南京江寧某場地泥質粉砂巖載荷試驗分析

宗靜，趙升峰，馬世強，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

隨著國家經濟穩步快速的發展，帶動了城市建設的高速發展，高層建筑、人防工程、地鐵、城市隧道以及其他市政基礎設施如雨后春筍，上部建構筑物荷載增大，要求地基承載力提高，基巖地基作為建構筑物基礎持力層是很好的選擇［1～3］。目前用于確定軟質巖地基承載力的方法主要有巖基載荷試驗法、室內飽和單軸抗壓強度試驗法、數值模擬等方法［4～5］。但是數值模擬法仍由基巖基本參數確定，因此準確度較基巖載荷試驗低［6］。

泥質粉砂巖在南寧江寧地區較廣泛地分布，其天然抗壓強度小于30 MPa屬于軟質巖，其具有強度低、風化強烈、局部夾中風化巖碎塊、遇水易軟化、巖芯多呈碎塊狀等特征，與硬質巖石相比，在上部建構筑物荷載作用下，表現出承載力低、變形大等特點。本文通過開展南京江寧地區泥質粉砂巖地基承載力試驗研究，從載荷試驗與巖石天然狀態單軸抗壓強度二者比較分析，以探討其變化規律，為本地區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

梁臺煦府項目位于南京市江寧區湖熟鎮湯銅路東側。項目占地面積53 957.9 m2，本工程地上建筑包括10 幢11 層住宅樓，擬建建筑結構采用剪力墻結構類型，建筑基礎采用人工挖孔樁。

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，發育有坳溝亞地貌?？辈焐疃确秶鷥鹊鼗翆忧闆r如下:

①－1 雜填土:褐灰～灰色，松散，由粉質黏土混碎磚、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、粉質黏土:褐黃～黃褐色，可～硬塑。含鐵錳結核，切面稍有光澤，韌性、干強度中等。層底含少量風化巖碎屑物，局部區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 強風化泥質粉砂巖:磚紅色，風化強烈，呈密實砂土狀，層底局部夾中風化巖碎塊，遇水易軟化，巖體基本質量等級分類為Ⅴ級。層頂埋深1.0 m～11.2 m，層厚0.2 m～4.1 m。

K2c－3 中風化泥質粉砂巖:磚紅色，為軟巖～極軟巖。泥質膠結，巖體較完整，少量閉合裂隙發育，局部區域層頂巖體稍破碎，遇水易軟化。巖體基本質量等級分類主要為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

該工程基礎采用人工挖孔樁，樁端持力層選擇K2c－3 層中風化泥質粉砂巖，樁端嵌入中風化巖層。為了準確確定該持力層地基承載力，進行了室內飽和單軸抗壓強度試驗以及現場巖石地基載荷試驗。

3.1 巖石地基載荷試驗原理

巖石地基載荷試驗，是通過測定巖基在不同的受荷狀態(慢速加載)下的變形特征，即巖基受荷情況下的應力－應變關系，采用一定的方法(規范、規程規定)分析、評價巖基的承載力水平，它是目前較可靠且應用較廣泛的方法。試驗時，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，用連于千斤頂的油壓表測定油壓，根據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。

根據設計的樁基礎型式，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模擬樁端實際工作狀態。本試驗采用的加載裝置為2 000 kN靜載試驗反力架，混凝土配重塊作為荷載?；鶞柿翰捎脙筛L度為12.0 m的槽鋼，對稱安置在剛性傳力柱兩側，傳力柱端部對稱安置2 個沉降測點，用磁性表座將2個量程為50 mm百分表固定在基準梁中部。本次試驗采用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構梁組成，試驗用千斤頂加載。試驗裝置如圖1 所示。

圖1 深層平板載荷試驗裝置示意圖

試驗時，配重物一次性加上，并均勻穩固地放置于平臺上。試驗點(孔)底部安放合適的剛性承壓板，承壓板與傳力柱聯接一體，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。

試驗加載及卸載歷時表 表1

3.2 巖石飽和單軸抗壓強度試驗

本法采用天然狀態下的巖石圓柱體試件的抗壓強度來評定巖石強度。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平均值作為計算抗壓強度所用的截面積。將試件置于壓力機的承壓板中央，對正上、下承壓板，不得偏心。以0.5 MPa/s～1.0 MPa/s的速率進行加荷直至破壞，記錄破壞荷載及加載過程中出現的現象?？箟涸嚰囼灥淖畲蠛奢d記錄以N 為單位，精度1.0%。

巖石單軸天然抗壓強度按下式進行計算確定:

式中，Rc，P 分別巖石天然抗壓強度(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、層理及節理等非連續面的存在，使得巖石成為一種非均勻性材料，內部強度差異顯著。巖石內部含有大量孔隙和微裂隙，巖石的許多力學特征亦發生了改變。因此單軸抗壓強度要根據試驗結果，采用平均值、標準差、變異系數及統計修正系數進一步計算確定其單軸抗壓強度標準值，計算如下:

式中，frk，frm分別為巖石飽和單軸抗壓強度標準值(MPa)及巖石飽和單軸抗壓強度平均值(MPa)，ψ為統計修正系數，n 為試驗試樣個數，δ 為變異系數。

4 試驗結果與分析

為了深入分析南京江寧某場地泥質粉砂巖的力學狀態，進一步確定其地基承載力規律，本次試驗共在該巖層取7 個完整的巖樣進行單軸飽和試驗，在該場地不同位置選取7 個點進行人工挖孔樁孔底深層平板載荷試驗，其中深層平板載荷試驗點依次編號為1#孔～7#孔。

4.1 室內飽和單軸抗壓強度試驗結果分析

試驗結果統計分析表明，南京江寧該場地泥質粉砂巖飽和單軸抗壓強度主要分布在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度。按照巖石堅硬程度的劃分標準，該中風化泥質粉砂巖屬于軟巖、極軟巖類。室內試驗結果統計如表2 所示。

室內巖石試驗結果表 表2

巖石單軸抗壓強度試驗具有操作簡單、周期短、成本低的優點，是目前確定巖石地基承載力應用最廣泛的一種方法。文獻［7］在第5.2.6 條中明確規定:對完整、較完整和較破碎的巖石地基承載力特征值，可根據室內飽和單軸抗壓強度按下式計算:

式中，fa為巖石地基承載力特征值(MPa);φr為折減系數，由地方經驗確定，若無經驗時，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 巖基載荷試驗結果與分析

圖2 為本次試驗場地K2c－3 層中風化泥質粉砂巖地基載荷－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。這反映出軟質泥質粉砂巖地基在載荷作用下，其變形一開始就表現出明顯的非線性特征。

圖2 巖地基載荷－沉降曲線

表3 是現場載荷試驗參數統計表，由表3 可以看出，試驗最終加載值為8 250 kPa。由現場實測數據繪制的p－s 曲線，根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007－2011)附錄H“巖基載荷試驗要點”，綜合分析:7 個試驗點的p－s 曲線均呈緩變型，取試驗最大加載加載值為8 250 kPa，是該試驗點對應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，所得值則為該巖石地基承載力特征值，故7 個點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對應的K2c－3 層中風化泥質粉砂巖承載力特征值為2 750 kPa。

表4 是深層載荷試驗結構統計表，從表4 可以看出，K2c－3 層中風化泥質粉砂巖對應的最大沉降為12.85 mm～17.96 mm，反映出巖質較為致密，壓縮性小，承載力較為穩定，是樁基礎良好的持力。

試驗參數統計表 表3

深層載荷試驗結果統計表 表4

卸載試驗所得回彈值均較小為 3.92 mm～5.31 mm，回彈率為25.7%～37.9%。這也進一步驗證了軟質巖石地基彈性變形階段很短，其變形一開始就表現出彈塑性特征。由此表明，在進行軟質板巖巖石地基承載力的理論計算或數值模擬時，采用非線性彈塑性本構關系更為合適。

5 結 論

試驗結果表明，南京江寧地區的K2c－3 中風化泥質粉砂巖地基在載荷作用下，其變形一開始就表現出非線性特征，且卸載試驗所獲得的回彈值均亦較小。由此說明，該地區在進行中風化泥質粉砂巖地基承載力理論計算或數值模擬時，采用非線性彈塑性本構關系更為妥當。

按巖石飽和單軸抗壓強度確定南京江寧區K2c－3中風化泥質粉砂巖地基的承載力遠遠低于巖石地基的實際承載力。根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007－2011)提供的方法反算折減系數，得出南京市江寧區較完整的中風化泥質粉砂巖地基承載力的實際折減系數明顯高于規范所提供的折減系數0.20～0.50，并達到了0.85。根據工程經驗并為安全起見，建議最低可取0.50。

［1］彭柏興，王星華．白堊系泥質粉砂巖巖基強度試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(15):2678～2682．

［2］向志群．對軟質巖石地基承載力的一點新認識［J］．巖石力學與工程學報，2001，20(3):412～414．

［3］梁篤堂，黃質宏，曹小兵．某高層建筑軟質巖石地基承載力的確定［J］．貴州工業大學學報·自然科學版，2006，35(6):70～73．

［4］李維樹，黃志鵬，周火明等．基于P－R 相關性研究的巖石地基承載力優化取值［J］．巖土力學，2009，30(12):3700～3705．

［5］錢偉文，鄧忠信，張信貴等．泥巖地基承載力的確定問題［J］．廣西大學學報·自然科學版，2003，28(2):155～157．

［6］高文華，朱建群，張志敏等．軟質巖石地基承載力試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2008，27(5):953～959．

［7］GB 50007－2011．建筑地基基礎設計規范［S］．