武昌中風(fēng)化紅砂巖特性和嵌巖樁承載力確定

1、武昌中風(fēng)化紅砂巖特性和嵌巖樁承載力確定楊育文，羅  坤(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430022)摘  要：通過對(duì)中風(fēng)化紅砂巖室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)、抽芯試驗(yàn)，結(jié)合場(chǎng)地工程勘察資料，確定巖基承載力特征值。人工挖孔擴(kuò)底樁以該層作為樁端持力層，并進(jìn)行了樁的靜載荷試驗(yàn)。本文對(duì)這些試驗(yàn)中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)和歸納，特別是對(duì)中風(fēng)化紅砂巖的一些變形特性進(jìn)行了分析，確定了在實(shí)際工程中有重要參考價(jià)值的數(shù)據(jù)，同時(shí)也指出了規(guī)范中相應(yīng)條款中過于保守的問題, 并提出了修改意見。    關(guān)鍵詞：中風(fēng)化紅砂巖; 承載力特征值; 靜載荷試驗(yàn); 樁 &

2、#160; 中圖分類號(hào)：TU473       文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A       文章編號(hào)：10004548(2007)10    前    言    在一些工程中，為了確保樁承載力、減少建筑物沉降，對(duì)于大噸位樁，設(shè)計(jì)往往要求須將樁端全斷面嵌入新鮮巖石一倍或以上樁徑的深度，這往往給施工帶來極大的麻煩成孔困難。更重要的是，這樣的設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中往往并不能達(dá)到理想的效果。因此，人們逐漸探索將樁端持

3、力層改為風(fēng)化巖層，特別是中風(fēng)化巖層。風(fēng)化巖石是巖石變化到土之前的過渡材料，力學(xué)性質(zhì)較土和巖石都復(fù)雜。如何合理確定風(fēng)化巖基承載力特征值，進(jìn)而確定樁端阻力大小，是一個(gè)很復(fù)雜的問題。目前有兩種解決途徑：對(duì)巖樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，推求巖基承載力特征值；巖基現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)。對(duì)風(fēng)化巖，巖樣易沿節(jié)理面開裂，原狀樣取樣困難，另外巖樣尺寸很小，其不同結(jié)構(gòu)帶來的尺寸效應(yīng)明顯，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性很大1，通過這一方法不容易確定合理值。由于巖基現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)不需要取樣，直接就可以獲得其荷載位移曲線等，通過分析，就有可能得到合理的基巖承載力特征值。但是，由于目前對(duì)風(fēng)化巖基通過載荷試驗(yàn)確定合理的樁端阻力值這樣的工作做得較少，特別

4、是對(duì)風(fēng)化巖變形特性了解還很不夠，工程數(shù)據(jù)積累較少，使得類似工作的開展還處于探索之中。   廣泛分布于武昌地區(qū)的泥質(zhì)粉砂巖（俗稱紅砂巖）為典型的白堊第三系（K-E）巖石,呈褐紅淺褐色，以褐色為主，頂層一般埋藏于地表下520 m?？辈熨Y料表明，中風(fēng)化紅砂巖承載力高，壓縮性極低，巖芯呈短柱至長(zhǎng)柱狀，裂隙較發(fā)育，取芯率一般為70%90%，為極軟巖至軟巖，巖體較完整，基本質(zhì)量等級(jí)為至級(jí)，層理近水平，一般可沿水平向開裂，可以作為樁端持力層。本文對(duì)位于武漢市武昌一工程勘察資料、風(fēng)化巖基現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)及嵌巖樁靜載試驗(yàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試圖從大量的工程數(shù)據(jù)中確定中風(fēng)化紅砂巖的一些力學(xué)特性，提供設(shè)

5、計(jì)參數(shù)值，獲得有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的一些結(jié)論。    1  場(chǎng)址地層結(jié)構(gòu)與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果    擬建工程采用人工挖孔樁作為建筑物基礎(chǔ)。場(chǎng)區(qū)地貌單元屬剝蝕堆積垅崗區(qū)，整個(gè)場(chǎng)區(qū)占地面積約 33000 m2，設(shè)置地下室一層，基坑開挖到自然地面以下5.56 m。首先進(jìn)行工程勘察，然后地下室開挖，開挖至設(shè)計(jì)深度。開挖完成后，在基坑底進(jìn)行人工挖孔樁施工，至設(shè)計(jì)樁深，對(duì)樁端持力層（風(fēng)化基巖）載荷試驗(yàn)，隨后，澆注混凝土成樁，最后進(jìn)行樁靜載試驗(yàn)、抽芯等工作。    由現(xiàn)場(chǎng)鉆探和靜力觸探結(jié)果分析，場(chǎng)址共分7個(gè)單元層

6、：（1）素填土（Qml，厚度0.44.4 m）及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al，厚度0.52.3 m，局部分布）；（2）粉質(zhì)黏土層（Q4al，厚度0.63.2 m）；（3）老黏土層（Q3al+pl，分布不均勻）；（4）殘積土（Qel，厚度1.25.8 m）；（5-1）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層（K-E，厚度0.86.1 m）及（5-2）中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（K-E，厚度1.414 m，場(chǎng)址大部分范圍分布，是樁端持力層，本文研究的重點(diǎn)巖層）；（6）中風(fēng)化砂礫巖（K-E，最大厚度8.3 m，場(chǎng)址部分地段缺失）；（7）砂質(zhì)泥巖（S，場(chǎng)地局部分布）。場(chǎng)址存在地下水，屬上層滯水，水位位于地表下1.22.5 m。 

7、;   對(duì)28個(gè)（5-2）中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層巖樣作無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，最大值6.76 MPa，最小值1.83 MPa，離散性較大。統(tǒng)計(jì)結(jié)果 =1.316，  =3.73，  =0.353，=0.884，得到其標(biāo)準(zhǔn)值frk=0.884×3.73= 3.3 MPa（根據(jù)規(guī)范規(guī)定2該風(fēng)化巖屬極軟巖），特征值fa=0.35×3.3 = 1150 kPa。查閱有關(guān)規(guī)范2條款，初步建議該層所能提供的人工挖孔樁樁端阻力qpa值為1650 kPa，該值還須在巖基載荷試驗(yàn)等中進(jìn)一步確認(rèn)、驗(yàn)證。      

8、; 2  中風(fēng)化基巖載荷試驗(yàn)及分析    為滿足地下室施工要求，首先在建筑物范圍內(nèi)開挖約5.56 m深基坑，然后在坑底人工開挖樁孔，到達(dá)持力層（5-2）中風(fēng)化紅砂巖層，在該巖層上進(jìn)行載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)按相關(guān)規(guī)范3要求進(jìn)行。共進(jìn)行了6次試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)No. 38、No. 77、No. 222、No. 388、No. 429、No. 452在場(chǎng)址中布置如圖1所示。試驗(yàn)過程：試驗(yàn)過程中采用剛性承壓板300 mm分級(jí)加載，每級(jí)歷時(shí)30或40 min，最大荷載為承載力特征值的3倍（4950 kPa），到達(dá)最大荷載后，分級(jí)逐漸卸載，每級(jí)歷時(shí)60 min，直到零。它們的試驗(yàn)位

9、移曲線如圖2所示。圖1 場(chǎng)址測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置圖Fig. 1 Test locations on site圖2 中風(fēng)化紅砂巖基靜載荷試驗(yàn)移曲線Fig. 2 Load tests on sandstone foundation    由圖2可以看出，對(duì)于同樣的中風(fēng)化巖基，位移曲線并不一樣。例如No. 38、No. 77、No. 222三處測(cè)點(diǎn)在相同荷載下發(fā)生了較大沉降，殘余變形超過14 mm表1 比例界限修正與對(duì)應(yīng)承載力特征值取值Table 1 The modified value of p0 and its bearing capacity檢測(cè)孔編號(hào)比例界限P0/kPa

10、沉降值s/mm1.32 P0/kPa特征值fa/kPa38813500.231782165042913500.41782165045213500.18178216503812501.25165016507712501.211650165022212501.3116501650     很顯然，（5-2）中風(fēng)化紅砂巖層變形特性與其它巖石一樣，與本身及其下臥層狀況是相關(guān)，這是導(dǎo)致No. 38、No. 77、No. 222三處在相同荷載下發(fā)生較大沉降的直接原因。測(cè)點(diǎn)No. 38、No. 77、No. 222距地表深10.0 m，測(cè)點(diǎn)No. 388、No. 42

11、9、No. 452距地表12.50 m，都進(jìn)入了（5-2）中風(fēng)化紅砂巖層，嵌入該層深度如表2所示（據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果確定fa，其中（5-2）中風(fēng)化紅砂巖層，fa = 1150 kPa；（6）中風(fēng)化砂礫巖層，fa = 2700 kPa。*指樁端以下巖層厚度。 表2 檢測(cè)點(diǎn)處地層結(jié)構(gòu)Table 2 Geological structure at test locations     從表2可以看出，測(cè)點(diǎn)No. 388、No. 429、No. 452下2.96.9 m處存在強(qiáng)度更高的（6）中風(fēng)化砂礫巖下臥層，而其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)下超過9 m厚都為（5-2）

12、中風(fēng)化紅砂巖層。因存在下臥較硬巖層，使得測(cè)點(diǎn)No. 388、No. 429、No. 452沉降較小。由此可見，在該試驗(yàn)條件下，剛性承壓板下的應(yīng)力可以向下傳遞至少6.9 m深的距離。    值得注意的是，（5-2）中風(fēng)化紅砂巖巖基靜載荷試驗(yàn)得到的承載力特征值fa=1650 kPa比室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的特征值fa=1150 kPa要大許多。圖2中，6條曲線在卸載過程中的回彈曲線段幾乎相互平行，平均回彈1.5 mm，平均回彈系數(shù) = 4950/1.5 = 3300 kPa/mm。這說明卸載過程中的回彈與中風(fēng)化紅砂巖本身性質(zhì)關(guān)系較大，與下臥層關(guān)系不大。在最大加載情況下，

13、測(cè)點(diǎn)No. 38、No. 77、No. 222處基巖盡管沒有達(dá)到極限荷載，但與其它3個(gè)測(cè)點(diǎn)相比更接近極限荷載，但這似乎也并不影響它的回彈特性。    3  人工挖孔樁承載力確定    建筑物基礎(chǔ)采用人工挖孔樁，樁長(zhǎng)小于12 m，樁頂位于地表下5.56 m，樁徑8001500 mm不等，樁底擴(kuò)孔一倍左右樁徑。對(duì)3根樁進(jìn)行了垂直靜載荷試驗(yàn)，其中No. 42，No. 2樁樁端持力層為（5-2）中風(fēng)化紅砂巖層，試樁基本情況見表3，試樁位置如圖1所示。兩樁均嵌入該層約1 m深。人工挖孔施工過程采用紅磚護(hù)壁，按照相關(guān)規(guī)范要求不計(jì)樁側(cè)土提

14、供的側(cè)阻力，兩樁均為端承樁。樁垂直靜載荷試驗(yàn)按相關(guān)規(guī)范3要求進(jìn)行，試驗(yàn)過程中分級(jí)加載，每級(jí)歷時(shí)120 min，最大荷載為承載力特征值的2倍，到達(dá)最大荷載后，分級(jí)逐漸卸載，每級(jí)歷時(shí)60 min，直到零。沉降曲線如圖3所示。表3 試樁基本情況Table 3 Parameters of test piles試樁編號(hào)樁長(zhǎng)/m樁直徑d/mm樁底直徑D/mmRa/kNNo.425.1120025158200No.25.9110022906800 圖3 試樁荷載位移曲線Fig. 3 Load-settlement curves for two piles    圖3中

15、，加載過程中兩樁都沒有進(jìn)入破壞階段，證明端阻力qpa取值為1650 kPa是安全的。    圖2和3中共8條曲線，考慮每條曲線加載段，分別用最大加載值單位化各累級(jí)荷載，用對(duì)應(yīng)的最大沉降量單位化各累級(jí)沉降，得到如圖4關(guān)系曲線。在圖4中，兩個(gè)試樁曲線作為基巖加載曲線的上下邊界，它們曲線形狀類似，數(shù)據(jù)最大誤差不到±0.09，這說明樁的承載力大部分由樁端持力層性質(zhì)決定。圖4 單位化的靜載荷關(guān)系曲線Fig. 4 Normalized load-settlement curves    所有工程樁施工完成后，對(duì)部分樁沿樁身混凝土、樁端下

16、1 m以內(nèi)的持力層進(jìn)行了抽芯取樣，其中對(duì)（5-2）中風(fēng)化紅砂巖層抽芯試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試樣直徑D=7.2 cm、高度h=7.2 cm，含水率為天然濕度。試驗(yàn)結(jié)果中最大值10.6 MPa，最小值4.1 MPa，其統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果 =2.04，  =7.69， =0.265， =0.861，得到其標(biāo)準(zhǔn)值frk=0.861×7.69=6.62 MPa。從這里可以看出，抽芯抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)大于室內(nèi)試驗(yàn)確定的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=3.3 MPa，而離散性卻較小。    需說明的是, 雖然本工程中抽芯試樣和確定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的巖芯樣兩者都在天然濕度狀

17、態(tài)下得到的抗壓強(qiáng)度值，但它們?cè)嚇映叽缡遣煌?。?duì)抽芯樣，直徑D=7.2 cm、高度h=7.2 cm，h/D=1；而對(duì)于后者（巖芯樣），直徑D=7.2 cm，但h/D取值為2，試樣一般為非標(biāo)準(zhǔn)尺寸。抽芯樣強(qiáng)度值frk較大，很大程度上是由于抽芯試樣h/D較小。另一個(gè)原因是抽芯樣取樣后及時(shí)送到實(shí)驗(yàn)室做試驗(yàn)，而勘察時(shí)巖芯樣則放置了較長(zhǎng)時(shí)間后才一起送到實(shí)驗(yàn)室做試驗(yàn)，部分試樣其應(yīng)力充分釋放和含水率發(fā)生了變化。表4 中風(fēng)化紅砂巖抽芯取樣試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of compression test for rock core samples 試樣編號(hào)取樣深度/m極限荷載/kN抗壓強(qiáng)度/MPa

18、18-75.45.616.84.218-75.65.8389.618-95.86.0348.643-76.56.729.27.443-86.76.94210.643-96.97.1266.667-75.75.9276.667-85.96.137.49.267-96.16.331.87.8390-77.57.716.84.1390-87.77.9389.3390-97.98.1348.3    4  關(guān)于樁端阻力qpa取值的討論    在實(shí)際工程中，往往將基巖承載力特征值fa看作樁端阻力qpa。對(duì)于新鮮巖石和中風(fēng)化硬質(zhì)巖石，因

19、加載過程中樁沉降極小，接近脆性破壞，這樣取值無疑是合理的。但是，對(duì)于象（5-2）中風(fēng)化紅砂巖層（極軟巖）作為樁端持力層，若沿樁身存在側(cè)摩阻力的話，這樣取值有時(shí)則是偏于危險(xiǎn)的。此外，由于巖基載荷試驗(yàn)載荷板直徑為300 mm，而樁端擴(kuò)孔直徑大于2200 mm，存在尺寸效應(yīng)問題。因此，由巖基載荷試驗(yàn)確定的承載力特征值fa，須進(jìn)一步由樁垂直靜載荷試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。    5  結(jié)    論  （1）在武昌地區(qū)，以（5-2）中風(fēng)化紅砂巖層作為人工挖孔樁樁端持力層時(shí)，樁端阻力qpa取值為1650 kPa是安全的。  （2）從基巖靜載荷試驗(yàn)曲線可以看出，變形特性與人工挖孔樁非常相似，樁承載力很大程度上受樁端持力層樁端阻力qpa大小所決定。加載4950 kPa情況下，f300 mm剛性承壓板下的應(yīng)力可以沿中風(fēng)化基巖傳遞至少6.9 m深的距離。