深井巖基載荷試驗在高層建筑直接增層可行性分析中的應(yīng)用

李世貴 許 倩

（1.湖北省鄂西地質(zhì)工程勘察院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000）

20世紀(jì)80年代以來，我國很多城市的大荷載立交橋、高層及超高層結(jié)構(gòu)，常采用大直徑嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，因其具有直徑大、沉降小、施工質(zhì)量易控制、承載力大等顯著特點［1］。計算這種樁基礎(chǔ)的承載力，其中最關(guān)鍵的是如何切實可靠地確定其樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。尤其遇到特殊情況，比如在高層或超高層建筑增層項目中，如果根據(jù)原勘察報告中室內(nèi)飽和單軸抗壓強度試驗取值，則樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值滿足不了加層要求，又不可能采取諸如擴大樁直徑或者擴底等措施，此時通過現(xiàn)場原位試驗，準(zhǔn)確獲取巖石地基的承載力就顯得尤為重要。

規(guī)范［1-3］推薦在實際工程中應(yīng)優(yōu)先采用單樁豎向靜載試驗。然而常見的嵌巖樁一般是大直徑樁，其單樁承載力很高，通常很難直接壓至極限荷載，且試驗費用高昂。根據(jù)規(guī)范［2］，嵌巖樁可通過巖基載荷試驗間接獲取樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于嘗試通過巖基載荷試驗來確定地基承載力的研究，已做了大量的探索工作，如文獻(xiàn)［4］根據(jù)岳陽市多個工程的現(xiàn)場巖基載荷試驗資料，研究得出了室內(nèi)巖石飽和單軸抗壓強度試驗與現(xiàn)場載荷試驗取值之間的關(guān)系；文獻(xiàn)［5-6］將深井巖基載荷試驗成功運用于超高層項目中，均成效顯著。

前人研究巖基載荷試驗確定地基承載力的方法，均只適用于P-S曲線上有明顯初始線性段和明顯拐點的情況，而在工程實踐當(dāng)中，常常遇到P-S曲線上無明顯初始直線段和明顯拐點的情況。針對上述情況，本文依托宜昌市中心某高層建筑增層項目，在無法進(jìn)行單樁靜載試驗下，作者嘗試在人工開挖的深井中進(jìn)行中風(fēng)化粉砂巖的巖基載荷試驗，并跟室內(nèi)試驗進(jìn)行對比分析，結(jié)合多年勘察工作經(jīng)驗，成功解決了P-S曲線無明顯初始直線段和明顯拐點情況下巖基承載力取值問題，挖掘出中風(fēng)化粉砂巖潛藏的承載力，為該項目的加層設(shè)計可行性分析提供了合理可靠的依據(jù)，并取得了良好的效果。

1 工程概況及地質(zhì)條件

宜昌市中心某高層建筑，始建于2005年，其縱長76m，平均寬約25m，總建筑面積38000m2，高度80m。該建筑地面以上為20層，設(shè)一層4.5m高的地下室，屬框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑物總荷載約為940000KN，中柱荷重約 23000KN，邊柱荷重約20000KN，采用大直徑人工挖孔嵌巖樁基礎(chǔ)，樁端嵌入中風(fēng)化粉砂巖中。在區(qū)域構(gòu)造上，工程區(qū)地處黃陵背斜與宜昌單斜凹陷的西緣，區(qū)內(nèi)無斷層痕跡，構(gòu)造變形輕微，形跡簡單。建筑物場地處在長江二級階地上，地勢平緩。根據(jù)鉆探揭露，建筑物基底巖石為白堊系下統(tǒng)五龍組中～微風(fēng)化粉砂巖，沉積厚度大，達(dá)300m以上。中風(fēng)化粉砂巖呈灰～灰白色，揭露層頂埋深16.9～19.7m，主要礦物成分為長石石英，粒狀碎屑結(jié)構(gòu)，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚～厚層狀構(gòu)造，具水平層理，巖層傾角8～10°，有少量微張裂隙，夾褐紅色5～10cm薄層狀泥巖，巖芯呈長-短柱狀，巖體較完整，巖石飽和單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為10.1MPa，查規(guī)范屬IV類軟巖。

鑒于目前城市中心區(qū)域往往建構(gòu)筑物、人口及地下管線密集，新建高樓大廈必然帶來更多的環(huán)境問題。而直接在原有20層建筑物基礎(chǔ)上加高3層，不僅可以不占用其他的土地擴大建筑物使用面積，而且不會影響建筑物正常運營。若采用原勘察報告中根據(jù)室內(nèi)飽和單軸抗壓強度試驗所取的巖基承載力去進(jìn)行驗算，要么達(dá)不到加層所需要求，要么基本處在臨界狀態(tài)；此外，工程施工空間狹窄，大型設(shè)備無法進(jìn)入，不具備進(jìn)行單樁靜載試驗的條件?；谏鲜鲈颍髡咛岢鐾ㄟ^深井巖基載荷試驗，以期充分挖掘出巖基潛在的承載力，進(jìn)而論證直接增層的可行性。

2 深井巖基載荷試驗

2.1 試驗點的選取及布置原則

根據(jù)原勘察報告中鉆孔分層數(shù)據(jù)，試驗點優(yōu)先布置在中風(fēng)化粉砂巖埋藏較淺且建筑物基礎(chǔ)受力較大的區(qū)域，以減少探井開挖工作量。每個場地探井的數(shù)量至少3個。

根據(jù)以上原則，在擬加層建筑物北東側(cè)和南西側(cè)居中位置布置了3口探井（見圖1），采取人工挖井方式，探井外徑1.5m，內(nèi)徑1.2m，選用15cm厚的C25混凝土護(hù)壁，其內(nèi)配置環(huán)向和縱向HPB300鋼筋。3口探井均挖至穩(wěn)定的中風(fēng)化粉砂巖，其中1#深19.3m，2#深19.6m，3#深20.7m。

圖1 探井位置分布圖

2.2 現(xiàn)場試驗裝置

圖2 現(xiàn)場試驗裝置示意圖

本次現(xiàn)場試驗采用堆載法，通過Φ300鋼管傳力柱將荷載傳至底部Φ300圓形剛性承壓板，底部鋪設(shè)厚度約10mm的中砂墊層。試驗裝置如圖2所示。

2.3 試驗要點

本試驗依照相關(guān)規(guī)范及工程地質(zhì)手冊規(guī)定進(jìn)行，具體要求如下：

1）加載方式：采用多級加載，第一級荷載約等于設(shè)計值的1/5，而后逐級按設(shè)計值的1/10增加；

2）沉降量觀測：加載后，立即通過傳力柱上方對稱布設(shè)2個位移計進(jìn)行測讀，往后每間隔10min測讀一回；

3）穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)三次讀數(shù)之差均小于0.01mm時，可認(rèn)為沉降已經(jīng)穩(wěn)定，繼續(xù)進(jìn)行下級加載；

4）終止加載條件：沉降量在24h內(nèi)不能穩(wěn)定，且其速率不斷增大；荷載要么加不上要么加上了也不能維持穩(wěn)定；試驗最大加載量應(yīng)大于設(shè)計值的2倍；

5）地基承載力確定：在p-s曲線上，起始直線段最大值為比例界限；滿足上述第4條要求的前一級荷載為極限荷載；將三組試驗的極限荷載分別除以3，再分別與其對應(yīng)的比例界限比較后取小值；最后取三組小值中的最小值作為本場地的巖石地基承載力。

3 試驗成果及分析

3.1 現(xiàn)場試驗成果及分析

將巖基載荷試驗成果進(jìn)行匯總（見表1），繪制出中風(fēng)化粉砂巖的荷載-累計沉降量（p-s）曲線，從圖3中可看出各試驗點的p-s曲線均無明顯陡降段。針對各點試驗成果分析如下：

1#試驗點：在荷載增加至1981.6KN時，其總沉降量47.56mm，因達(dá)到設(shè)計加層要求無需繼續(xù)加載，該點的極限承載力大于1981.6KN，其極限荷載大于28309kpa，除以3得9436kpa。該點的比例界限值取12000KPa，兩者取小值最終得1#點地基承載力特征值9436KPa。

2#試驗點：在荷載增加至1981.6KN時，其總沉降量30.85mm，因達(dá)到設(shè)計加層要求無需繼續(xù)加載，該點的極限承載力大于1981.6KN，其極限荷載大于28309kpa，除以3得9436.3kpa。該點比例界限值取10800KPa，兩者取小值最終得2#點地基承載力特征值9436KPa。

3#試驗點：在荷載增加至1981.6KN時，其總沉降量22.38mm，因達(dá)到設(shè)計加層要求無需繼續(xù)加載，該點的極限承載力大于1981.6KN，其極限荷載大于28309kpa，除以3得9436kpa。該點比例界限值取12000KPa，兩者取小值最終得3#點地基承載力特征值9436KPa。

根據(jù)表1和圖3分析并結(jié)合規(guī)范規(guī)定，取3試驗點地基承載力特征值中的最小值9436KPa作為整個場地中風(fēng)化粉砂巖的承載力特征值。從圖3中可看出當(dāng)1#～3#試驗點荷載增加至28309KPa時均未發(fā)生破壞，皆因達(dá)到設(shè)計加層要求而終止了試驗，由此可知該中風(fēng)化粉砂巖潛藏的承載力仍未全部挖出。

表1 巖基載荷試驗成果匯總表

圖3 荷載-累計沉降量曲線圖

3.2 巖基承載力綜合取值

將現(xiàn)場試驗與室內(nèi)試驗作對比，并結(jié)合當(dāng)?shù)囟嗄陮嵺`經(jīng)驗，巖基承載力綜合取值如下表2所示。分析表2和圖3可得：

1）在原勘察報告中，中風(fēng)化粉砂巖室內(nèi)飽和單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為10.1MPa，巖體較完整，按規(guī)范［1］取折減系數(shù)0.3，計算得承載力特征值為3030kPa。而現(xiàn)場巖基載荷試驗所得承載力特征值為9436KPa，是室內(nèi)試驗取值的3.1倍；

2）鑒于現(xiàn)場巖基載荷試驗按規(guī)范取值所得的中風(fēng)化粉砂巖承載力非常高，作者根據(jù)本工程場地地層揭露及建筑物增層引起的附加荷載增加情況，并結(jié)合當(dāng)?shù)囟嗄旮邔禹椖靠辈旃ぷ鲗嵺`經(jīng)驗，當(dāng)P-S曲線上初始直線段不明顯以及無明顯拐點時，按累計變形量確定的巖基承載力比較切合實際些，本文取累計變形值18mm（即0.06d）所對應(yīng)的荷載值作為中風(fēng)化粉砂巖承載力極限值。由此可得1#～3#試驗點承載力極限值分別為18812KPa、15400KPa、24788KPa，再分別除以3，最后取三者中的最小值5100KPa作為中風(fēng)化粉砂巖的承載力特征值，其較室內(nèi)試驗取值提高了68%，進(jìn)而得出樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值也較原來提高了68%，完全滿足設(shè)計直接增加3層的要求（設(shè)計要求提高20%）。

表2 巖基承載力綜合取值

3.3 深井巖基載荷試驗成果效用及建議

本工程地理位置十分優(yōu)越，增加3層可以增加建筑面積約5700m2，按目前該位置同類高層建筑價格12000元/m2粗略估算，需6840萬元。而直接增層，按目前宜昌市同類高層建筑建安造價約1300元/m2來算，增加3層需要741萬；裝修等費用按1000元/m2計算，約570萬；合計1311萬，可見直接增層可節(jié)約資金達(dá)五千萬元，其經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。相反，如果采用原勘察報告中室內(nèi)試驗取值，則樁基礎(chǔ)承載力要么達(dá)不到加層所需要求，要么基本處在臨界狀態(tài)，需要采用高壓注漿等措施對樁基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理并做各種檢測分析，工期至少得延長兩個月以上。

綜上分析，室內(nèi)飽和單軸抗壓強度試驗，不僅受現(xiàn)場鉆探取樣方法和試樣選取過程中人為因素影響，同時試樣本身也存在尺寸效應(yīng)且試驗過程中無側(cè)限，造成試驗結(jié)果較保守。鑒于此，作者建議在單樁靜載荷試驗不可行的情況下，可考慮采用現(xiàn)場巖基載荷試驗并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嵺`工作經(jīng)驗去綜合確定地基承載力。

4 結(jié)語

本文以湖北省宜昌市某高層建筑直接增層項目為依托，采用人工開挖的深井巖基載荷試驗，成功挖掘出中風(fēng)化粉砂巖地基潛藏的承載力，總結(jié)如下：

1）根據(jù)深井巖基載荷試驗，可以切實可靠地確定出基巖的地基承載力，其較室內(nèi)飽和單軸抗壓強度試驗取值有大幅提高。對于山區(qū)斜坡陡坎地帶或者現(xiàn)場條件受限單樁靜載試驗沒法進(jìn)行時，采用巖基載荷試驗不僅簡便經(jīng)濟(jì)，而且切實有效。

2）在P-S曲線上初始直線段不明顯以及無明顯拐點的情況下，按累計變形量確定的巖基承載力比較切合實際些，既保證了加層安全，又獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3）深井巖基載荷試驗可在大跨橋梁、高層及超高層項目中推廣使用，積累更多的地區(qū)性工程經(jīng)驗，對地方規(guī)范編制及某些特殊巖質(zhì)條件下的工程設(shè)計具有非常重要的意義。