南京江宁某场地泥质粉砂岩载荷试验分析

宗静，赵升峰，马世强，吴凤军

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019)

1 引 言

随着国家经济稳步快速的发展，带动了城市建设的高速发展，高层建筑、人防工程、地铁、城市隧道以及其他市政基础设施如雨后春笋，上部建构筑物荷载增大，要求地基承载力提高，基岩地基作为建构筑物基础持力层是很好的选择［1～3］。目前用于确定软质岩地基承载力的方法主要有岩基载荷试验法、室内饱和单轴抗压强度试验法、数值模拟等方法［4～5］。但是数值模拟法仍由基岩基本参数确定，因此准确度较基岩载荷试验低［6］。

泥质粉砂岩在南宁江宁地区较广泛地分布，其天然抗压强度小于30 MPa属于软质岩，其具有强度低、风化强烈、局部夹中风化岩碎块、遇水易软化、岩芯多呈碎块状等特征，与硬质岩石相比，在上部建构筑物荷载作用下，表现出承载力低、变形大等特点。本文通过开展南京江宁地区泥质粉砂岩地基承载力试验研究，从载荷试验与岩石天然状态单轴抗压强度二者比较分析，以探讨其变化规律，为本地区类似地层地基承载力的确定提供参考。

2 工程概况及地层特征

梁台煦府项目位于南京市江宁区湖熟镇汤铜路东侧。项目占地面积53 957.9 m2，本工程地上建筑包括10 幢11 层住宅楼，拟建建筑结构采用剪力墙结构类型，建筑基础采用人工挖孔桩。

场地地形总体较为平坦，局部有起伏，地面高程在12.23 m～16.95 m(吴淞高程系)。场地地貌单元为阶地，发育有坳沟亚地貌。勘察深度范围内地基土层情况如下:

①－1 杂填土:褐灰～灰色，松散，由粉质黏土混碎砖、碎石子填积，填龄大于5 a。层厚0.4 m～0.8 m。

①－2 素填土:褐黄～黄灰色，可塑为主，部分硬塑，由粉质黏土混少量碎石子填积，夹植物根系，大部分为耕植土，填龄大于10 a。层顶埋深0 m～0.8 m，层厚0.2 m～4.2 m。

②b2 粉质黏土:灰黄～灰褐色，可塑。局部夹少量黏土，含铁锰斑纹，切面稍有光泽，韧性、干强度中等。层顶埋深0.2 m～4.2 m，层厚0.2 m～8.7 m。

③a+b1－2 黏土、粉质黏土:褐黄～黄褐色，可～硬塑。含铁锰结核，切面稍有光泽，韧性、干强度中等。层底含少量风化岩碎屑物，局部区域底部夹少量卵砾石，含量小于5%。层顶埋深0.3 m～7.7 m，层厚0.4 m～6.8 m。

K2c－2 强风化泥质粉砂岩:砖红色，风化强烈，呈密实砂土状，层底局部夹中风化岩碎块，遇水易软化，岩体基本质量等级分类为Ⅴ级。层顶埋深1.0 m～11.2 m，层厚0.2 m～4.1 m。

K2c－3 中风化泥质粉砂岩:砖红色，为软岩～极软岩。泥质胶结，岩体较完整，少量闭合裂隙发育，局部区域层顶岩体稍破碎，遇水易软化。岩体基本质量等级分类主要为Ⅳ～Ⅴ级。层顶埋深2.1 m～12.5 m，未钻穿。

3 岩石地基承载力试验

该工程基础采用人工挖孔桩，桩端持力层选择K2c－3 层中风化泥质粉砂岩，桩端嵌入中风化岩层。为了准确确定该持力层地基承载力，进行了室内饱和单轴抗压强度试验以及现场岩石地基载荷试验。

3.1 岩石地基载荷试验原理

岩石地基载荷试验，是通过测定岩基在不同的受荷状态(慢速加载)下的变形特征，即岩基受荷情况下的应力－应变关系，采用一定的方法(规范、规程规定)分析、评价岩基的承载力水平，它是目前较可靠且应用较广泛的方法。试验时，利用压重平台反力装置，采用油压千斤顶加载，通过传力柱将荷载传给承压板下岩基，用连于千斤顶的油压表测定油压，根据千斤顶率定曲线换算荷载。沉降采用百分表量测，通过对荷载–沉降曲线的分析，确定岩基承载力特征值。

根据设计的桩基础型式，判断桩端持力层有一定的埋深，因此选择深层平板载荷试验模拟桩端实际工作状态。本试验采用的加载装置为2 000 kN静载试验反力架，混凝土配重块作为荷载。基准梁采用两根长度为12.0 m的槽钢，对称安置在刚性传力柱两侧，传力柱端部对称安置2 个沉降测点，用磁性表座将2个量程为50 mm百分表固定在基准梁中部。本次试验采用Φ300 mm、厚50 mm的刚性承压板，承压板面积为0.07 m2，传力柱采用钢管，加载时已考虑管柱重量。加载装置采用的压重－反力梁体系由2 个钢托架及一片钢结构梁组成，试验用千斤顶加载。试验装置如图1 所示。

图1 深层平板载荷试验装置示意图

试验时，配重物一次性加上，并均匀稳固地放置于平台上。试验点(孔)底部安放合适的刚性承压板，承压板与传力柱联接一体，传力柱露出地面，在其上放一块钢轨束，在钢轨束上安置100 t油压千斤顶一台。加载时，由平放于传力柱顶面中心的千斤顶出力，将反力传递给钢梁及平台上的配重物。加载采用慢速维持荷载法，具体加载与卸载历时如表1 所示。

试验加载及卸载历时表 表1

3.2 岩石饱和单轴抗压强度试验

本法采用天然状态下的岩石圆柱体试件的抗压强度来评定岩石强度。试样采用圆柱体试件，其直径为50 mm ±2 mm，每组试件共6 个。用游标卡尺量取试件尺寸(精确至0.1 mm)，在试件顶面和底面分别测量两个相互正交的直径，并以其各自的算术平均值分别计算底面和顶面的面积，取其顶面和底面面积的算术平均值作为计算抗压强度所用的截面积。将试件置于压力机的承压板中央，对正上、下承压板，不得偏心。以0.5 MPa/s～1.0 MPa/s的速率进行加荷直至破坏，记录破坏荷载及加载过程中出现的现象。抗压试件试验的最大荷载记录以N 为单位，精度1.0%。

岩石单轴天然抗压强度按下式进行计算确定:

式中，Rc，P 分别岩石天然抗压强度(MPa)、试件破坏时的荷载(N)，A 为垂直于加荷方向的试件截面面积(mm2)。

岩体中褶皱、断层、层理及节理等非连续面的存在，使得岩石成为一种非均匀性材料，内部强度差异显著。岩石内部含有大量孔隙和微裂隙，岩石的许多力学特征亦发生了改变。因此单轴抗压强度要根据试验结果，采用平均值、标准差、变异系数及统计修正系数进一步计算确定其单轴抗压强度标准值，计算如下:

式中，frk，frm分别为岩石饱和单轴抗压强度标准值(MPa)及岩石饱和单轴抗压强度平均值(MPa)，ψ为统计修正系数，n 为试验试样个数，δ 为变异系数。

4 试验结果与分析

为了深入分析南京江宁某场地泥质粉砂岩的力学状态，进一步确定其地基承载力规律，本次试验共在该岩层取7 个完整的岩样进行单轴饱和试验，在该场地不同位置选取7 个点进行人工挖孔桩孔底深层平板载荷试验，其中深层平板载荷试验点依次编号为1#孔～7#孔。

4.1 室内饱和单轴抗压强度试验结果分析

试验结果统计分析表明，南京江宁该场地泥质粉砂岩饱和单轴抗压强度主要分布在2.85 MPa～4.98 MPa之间，且明显集中在3.5 MPa～4.5 MPa 之间;然而岩土的干燥抗压强度主要分布在5.24 MPa～16.2 MPa之间，明显集中在7.0 MPa～9.0 MPa之间，而且离散性大于饱和单轴抗压强度。按照岩石坚硬程度的划分标准，该中风化泥质粉砂岩属于软岩、极软岩类。室内试验结果统计如表2 所示。

室内岩石试验结果表 表2

岩石单轴抗压强度试验具有操作简单、周期短、成本低的优点，是目前确定岩石地基承载力应用最广泛的一种方法。文献［7］在第5.2.6 条中明确规定:对完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值，可根据室内饱和单轴抗压强度按下式计算:

式中，fa为岩石地基承载力特征值(MPa);φr为折减系数，由地方经验确定，若无经验时，则完整岩体可取0.5，较完整岩体可取0.2～0.5，较破碎岩体可取0.1～0.2。

4.2 岩基载荷试验结果与分析

图2 为本次试验场地K2c－3 层中风化泥质粉砂岩地基载荷－沉降曲线(p－s 曲线)。由图2 可知p－s曲线均属于缓变型，比例界限载荷在p－s 曲线上均不明显。因此，难以依此确定岩石地基承载力的特征值。这反映出软质泥质粉砂岩地基在载荷作用下，其变形一开始就表现出明显的非线性特征。

图2 岩地基载荷－沉降曲线

表3 是现场载荷试验参数统计表，由表3 可以看出，试验最终加载值为8 250 kPa。由现场实测数据绘制的p－s 曲线，根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)附录H“岩基载荷试验要点”，综合分析:7 个试验点的p－s 曲线均呈缓变型，取试验最大加载加载值为8 250 kPa，是该试验点对应的岩基的承载力极限值，将承载力极限值除以3 的安全系数，所得值则为该岩石地基承载力特征值，故7 个点岩石地基承载力特征值均为2 750 kPa。综上所述，该工程岩基载荷试验对应的K2c－3 层中风化泥质粉砂岩承载力特征值为2 750 kPa。

表4 是深层载荷试验结构统计表，从表4 可以看出，K2c－3 层中风化泥质粉砂岩对应的最大沉降为12.85 mm～17.96 mm，反映出岩质较为致密，压缩性小，承载力较为稳定，是桩基础良好的持力。

试验参数统计表 表3

深层载荷试验结果统计表 表4

卸载试验所得回弹值均较小为 3.92 mm～5.31 mm，回弹率为25.7%～37.9%。这也进一步验证了软质岩石地基弹性变形阶段很短，其变形一开始就表现出弹塑性特征。由此表明，在进行软质板岩岩石地基承载力的理论计算或数值模拟时，采用非线性弹塑性本构关系更为合适。

5 结 论

试验结果表明，南京江宁地区的K2c－3 中风化泥质粉砂岩地基在载荷作用下，其变形一开始就表现出非线性特征，且卸载试验所获得的回弹值均亦较小。由此说明，该地区在进行中风化泥质粉砂岩地基承载力理论计算或数值模拟时，采用非线性弹塑性本构关系更为妥当。

按岩石饱和单轴抗压强度确定南京江宁区K2c－3中风化泥质粉砂岩地基的承载力远远低于岩石地基的实际承载力。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)提供的方法反算折减系数，得出南京市江宁区较完整的中风化泥质粉砂岩地基承载力的实际折减系数明显高于规范所提供的折减系数0.20～0.50，并达到了0.85。根据工程经验并为安全起见，建议最低可取0.50。

［1］彭柏兴，王星华．白垩系泥质粉砂岩岩基强度试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2005，24(15):2678～2682．

［2］向志群．对软质岩石地基承载力的一点新认识［J］．岩石力学与工程学报，2001，20(3):412～414．

［3］梁笃堂，黄质宏，曹小兵．某高层建筑软质岩石地基承载力的确定［J］．贵州工业大学学报·自然科学版，2006，35(6):70～73．

［4］李维树，黄志鹏，周火明等．基于P－R 相关性研究的岩石地基承载力优化取值［J］．岩土力学，2009，30(12):3700～3705．

［5］钱伟文，邓忠信，张信贵等．泥岩地基承载力的确定问题［J］．广西大学学报·自然科学版，2003，28(2):155～157．

［6］高文华，朱建群，张志敏等．软质岩石地基承载力试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2008，27(5):953～959．

［7］GB 50007－2011．建筑地基基础设计规范［S］．