成 莞 莞

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402)

1 引 言

在巖土工程勘察、設(shè)計(jì)中，地基承載力通常以室內(nèi)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行一定量的折減，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)綜合確定.目前，工程設(shè)計(jì)中普遍按規(guī)范中“無經(jīng)驗(yàn)時(shí)”的折減系數(shù)取值，取值偏小，且對(duì)于軟質(zhì)巖石，尤其是極軟巖而言，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果影響因素較多，往往會(huì)難以反應(yīng)其客觀強(qiáng)度，從而造成取值保守，使構(gòu)筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案復(fù)雜化，工程成本大幅度提高，造成一定的浪費(fèi).合理確定軟質(zhì)巖石的承載能力是確定構(gòu)筑物基礎(chǔ)類型和優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的重要依據(jù).因此合理確定軟質(zhì)巖的地基承載力，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)起來主要有原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)類比法等三大類.其中常用的適合于軟質(zhì)巖石的原位試驗(yàn)方法主要有淺層平板載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)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(yàn)

淺層平板載荷試驗(yàn)一般采用堆載法，由工字鋼搭建成堆載平臺(tái)，在上面均勻堆放預(yù)制水泥塊，構(gòu)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(yīng)一次備齊并不應(yīng)小于預(yù)計(jì)極限荷載的1.2倍.淺層平板的沉降變形，通過兩只對(duì)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(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)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(duì)試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)每個(gè)點(diǎn)的Pi、∑Si的關(guān)系進(jìn)行擬合修正，整理得出各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的p-s、s-lgp曲線.根據(jù)所的曲線進(jìn)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(yàn)示意圖

2.2 旁壓試驗(yàn)

旁壓試驗(yàn)是在鉆孔中對(duì)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(guān)系，求取地基土的變形模量、承載力等力學(xué)參數(shù)的一種原位試驗(yàn)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(hào)Nx型(Φ70 mm)，外徑70 mm，固有腔體積(Vc)790 cm3，預(yù)鉆式成孔，直徑ψ75 mm，該儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確，試驗(yàn)壓力高的優(yōu)點(diǎn).

將野外測取的旁壓試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)P-V圖如圖2所示，可分為三個(gè)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(guān)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(dāng)于初始水平壓力P0，Ⅱ～Ⅲ段的界限壓力相當(dāng)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(yàn)P-V曲線示意圖

使用旁壓試驗(yàn)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(yàn)確定.

對(duì)于一般土宜采用臨塑荷載法；對(duì)旁壓試驗(yàn)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(qiáng)度法

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)[9-10]中規(guī)定：對(duì)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(yàn)確定；對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；

ψr—折減系數(shù).根據(jù)巖體完整程度以及結(jié)構(gòu)面的間距、寬度、產(chǎn)狀和組合，由地方經(jīng)驗(yàn)確定.無經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)完整巖體可取0.5；對(duì)較完整巖體可取0.2～0.5；對(duì)較破碎巖體可取0.1～0.2.

使用單軸飽和抗壓強(qiáng)度確定地基承載力存在兩個(gè)問題：①由于裂隙的存在，巖體強(qiáng)度肯定低于巖塊強(qiáng)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(jì)算方法顯然是比較粗糙的；②單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)圍壓為0，而在地基中巖體為三項(xiàng)應(yīng)力條件下的豎向壓縮，該法偏于安全.因構(gòu)筑物基礎(chǔ)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(qiáng)，因此在工程上得以廣泛應(yīng)用.但對(duì)于承載力要求較高的建筑物和構(gòu)筑物，可能會(huì)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(duì)比讀取各測點(diǎn)同一相位正反相波形的極值時(shí)間，求其算術(shù)平均值，并對(duì)其進(jìn)行垂直校正，繪制出垂直時(shí)距曲線圖，然后計(jì)算出各波速地層的剪切波速度和縱波速度，并據(jù)此進(jìn)行巖土體動(dòng)泊松比、動(dòng)彈性模量和動(dòng)剪切模量的計(jì)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(xué)性質(zhì)相關(guān)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[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(jì)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(jì)[12]

2.5 規(guī)范經(jīng)驗(yàn)類比法

軟質(zhì)巖石在我國廣泛分布，在軟質(zhì)巖石地區(qū)開展了大量的工程建設(shè)，積累了不少工程經(jīng)驗(yàn)，因此在很多地方規(guī)范中均給出了軟質(zhì)巖石地基承載力的經(jīng)驗(yàn)取值，比較常見的有《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ32/J 12-2005)[13]以及《廣西建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)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(fēng)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(yàn)、旁壓試驗(yàn)、剪切波速試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等，進(jìn)行各方法的成果對(duì)比.對(duì)比結(jié)果見表4所示：

表4 泥巖地基承載力匯總分析表

結(jié)果對(duì)比分析如下：

(1)針對(duì)全風(fēng)化泥巖，平板載荷試驗(yàn)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(dòng)較小，試驗(yàn)值更接近于實(shí)際值.旁壓試驗(yàn)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(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖，剪切波速法確定的地基承載力與規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值基本一致，平板載荷試驗(yàn)法和旁壓試驗(yàn)法確定的地基承載力值均要偏大；

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

(4)各種試驗(yàn)方法對(duì)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(jié) 論

本文以泥巖為例，通過多種方法對(duì)不同風(fēng)化程度軟質(zhì)巖石的承載力確定方法進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比研究，得到的主要結(jié)論如下：

(1)淺層平板載荷試驗(yàn)是確定全～強(qiáng)風(fēng)化軟巖地基承載力的可靠方法，其試驗(yàn)值更接近于巖土體的實(shí)際情況，且應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較多，對(duì)于重大項(xiàng)目而言，是必不可少的手段；

(2)旁壓試驗(yàn)適用于確定全～強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖石地基承載力，但旁壓試驗(yàn)獲取的承載力特征值偏大，可靠性差，應(yīng)用效果一般，需要進(jìn)一步探索研究；

(3)剪切波速查表法適用于確定各級(jí)風(fēng)化程度的軟質(zhì)巖石地基承載力，并且具有操作簡便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的推廣價(jià)值；但其屬于工程經(jīng)驗(yàn)法，需要結(jié)合實(shí)際地層情況及附近工程經(jīng)驗(yàn)確定，可作為參考，對(duì)于重大項(xiàng)目不可作為單獨(dú)的承載力值確定方法；

(4)單軸抗壓強(qiáng)度法是規(guī)范推薦方法，適用于確定中～弱風(fēng)化軟質(zhì)巖石地基承載力，但受節(jié)理裂隙影響，其具有試驗(yàn)值離散性大的缺點(diǎn)；當(dāng)采取這種方法獲取泥巖或其他軟巖的承載力特征值時(shí)，取樣、運(yùn)輸過程中對(duì)巖芯的密封和保護(hù)以及從取樣到試驗(yàn)的時(shí)效性均十分重要，否則可能影響最終試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.