湯淼文 ，彭柏興，宣躍仁

(1.湖南省輕工紡織設計研究院，湖南 長沙 410002; 2.長沙市規(guī)劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

1 前 言

《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007 －2011)明確規(guī)定采用巖石飽和單軸抗壓強度按巖體完整性折減來計算完整、較完整和較破碎的巖石地基承載力特征值［1］。在自然界，由于構(gòu)造應力作用，巖體往往是不完整的，甚至呈破碎－極破碎狀態(tài)，勘察過程中很難取到足夠多的、合符規(guī)格的試樣進行室內(nèi)抗壓試驗，因此，采用其他方法進行彌補是十分必要的。一般地，可采用巖基載荷試驗或旁壓試驗等原位試驗手段來評價碎裂巖基的強度［2］。載荷試驗操作難度較大，費工費時;高壓旁壓試驗受儀器額定壓力制約，對硬質(zhì)巖石很難做到極限點，不利于承載力的客觀評價。

巖石點荷載強度試驗方法［3］是一種常用的破壞性試驗。在國外，20 世紀30年代就有人開始探索，20 世紀70年代在理論上得到了較為嚴格的論證［4］，1985年國際巖石力學學會(the international society for rock mechanics，ISRM)公布了《測定點荷載強度的建議方法》［5］(suggested method for determining point load strength)，又稱ISRM 法。1995年國家標準《工程巖體分級標準》(GB50218－94)在確定巖石堅硬程度時，允許使用實測的標準巖石點荷載強度指標換算巖石抗壓強度［6］。點荷載試驗方法對試驗巖塊的規(guī)格要求不高，能簡易地測定巖石的某些特性，利用這些特性又能估計巖石的抗壓強度，在工程中得到了廣泛應用，并得到了許多專家學者的關(guān)注［7～12］。本文通過工程實例介紹了點荷載強度試驗評價碎裂巖體中承載力特征值的方法與應用，收到了預期的效果。

2 點載荷試驗的基本方法

2.1 試驗設備

巖石點荷載試驗可采用便攜式點載荷試驗儀或利用材料試驗機來實現(xiàn)，國內(nèi)外多采用前者來充分發(fā)揮該試驗的優(yōu)點。便攜式點載荷試驗儀由加荷、荷載測量和測距裝置三部分組成。加荷部分包括承壓框架、油泵和加荷活塞以及標準加荷器(如圖1所示)。球端圓錐頭壓板的球曲率半徑為5 mm，圓錐體的頂角為60°。

圖1 標準加荷器

在試驗過程中，上下壓板保持在同一軸線上，偏差不超過±0.2 mm。荷載測量系統(tǒng)包括2 個油壓表，最大量程分別為6 MPa和25 MPa。測距利用框架立柱上的標尺或位移傳感器，保證試樣加荷點間距的測量精度達到±0.2 mm［13］。整個荷載測量系統(tǒng)能抵抗液壓沖擊和振動，不受反復加載影響。

2.2 試驗方法

試驗試件可利用規(guī)則試件或不規(guī)則試件(如圖2所示)。一般地，選擇試件最小尺寸方向為加荷方向。將試樣置于上下兩個球端圓錐狀壓頭之間，使上下錐端位于試件中心處并與試件緊密接觸。量測加荷點間距及通過兩加荷點最小截面的寬度(或平均寬度)，接觸點距試件自由端的距離不應少于加荷間距的0.5。穩(wěn)定地施加壓力，使試件在10 s ～60 s內(nèi)破壞，記錄破壞荷載。據(jù)此求得巖石點荷載強度指數(shù)Is。

圖2 不規(guī)則塊體試驗

(1)試驗試樣及其規(guī)格:巖石點荷載強度值隨著試件的面積、點間距以及體積的增大，其變化在一定范圍時，存在一個穩(wěn)定區(qū)間。對不規(guī)則試件尺寸應在穩(wěn)定區(qū)域范圍內(nèi)進行測試，方可避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)的起伏和離散。其尺寸應滿足以下要求:

①試樣長(L)＞寬(w)＞高(H);

②試樣高度控制在2．5 cm ～10 cm 內(nèi);

③破壞面積Af＜50 ±5 cm2。

(2)試驗操作步驟如下:

①準備并檢查儀器，保證上下加荷錐同軸;

②試件安裝，將試件放入點荷載上下球端圓錐之間，使錐端與試件中心處緊密接觸;

③均勻加荷，使試件在10 s ～60 s 內(nèi)破壞，記錄破壞荷載。

(3)數(shù)據(jù)處理:觀察破壞面，對于破壞截面不通過兩個加荷點的試驗數(shù)據(jù)予以剔除。對符合要求的試驗數(shù)據(jù)進行處理，每組有效數(shù)據(jù)去除最高和最低值各兩個，進行成果計算。

2.3 點荷載強度的計算

根據(jù)點荷載強度指標量綱分析，列舉點荷載強度(Is)公式載強度有如下6 種表達式［11］:間距強度(IsD)、面積強度(IsA)、體積強度(IsV)、面積間距強度(IsAD)、體積間距強度(IsVA)、體積面積強度(IsVA)。王祥厚等利用上述6 個公式對文獻［7］中砂巖、石灰?guī)r、頁巖、煙煤4 種巖石的實測數(shù)據(jù)進行計算、統(tǒng)計、分析，發(fā)現(xiàn)對同一巖組的試驗結(jié)果頻數(shù)分布無明顯偏態(tài)，算術(shù)平均值為明顯的趨中值，且以面積強度公式計算的結(jié)果最為接近［11］。

《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266 －2013)推薦的計算公式如下［14］:

式中，IS為未經(jīng)修正的巖石點荷載強度(MPa)，P為破壞荷載(N)，De為等價巖心直徑(mm)。

所謂等價巖芯直徑De，圓柱狀試件的徑向試驗時即圓柱體的圓斷面直徑。軸向試驗時或其他形狀試對不規(guī)則體、方塊體或軸向試驗時件試驗中為包含加荷軸的最小斷面的等面積圓的直徑，De由下式計算:

式中，W 為兩加荷點最小截面的寬度或平均寬度(mm)，D 為加荷點間距(mm)，D'為上下端發(fā)生貫入后，試件破壞瞬間的加荷點間距(mm)。

當加荷點間距不等于50 mm時，應對(1)式的計算結(jié)果進行修正。當試驗數(shù)據(jù)較多，且同一組試件中的等價巖芯直徑具有多種尺寸，通過繪制D2e與破壞荷載P的關(guān)系曲線，在曲線上查找D2e=2 500 mm2對應的P50值，按(4)式計算;若試驗數(shù)據(jù)較少則按式(5)計算。

2.4 點載荷強度與巖石單軸抗壓強度的關(guān)系

由于巖石力學性質(zhì)的復雜性，常規(guī)方法確定的巖石抗壓強度R0相對標準差一般在20% ～40%，有時甚至高達50%以上。點荷載試驗的相對標準差也在20% ～40%之間，絕大多數(shù)的巖石工程中，這樣的精度是可行的，故可以建立標準點荷載強度指標IS(50)和巖石單軸抗壓強度的經(jīng)驗公式［15］。

規(guī)范GB 50218 －94 在條文說明中提供了部分巖石點載荷強度與單軸飽和抗壓強度相關(guān)性的研究成果(如表1所示)。

表1 點荷載強度與巖石單軸抗壓強度關(guān)系表

3 工程應用

3.1 場地工程地質(zhì)條件

長沙某大樓高30 層，2 層地下室，框剪結(jié)構(gòu)。場地為湘江高漫灘，地面標高為34.15 m ～35.36 m。工程地質(zhì)條件復雜，第四系地層由人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉土、圓礫、殘積粉質(zhì)粘土組成，厚達19 m?；诪槟嗯柘捣凵皫r，因受構(gòu)造影響，巖石破碎，為碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)，很難采取到能夠加工成Φ50 ×100 mm的巖芯進行抗壓試驗。

3.2 巖基強度的確定

工程擬用大直徑人工挖孔灌注樁，由于微風化層埋藏深度大，因而工作的重點在于合理地確定中風化粉砂巖的承載能力。根據(jù)規(guī)范GB50007 －2011 規(guī)定，巖石地基承載力設計值可按下式計算:

式中，f 為巖石地基承載力設計值(kPa);frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值(kPa)，粘土質(zhì)巖石取天然抗壓強度;ψr為折減系數(shù)，根據(jù)巖體完整程度以及結(jié)構(gòu)面間距、寬度、產(chǎn)狀和組合，由地區(qū)經(jīng)驗確定。無經(jīng)驗時，對完整巖石可取0.5、對較完整巖石可取0.2～0.5、對較破碎巖體可取0.1 ～0.2。本工程取0.2。

(1)旁壓試驗

為評價巖體強度變形特征，采用預鉆式旁壓儀對工程巖體進行了驗，受成孔因素影響，旁壓試驗均未做到極限壓力(如圖3所示)，因探頭破裂僅做了4 個試驗點，無法繼續(xù)。根據(jù)聲波測試結(jié)果可知，強、中風化層分別為破碎、較破碎巖體，巖體的均勻性較差，強度離散性大(如表2所示)。

圖3 粉砂巖中的旁壓試驗曲線

表2 粉砂巖的主要物理力學性質(zhì)指標

(2)點載荷試驗

試驗設備為成都地質(zhì)學院研發(fā)的XD －2 型攜帶式點荷載儀，試樣采自鉆探施工所取的中風化巖芯碎塊，為避免數(shù)據(jù)的分散性，要求試樣加荷點附近不宜過于凸凹不平或傾斜，且試樣尺寸應滿足長(L)≥寬(b)≥高(h);破壞面積≤50 ± 5 cm2。試驗時，如破壞面不通過一個加荷點即產(chǎn)生局部破壞，則該次試驗無效。共進行了29組試驗。經(jīng)計算，Is(50)= 0．59 ～1.18 MPa，平均0.73 MPa。巖石單軸抗壓強度平均值為18.26 MPa，按式(6)計算得巖基承載力設計值f=3 652 kPa。

3.3 載荷試驗

根據(jù)勘察成果，本工程采用了大口徑人工挖孔灌注樁，樁徑分別為Φ2000、Φ1800、Φ1400，以中風化粉砂巖為樁端持力層，端阻力特征值取3 600 kPa。巖基載荷試驗結(jié)果均滿足設計要求(如表3所示)。從載荷試驗曲線分析(如圖4所示)，巖基沉降變形甚微，最大沉降量僅5.28 mm，可見尚有一定的潛力。本工程已竣工3年，沉降觀測表明僅5.6 mm?？梢?，利用點荷載試驗結(jié)果計算的巖石抗壓強度按完整性折減尚有較高安全儲備。

表3 巖基載荷試驗成果表

圖4 載荷試驗曲線

4 結(jié) 語

(1)根據(jù)點載荷強度指數(shù)與抗壓強度的關(guān)系，可換算得到巖石的單軸抗壓強度。便攜式點荷載儀簡單方便，有利于現(xiàn)場試驗、成本低，可對未加工成型的巖塊進行測試來獲取大量試驗數(shù)據(jù)，解決了勘察過程中無法得到滿足常規(guī)抗壓試驗規(guī)格要求的巖石試件的難題。

(2)當采用點載荷試驗方法來評價碎裂巖基的承載力時，試樣采取應為地基壓縮層范圍內(nèi)的巖塊，并結(jié)合聲波測試以確定樁端下3 倍樁徑或5 m范圍內(nèi)巖基的完整性和均勻性以選取合理的折減系數(shù)，做到點面結(jié)合，以期達到更好效果。

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