蘭州地區(qū)風(fēng)化砂巖嵌巖樁豎向承載力的確定

張森安，項龍江，魏永孝，李曉龍

（甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院，甘肅蘭州730000）

蘭州地區(qū)風(fēng)化砂巖嵌巖樁豎向承載力的確定

張森安*，項龍江，魏永孝，李曉龍

（甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院，甘肅蘭州730000）

蘭州風(fēng)化砂巖是一種極軟質(zhì)巖石，為蘭州地區(qū)廣泛分布的基巖。越來越多的高、大、重建筑物與橋梁等重要建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)以風(fēng)化砂巖為持力層。現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程對其工程特性評價與工程實踐測試成果有較大的差異，同時對蘭州地區(qū)風(fēng)化砂巖的嵌巖樁未有適宜的定量分析方法和相應(yīng)研究成果。通過試驗和工程實踐，提出采用天然狀態(tài)的單軸極限抗壓強(qiáng)度確定蘭州風(fēng)化砂巖嵌巖樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的方法。

風(fēng)化砂巖；嵌巖樁；豎向承載力

1 概述

蘭州地區(qū)第三系風(fēng)化砂巖分布廣泛，在山谷地帶，主要出露于黃河北岸的羅鍋溝、李麻溝、大砂溝、沙井驛以北與城關(guān)區(qū)南部溝谷中；在河谷地帶，除新城盆地外，城關(guān)區(qū)、七里河—安寧堡、西固盆地下伏均為紅色第三系風(fēng)化砂巖。第三系風(fēng)化砂巖為黃河各級階地的基座，上覆第四系粉土、卵石等松散地層，埋深5～20m，隨階地增加埋深增大，在高階地，其埋深可達(dá)30m。區(qū)域第三系風(fēng)化砂巖層面起伏較小，由于受沖溝等條件的影響，局部場地其層面高差可達(dá)3～6m。

第三系風(fēng)化砂巖為棕紅、肉紅、磚紅色，以細(xì)砂巖為主，與粉、中、粗砂巖交錯沉積。粒狀結(jié)構(gòu)，以泥質(zhì)膠結(jié)為主。風(fēng)化砂巖易擾動，暴露后易風(fēng)化，遇水后強(qiáng)度迅速降低，發(fā)生崩解。在建（構(gòu)）筑物基坑及樁孔中，風(fēng)化砂巖與松散砂層的狀態(tài)無異，風(fēng)化砂巖的工程特性引起各個專業(yè)技術(shù)人員重視和關(guān)注；按現(xiàn)行的規(guī)范以風(fēng)化砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度確定樁豎向承載能力與樁載荷試驗的成果具有很大的差異；同時，風(fēng)化砂巖試驗過程、取樣方法及試驗條件等因素影響，不易獲得可靠的試驗成果。

由于風(fēng)化砂巖缺乏統(tǒng)一的風(fēng)化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)、相適應(yīng)的評價方法和手段，風(fēng)化砂巖的工程特性評價未有適合本地區(qū)準(zhǔn)確的定量分析方法和標(biāo)準(zhǔn)，不同的勘察單位與技術(shù)人員評價均具有隨意性和經(jīng)驗性。在重要建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)以風(fēng)化砂巖為持力層，特別是重要建（構(gòu)）筑物采用以風(fēng)化砂巖為持力層嵌巖的樁基礎(chǔ)引起結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的擔(dān)心。

本文通過試驗和工程實踐，對風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)與樁載荷試驗成果進(jìn)行分析對比，提出蘭州風(fēng)化砂巖嵌巖樁的豎向承載力的確定方法，定量評價其豎向承載力，以避免蘭州風(fēng)化砂巖地基在工程中評價的隨意性和經(jīng)驗性。

2 風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)

蘭州地區(qū)風(fēng)化砂巖是極軟質(zhì)巖石，以成巖作用差、巖相變化大、膠結(jié)差、遇水崩解為特點(diǎn)。同時，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)受風(fēng)化程度、賦存條件、巖相、試驗方法等因素影響，使各指標(biāo)值有較大差異。在蘭州地區(qū)各個地貌單元的地段采取試樣及原位測試，強(qiáng)風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值見表1。

風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)表明：在干燥狀態(tài)下具有較高的抗壓強(qiáng)度，而飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度很小，軟化系數(shù)極?。粏屋S應(yīng)力—應(yīng)變曲線近似為塑彈塑型，開始為其巖石的結(jié)構(gòu)、裂隙壓密變形，隨即轉(zhuǎn)為彈性變形，達(dá)到應(yīng)變的90%時轉(zhuǎn)為塑性變形；隨圍壓增大，破壞強(qiáng)度隨之增大，圍壓越大，不同狀態(tài)的破壞強(qiáng)度差異減小，軟化系數(shù)減小。

通過載荷試驗成果分析，蘭州地區(qū)第三系風(fēng)化砂巖具有穩(wěn)定和可靠工程性質(zhì)，其地基具有較高的承載能力和很小沉降變形。

表1 強(qiáng)風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

3 嵌巖樁評價方法及風(fēng)化砂巖嵌巖樁試驗

3.1 嵌巖樁評價方法

對嵌巖樁承載力確定評價方法有計算和樁載荷試驗兩種方式。其具體有：

（1）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007-2011）樁基單樁豎向承載力特征值計算和樁載荷試驗確定方法為：

初步設(shè)計時：

式中：Ra——單樁豎向承載力特征值；

qpa、qsia——樁端阻力、樁側(cè)阻力特征值。

單樁載荷試驗：載荷—沉降曲線陡降明顯、取陡降段起點(diǎn)荷載值；載荷—沉降曲線呈緩變型，取樁頂沉降量40mm所對應(yīng)的荷載值。

（2）《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）嵌巖樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算和樁載荷試驗確定方法為：

式中：Quk——單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qsk、Qrk——土總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、嵌巖段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

frk——巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2008）單樁載荷試驗：陡降型載荷—沉降曲線取陡降起始點(diǎn)荷載值；緩變型載荷—沉降曲線取樁頂沉降量40～60mm所對應(yīng)的荷載值，大直徑樁取樁頂沉降量0.03～0.06D。

3.2 風(fēng)化砂巖嵌巖樁試驗

3.2.1 風(fēng)化砂巖嵌巖樁樁載荷試驗

蘭州風(fēng)化砂巖嵌巖樁樁型多為鉆孔灌注樁，建筑工程樁徑多為0.8～1.0m。對蘭州風(fēng)化砂巖嵌巖鉆孔灌注樁的摩擦端承樁與摩擦樁進(jìn)行對比樁載荷試驗，其典型對比樁的樁結(jié)構(gòu)見圖1。

3.2.2 對比樁載荷試驗成果

樁徑為?800mm典型對比樁載荷試驗結(jié)果及試驗曲線見表2、圖2。

表2 典型對比樁載荷試驗成果表

圖1 試驗樁結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 摩擦樁與摩擦端承樁載荷試驗曲線

表3 規(guī)范與試驗確定嵌巖樁豎向承載力Quk對比表

4 風(fēng)化砂巖嵌巖樁豎向承載力確定

4.1 風(fēng)化砂巖嵌巖段總極限阻力確定

試驗場地中風(fēng)化砂巖天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 frkt為1200kPa、飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 frk為600kPa，按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）與典型對比樁載荷試驗結(jié)果確定嵌巖段總極限側(cè)阻力Qsk、總極限端阻力Qrk見表3。

通過?800mm鉆孔灌注樁典型對比樁載荷試驗結(jié)果可見：樁載荷試驗較按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）計算總極限端阻力Qrk大6倍以上；風(fēng)化砂巖嵌巖樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk大近2.5倍。

4.2 風(fēng)化砂巖嵌巖樁豎向承載力確定

根據(jù)典型對比樁載荷試驗與蘭州風(fēng)化砂巖各狀態(tài)單軸極限抗壓強(qiáng)度、地基載荷試驗結(jié)果對比分析基礎(chǔ)上，蘭州風(fēng)化砂巖嵌巖樁豎向承載力采用以下方法確定：

（1）極限抗壓強(qiáng)度。按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）確定嵌巖樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，對蘭州地區(qū)強(qiáng)、中風(fēng)化程度砂巖計算Qrk、Qsk嵌巖段總極限端阻力、總極限側(cè)阻力其巖石單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值采用天然狀態(tài)的單軸極限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。按下式計算：

式中：Qskt、Qrk——嵌巖段總極限側(cè)阻力、總極限端阻力；frkt——天然狀態(tài)的單軸極限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。ζs取值0.30～0.50。

（2）地基承載力特征值。按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007-2011）公式（1）確定嵌巖樁單樁豎向承載力特征值，樁端阻力qpa采用可風(fēng)化砂巖地基深度修正后承載力特征值；樁端阻力qpa、嵌巖段樁側(cè)阻力特征值qsia。按下式計算：

式中：fak——風(fēng)化砂巖承載力特征值；

frkt——天然狀態(tài)的單軸極限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

按以上2種方法計算嵌巖樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值、嵌巖樁單樁豎向承載力特征值與工程樁的樁載荷試驗進(jìn)行對比，其結(jié)果見表4，工程樁的樁載荷試驗成果曲線見圖3。

5 結(jié)語

蘭州地區(qū)廣泛分布的第三系風(fēng)化砂巖是一種半成巖的極軟質(zhì)巖石，主要為泥質(zhì)膠結(jié)，成巖程度低，膠結(jié)作用差；風(fēng)化砂巖易擾動、易風(fēng)化、易崩解、遇水后強(qiáng)度迅速降低等特點(diǎn)。風(fēng)化砂巖嵌巖樁具有很高的豎向承載力，是樁基良好持力層。

蘭州地區(qū)的第三系風(fēng)化砂巖具有特殊工程特性，不易獲取準(zhǔn)確飽和狀態(tài)試驗成果，采用規(guī)范方法與樁載荷試驗確定單樁承載力具有很大差異。通過實際工程的試驗對比分析，采用本文提出的天然狀態(tài)的單軸極限抗壓強(qiáng)度計算方法應(yīng)用工程中，其結(jié)果與風(fēng)化砂巖嵌巖樁樁載荷試驗成果基本相符。采用天然狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度或相應(yīng)圍壓三軸試驗強(qiáng)度評價樁端阻力。

不足是樁載荷試驗與砂巖不同方法試驗參數(shù)相互對比資料相對較少，需積累更多對比資料，以期獲得適宜方便、準(zhǔn)確定量指標(biāo)參數(shù)。

表4 計算與試驗確定嵌巖樁豎向承載力Quk對比表

圖3 工程樁載荷試驗曲線

TU473.1

A

1004-5716(2015)08-0184-04

2014-08-21

張森安（1963-），男（漢族），陜西蒲城人，教授級高級工程師，現(xiàn)從事巖土工程技術(shù)工作。