成 莞 莞

(天津渤海職業(yè)技術學院，天津 300402)

1 引 言

在巖土工程勘察、設計中，地基承載力通常以室內(nèi)巖石飽和單軸抗壓強度進行一定量的折減，并結合當?shù)亟?jīng)驗綜合確定.目前，工程設計中普遍按規(guī)范中“無經(jīng)驗時”的折減系數(shù)取值，取值偏小，且對于軟質巖石，尤其是極軟巖而言，室內(nèi)試驗結果影響因素較多，往往會難以反應其客觀強度，從而造成取值保守，使構筑物基礎設計方案復雜化，工程成本大幅度提高，造成一定的浪費.合理確定軟質巖石的承載能力是確定構筑物基礎類型和優(yōu)化設計參數(shù)的重要依據(jù).因此合理確定軟質巖的地基承載力，優(yōu)化設計參數(shù)值得深入研究分析，具有重要的工程意義[1-4].

2 地基承載力確定方法研究

目前已經(jīng)有多種成熟的方法來確定巖土體的地基承載力，歸結起來主要有原位試驗、室內(nèi)試驗以及經(jīng)驗類比法等三大類.其中常用的適合于軟質巖石的原位試驗方法主要有淺層平板載荷試驗、旁壓試驗、單軸抗壓強度法以及剪切波速法[5-7].分述如下：

2.1 淺層平板載荷試驗

淺層平板載荷試驗一般采用堆載法，由工字鋼搭建成堆載平臺，在上面均勻堆放預制水泥塊，構成加載反力系統(tǒng)(詳見圖1).要求：加載反力裝置能提供的反力不得小于最大加載量的1.2倍.使用重物堆載，重物應一次備齊并不應小于預計極限荷載的1.2倍.淺層平板的沉降變形，通過兩只對稱布置于承壓板數(shù)顯百分表測量，其分辯率一般為0.01 mm.所有百分表均用磁性表座固定于基準梁上，基準梁具有一定剛度.承壓板為圓形厚鋼板，直徑為300 mm，面積為0.07 m2.使用EXCEL對試驗原始數(shù)據(jù)每個點的Pi、∑Si的關系進行擬合修正，整理得出各個試驗點的p-s、s-lgp曲線.根據(jù)所的曲線進行數(shù)據(jù)分析，得出巖土體的承載力值，數(shù)據(jù)處理過程見規(guī)范[8].

圖1 淺層平板載荷試驗示意圖

2.2 旁壓試驗

旁壓試驗是在鉆孔中對測試段孔壁施加徑向壓力，量測其變形，根據(jù)孔壁變形與壓力的關系，求取地基土的變形模量、承載力等力學參數(shù)的一種原位試驗方法.目前國內(nèi)外性能較為優(yōu)越的旁壓儀是美國Menard(梅納)G-Am型旁壓儀，測頭型號Nx型(Φ70 mm)，外徑70 mm，固有腔體積(Vc)790 cm3，預鉆式成孔，直徑ψ75 mm，該儀器具有讀數(shù)準確，試驗壓力高的優(yōu)點.

將野外測取的旁壓試驗的原始數(shù)據(jù)進行修正，繪制成P-V曲線圖，確定P0、V0、Pf、Vf等參數(shù)，PL值的求取是采用P-1/V方法求得.典型的旁壓試驗P-V圖如圖2所示，可分為三個階段：Ⅰ段(曲線OA段)，為初步階段，反映彈性膜的貼壁過程；Ⅱ段(曲線AB段)，為似彈性階段，壓力與體積變化量大致成直線關系；Ⅲ段(曲線BC段)，為塑性階段，隨著壓力的增大，體積變化量逐漸增加到破壞.Ⅰ～Ⅱ段的界限壓力相當于初始水平壓力P0，Ⅱ～Ⅲ段的界限壓力相當于臨塑壓力Pf，Ⅲ段末尾漸近線的壓力為極限壓力PL.

圖2 旁壓試驗P-V曲線示意圖

使用旁壓試驗確定地基承載力有以下兩種方法[5-6,8]：

臨塑載荷法：fk=Pf-P0

(1)

極限荷載法：fk=(PL-P0)/Fs

(2)

式中：

fk—地基土承載力(kPa)；

Fs—安全系數(shù)，一般取2～3，也可根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗確定.

對于一般土宜采用臨塑荷載法；對旁壓試驗曲線過臨塑壓力后急劇變陡的土宜采用極限荷載法.

2.3 單軸抗壓強度法

《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)[9-10]中規(guī)定：對于破碎、極破碎的巖石地基承載力特征值，可以根據(jù)平板載荷試驗確定；對于完整、較完整和較破碎的巖石地基承載力特征值，也可以根據(jù)室內(nèi)飽和單軸抗壓強度按照下式確定：

fα=ψr·frk

(3)

式中：

fα—巖石地基承載力特征值(kPa)；

frk—巖石飽和單軸抗壓強度標準值(kPa)；

ψr—折減系數(shù).根據(jù)巖體完整程度以及結構面的間距、寬度、產(chǎn)狀和組合，由地方經(jīng)驗確定.無經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，對完整巖體可取0.5；對較完整巖體可取0.2～0.5；對較破碎巖體可取0.1～0.2.

使用單軸飽和抗壓強度確定地基承載力存在兩個問題：①由于裂隙的存在，巖體強度肯定低于巖塊強度，因此要求乘以小于1.0的折減系數(shù)，越破碎，折減系數(shù)越小，計算方法顯然是比較粗糙的；②單軸抗壓強度試驗時圍壓為0，而在地基中巖體為三項應力條件下的豎向壓縮，該法偏于安全.因構筑物基礎壓力一般不大，大多數(shù)條件下已能滿足要求，且方法簡便，可操作性強，因此在工程上得以廣泛應用.但對于承載力要求較高的建筑物和構筑物，可能會偏于過分保守[9].

2.4 剪切波速法

根據(jù)波速測試記錄，通過波形對比讀取各測點同一相位正反相波形的極值時間，求其算術平均值，并對其進行垂直校正，繪制出垂直時距曲線圖，然后計算出各波速地層的剪切波速度和縱波速度，并據(jù)此進行巖土體動泊松比、動彈性模量和動剪切模量的計算.

眾多研究表明，巖土的剪切波速與其地基承載力、地基變形參數(shù)等靜力學性質相關密切，根據(jù)剪切波速可以用來估算巖石地基承載力，并且具有簡便，可操作性強的優(yōu)點[11].

表1為《核電廠巖土工程勘察規(guī)范》(GB 51041-2014)[12]中按剪切波速值初步估計地基承載力的建議取值表.

表1 巖石地基承載力特征值的初步估計[12]

2.5 規(guī)范經(jīng)驗類比法

軟質巖石在我國廣泛分布，在軟質巖石地區(qū)開展了大量的工程建設，積累了不少工程經(jīng)驗，因此在很多地方規(guī)范中均給出了軟質巖石地基承載力的經(jīng)驗取值，比較常見的有《南京地區(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》(DGJ32/J 12-2005)[13]以及《廣西建筑地基基礎設計規(guī)范》(DBJ45-003-2015)[14].

表2 巖石地基承載力特征值[13]

表3 巖石地基承載力特征值[14]

3 工程實例分析

在我國膠東地區(qū)廣泛分布白堊系上統(tǒng)王氏群(K2W)泥巖，其單軸天然抗壓強度一般小于5 MPa，屬于極軟巖，并且具有弱膨脹特性.為研究確定不同風化程度泥巖承載力的適宜確定方法，特開展了淺層平板載荷試驗、旁壓試驗、剪切波速試驗、單軸抗壓強度試驗等，進行各方法的成果對比.對比結果見表4所示：

表4 泥巖地基承載力匯總分析表

結果對比分析如下：

(1)針對全風化泥巖，平板載荷試驗法和剪切波速法確定的地基承載力值基本相同，并且?guī)r體受擾動較小，試驗值更接近于實際值.旁壓試驗法確定的地基承載力值偏大，是上述兩種方法的3倍；

(2)針對強風化泥巖，剪切波速法確定的地基承載力與規(guī)范經(jīng)驗值基本一致，平板載荷試驗法和旁壓試驗法確定的地基承載力值均要偏大；

(3)針對中風化泥巖，單軸抗壓強度試驗、剪切波速試驗等方法確定的地基承載力均與規(guī)范經(jīng)驗值基本一致，說明上述方法均可以用來確定中風化泥巖承載力；

(4)各種試驗方法對于膠東白堊系泥巖確定地基承載力的適用性如表5所示：

表5 確定泥巖承載力的方法適用性分析

4 結 論

本文以泥巖為例，通過多種方法對不同風化程度軟質巖石的承載力確定方法進行了系統(tǒng)對比研究，得到的主要結論如下：

(1)淺層平板載荷試驗是確定全～強風化軟巖地基承載力的可靠方法，其試驗值更接近于巖土體的實際情況，且應用經(jīng)驗較多，對于重大項目而言，是必不可少的手段；

(2)旁壓試驗適用于確定全～強風化軟質巖石地基承載力，但旁壓試驗獲取的承載力特征值偏大，可靠性差，應用效果一般，需要進一步探索研究；

(3)剪切波速查表法適用于確定各級風化程度的軟質巖石地基承載力，并且具有操作簡便、成本低廉的優(yōu)點，具有很高的推廣價值；但其屬于工程經(jīng)驗法，需要結合實際地層情況及附近工程經(jīng)驗確定，可作為參考，對于重大項目不可作為單獨的承載力值確定方法；

(4)單軸抗壓強度法是規(guī)范推薦方法，適用于確定中～弱風化軟質巖石地基承載力，但受節(jié)理裂隙影響，其具有試驗值離散性大的缺點；當采取這種方法獲取泥巖或其他軟巖的承載力特征值時，取樣、運輸過程中對巖芯的密封和保護以及從取樣到試驗的時效性均十分重要，否則可能影響最終試驗結果的準確性.