南京地区极软岩承载力确定方法的分析研究

王宗文 等

摘要： 岩石承载力是工程设计的重要参数，它直接影响着工程的安全性和经济性。文章以南京某桩基工程的岩石单轴抗压强度与现场岩基载荷试验为例，建议对南京地区极软岩地基承载力的确定不能简单的运用查表法，应首选现场载荷试验的方法，力求确定其最接近值，服务于工程建设。

Abstract： The bearing capacity of rock is the important parameters for engineering design， it directly influence the safety and economy of project. This article take rock uniaxial compression strength and site rock foundation loading test of a pile foundation project in Nanjing district as example， suggest that the table examination method can not simply be used to confirm the foundation bearing capacity of extreme soft rock in Nanjing district， site loading test method should be adopted first， so as to confirm the most approach value， serve the engineering construction.

关键词： 极软岩；岩石承载力；岩石单轴抗压强度；岩基载荷试验；单桩承载力

Key words： extreme soft rock；rock bearing capacity；rock uniaxial compression strength；rock foundation loading test；bearing capacity of single-pile

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）03-0040-04

0 引言

随着我国现代化进程的加快，现代的民用、工业建筑的高度越来越高，荷重越来越大，大部分建筑均选用下卧基岩作为桩基持力层，这样就对岩土工程勘察、设计的工作要求越来越高，越来越细致。要求设计单位的设计方案更经济合理、更安全适用；要求勘察单位提供的设计参数更准确、更安全。可是在实际工程建设过程中，由于多种客观因素的干扰，工程师很难准确把握，导致基岩承载力不是偏大就是偏小，给工程建设经济、工期、安全等方面带来损失。

南京沿江工业开发区位于长江中下游，地貌上属长江阶地、坳沟和漫滩。下卧基岩主要为中生代白垩纪红色岩系组成，常称为“红层”，岩性主要为：泥岩，泥质砂岩，砂岩，砂质泥岩，大部分饱和单轴单轴抗压强度小于30MPa，属软岩～极软岩[1]。本文从工程实例入手，通过对室内岩石单轴抗压强度试验和岩基载荷试验的对比分析及探讨，提出南京极软质岩石承载力的确定应首选现场载荷试验的方法。

1 工程实例

1.1 工程概况 项目为虹达国贸大厦扩建工程，场地位于南京市沿江工业开发区新华路现有南浦商厦与大厂新华书店之间，为集商业和民用住宅为一体的小高层建筑，拟建建筑为地上15层，地下1层（层高4.0m）。地下一层为人防工程，平时用做车库，1～４层为商业用房，5～１５层为民用住宅。

1.2 地基设计方案

①拟采用桩基础形式，桩型采用人工挖孔桩，桩径1000mm，选4B层为桩端持力层，桩端进入持力层深度不小于2.0m；

②单柱极限荷重15000KN；

③混凝土强度等级为C40；

④为了给设计提供较准确的岩石承载力，以实现安全、经济的目标，选择了3个具代表性的地段进行岩基载荷试验。

1.3 场地工程地质条件 拟建场地地势平坦，地面标高为26.70m左右（吴淞高程），场地地貌单元属长江阶地。桩基开工之前进行了详细勘察工作，根据《虹达国贸大厦扩建工程岩土工程勘察报告》[2]，在勘察深度范围内揭示的地层自上而下为：

0A层，杂填土（Qml）：杂色，上部为混凝土路面，下部以砖块、碎石为主，夹少量粘性土，结构松散，土质不均匀，堆填时间6～7年。

2A层，粉质粘土（Q3al）：褐黄色，含氧化铁和铁锰质，夹灰色高岭土斑块，硬塑。中压缩性。fak=210kPa。

2B层，粉质粘土（Q3al）：褐黄色，土质均匀，可塑，局部硬塑。中压缩性。fak=140kPa。

2C层，粉质粘土（Q3al）：褐黄色，含铁锰质结核，夹灰色高岭土斑块，硬塑，局部坚硬。中压缩性。fak=230kPa。

3层，粉质粘土（Qel）：棕红色，由下卧砂质泥岩风化残积而成，含氧化铁及铁锰质，硬塑，局部可塑。中压缩性fak=200kPa。

4A层，强风化砂质泥岩（K）：棕红色，标贯锤击数大于50击，裂隙发育，岩芯较破碎，呈干土状或碎块状，手折易断，遇水易软化。属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。fak=300kPa。

4B层，中风化砂质泥岩（K）：棕红色，裂隙稍发育，取芯率70～90%，岩芯较完整，呈短柱状或柱状，锤击可碎，遇水易软化。属极软岩，岩石质量指标较好（RQD=70～80），岩体基本质量等级为Ⅴ级。fak=1100kPa。

1.4 室内岩石试验

1.4.1 室内岩石数据 现场钻探施工过程中，在4B层中风化砂质泥岩中共采取岩芯15组，根据《南京地区建筑地基基础设计规范》DGJ32/J 12-2005[3]（以下简称规范1）附录G，本次岩石强度较低，属极软岩，进行了天然单轴抗压强度试验，试验统计结果见表1。

1.4.2 室内岩石数据分析与选用 对现场取15组岩样进行分析，最大值为4.96MPa，最小值为0.67MPa，其中11组在1～3MPa之间，分布比较集中，具体见图1分布图。

剔除异常数据后的岩样为13组，根据“规范1”附录J公式（即本文公式（1）、（2）），统计结果见表2。

frk=ψ.frm（1）

ψ=1-■+■δ（2）

frm—岩石饱和单轴抗压强度平均值；

frk—岩石饱和单轴抗压强度标准值；

ψ—统计修正系数；

n—试样个数；

δ—变异系数。

1.4.3 确定岩石承载力

①根据“规范1”附录F，用野外签别结果确定岩石承载力，见表3，本场地4B层岩石属中风化极软岩，承载力特征值最大仅为750Kpa。

②根据“规范1”附录G，用单轴抗压强度确定承载力，按本文公式（3）计算，岩石承载力特征值为1168Kpa。

fak=1000ψrfrk（3）

fak—岩石地基承载力特征值；

frk—岩石饱和单轴抗压强度标准值（MPa），对软质岩石也可采用天然湿度岩样的单轴抗压强度标准值；

ψr—折减系数，按“规范1”表G.0.2确定为0.77。

2 岩基试验方案与成果

2.1 试验位置 本次试验选择了具代表性的地段，分别在1～3#人工挖孔桩桩端4B层中进行试验，具体位置详见图2。

2.2 岩基试验设计要求 根据设计单位要求，进行岩基承载力试验，试验要求：

①检测目的为判定岩基作为桩基础持力层的承载力是否满足；

②检测依据《建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）》[4]；

③桩型为人工挖孔桩，桩端持力层4B层中风化砂质泥岩；

④检测数量为3根；

⑤预估基岩承载力特征值为2000kPa，要求最大试验荷载6000 kPa；

⑥检测方法：慢速维持荷载法。

2.3 试验方法

2.3.1 加载方式 现场试验采用慢速维持荷载法采用手动加压千斤顶逐级加载，根据预估承载力特征值的3倍荷载进行检测，使用0.07m2圆形承压板，共分10级加载和5级卸载，第一级按两倍分级荷载加载。采用混凝土预制块作为反力装置，最大压重量为500kN。

2.3.2 荷载及沉降测量 荷载值通过压力表测量，压板沉降则通过对称正向布置于传力柱顶端承压板的百分表测量，所有百分表均用磁性表座固定，基准梁在独立的基准桩上安装。安装示意图见图3。

2.3.3 沉降观测：每级荷载施加后立即读数，以后每隔10min读数一次。

2.3.4 稳定标准：连续3次读数之差均不大于0.01mm时，进行下一级荷载观测。

2.3.5 卸载观测：每级卸载为加载时的2倍，每级卸载后，隔10min测读一次，测读三次后可卸下一级荷载。全部卸载后，当测读到半小时内回弹量小于0.01mm时，即认为稳定。

2.3.6 当出现下列情况之一时，可终止加载：①沉降量读数不断变化，在24小时内沉降速率有增大的趋势。② 压力加不上或勉强加上而不能保持稳定。③荷载加载至最大压力值（本工程为验证性检测，最大压力值为6000kPa）。

2.4 试验成果 按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）规定，根据岩基载荷试验数据及试验曲线分析，3个试验点分别加载至其对应的3倍预估荷载值时，均未出现破坏。3个试验点试验点的岩基承载力特征值为2000kPa，检测试验荷载和沉降数据及曲线见附图4～图6。

3 承载力特征值估算与分析

3.1 岩石承载力对比分析 通过根据“规范1”查表、计算和岩基载荷试验的方法得出的岩石承载力见表4。

由表4可以看出，依据岩基载荷试验得出的岩石承载力特征值最大，是依据单轴抗压强度得出的承载力的1.71倍，是依据风化程度得出的承载力的2.66倍。因此根据风化程度、单轴抗压强度得出的承载力特征值偏小、不符合实际，在工程中直接使用是不适宜的。

3.2 单桩竖向承载力特征值估算 工程师根据“规范1”附录M表M.0.1-1，M.0.1-3提出了人工挖孔桩桩基设计参数，根据附录M公式（即本文中公式（4））估算单柱竖向承载力特征值。桩基参数和钻孔层位数据见表5。

Ra=up∑ψsqsiali+ψbqpaAp（4）

Ra—单桩竖向承载力特征值（KPa）；qsia—桩侧第i层土的侧阻力特征值（KPa）；qpa—桩端土端阻力特征值（KPa）；ψs、ψb—大直径桩的侧阻力、端阻力尺寸效应系数，可按“规范1”表M.0.1-5取值；up—桩身周长（m）；li——桩侧第i层土的厚度（m）；Ap—桩底面积（m2）。

本桩基工程桩型拟采用人工挖孔桩，桩径1000mm，桩端持力层为4B层，进入持力层深度2.0m，有效桩长为18.5m，依据本文中公式（4），以钻孔1#为例，计算得出：按勘察报告参数估算单桩承载力特征值3538KN；用野外签别结果确定岩石承载力（特征值750Kpa）估算单桩承载力特征值3106KN；按岩基载荷试验估算单桩承载力特征值4088KN。

3.3 单桩承载力对比 载荷试验实测值比勘察报告估算值要高，高出550kN，占勘察报告估算值的15%。设计单位要求单柱极限荷重15000KN（特征值7500KN），那么每根柱下布置桩数量就不同了，如果按照勘察报告估算值就需要布置3根桩，而按照岩基载荷试验成果只需要布置2根桩。从经济角度考虑，按照目前市场人工挖孔桩每方约1500元计算，一个桩就节约近2万元，整个工程就节约了近百万元，还是很可观的。

3.4 成果分析

3.4.1 差异产生的原因 岩基载荷试验实测值一般情况下与勘察报告估算值会存在差异，差异的产生可能是：①现场取样过程中由于钻具、取样方法不合要求等因素造成了对岩样的破坏。②室内试验所采用的岩样已经脱离了岩体本身，经过筛选和切割再次破坏了已有的结构。③岩石单轴抗压强度是在无侧限状态下的极限强度，这一受力状态与地基岩体在建筑物荷载下受到的侧限状态是完全不同的，室内试验所获得基岩极限强度偏小。④工程师按照“规范1”附录G表G.0.2提出的承载力时为了谨慎，大多数情况折减幅度较大，承载力都是取低值。

3.4.2 减小差异的方法 ①岩基载荷试验是确定岩石承载力的首选方法，按此方法所得到的岩石承载力是可靠的、安全的、经济的、合理的。②工程师应对勘察地区的勘察经验进行搜集、整理、归纳工作，提出的参数更符合当地的经验值。③建议“规范1”附录G表G.0.2中岩石单轴抗压强度标准值frk小于5MPa的极软岩折减系数进一步细化：1）0.5～1.0MPa取值为1.0；2）1.0～2.0MPa取值为1.0～0.9；3）2.0～5.0MPa取值为0.9～0.8。

4 结论

岩石承载力的确定方法有多种，现阶段我国主要采用室内饱和单轴抗压强度试验和岩基载荷试验。

岩基载荷试验是准确确定岩石承载力首选的、可靠的手段。本次试验时由于工期和天气的因素，未能测出岩石承载力的极限值，只是检验是否满足设计的要求，建议有条件时，尽可能通过岩基载荷试验确定岩石承载力，为设计提供准确的参数，这样对整个工程是经济和安全的。

南京地区极软岩分布广泛，工程力学性质特殊，基岩一般埋藏较深，做现场载荷试验有一定的困难，大多数工程中都是根据室内试验确定岩石承载力，基岩承载力是有潜力可挖的，建议做更细致的、更多的经验积累、总结工作，更好地为工程建设服务。

参考文献：

[１]中华人民共和国建设部.GB50021-2001（2009版）岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[２]化学工业岩土工程有限公司虹达国贸大厦扩建工程岩土工程勘察报告[R].2011.

[３]江苏省建设厅.DGJ32/J 12-2005南京地区建筑地基基础

设计规范[S].南京：中国建筑工业出版社，2008.

[４]中华人民共和国建设部.JGJ106-2003 建筑基桩检测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.