論文，2009，(3)：7-8.

[3] 鄔愛清,等. GB/T 50218—2014 工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S].北京 :中國計(jì)劃出版社出版,2015:14

U412

C

1008-3383(2017)10-0078-03

2017-02-11

車殿國，高級工程師，研究方向：巖土工程勘察與設(shè)計(jì)。