軟質(zhì)巖巖石地基承載力確定方法與適用條件分析

曹建強(qiáng)

（貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550000）

貴陽市南部小河—翁巖—楊眉一帶北南走向貴陽向斜核部廣布侏羅系軟質(zhì)巖，該軟質(zhì)巖多為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)及泥質(zhì)膠結(jié)巖石，具遇水易軟化、曝曬易開裂、開挖揭露加劇風(fēng)化等特征，當(dāng)無現(xiàn)場試驗(yàn)成果時其地基承載力常通過規(guī)范公式計算及查表[1-4]取值確定。目前國家標(biāo)準(zhǔn)[1]、各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2-4]給出的巖石地基承載力計算公式、適用條件存在差異，導(dǎo)致巖石地基承載力特別是樁基礎(chǔ)地基承載力采用規(guī)范公式計算及查表時出現(xiàn)過大差異，這可能導(dǎo)致工程建設(shè)出現(xiàn)不經(jīng)濟(jì)或不安全應(yīng)用。本文以該區(qū)3個場地的泥巖為例，通過多種方法確定了軟質(zhì)巖在不同地基條件下的地基承載力，同時分析了不同方法的適用條件。

1 不同方法的地基承載力分析

本文分析的3個場地采用了淺層靜力平板載荷試驗(yàn)、嵌巖基樁自平衡法靜載試驗(yàn)[樁徑1.0m、分別嵌固2.4m（試樁1）5.0m（試樁2）6.0m（試樁3）]。

1.1 規(guī)范公式計算

常用的規(guī)范公式計算見式（1）～（3），為使各公式單位統(tǒng)一便于分析，對公式進(jìn)行對應(yīng)消除幾何量表達(dá)。

對于淺基礎(chǔ)地基承載力特征值[1]：

對于樁基礎(chǔ)嵌巖段地基承載力特征值[2]：

相關(guān)函數(shù)f（qpa,qra）=1/2ξrfrk。

對于樁基礎(chǔ)嵌巖段地基承載力允許值[3]：

對應(yīng)qpa=c1frk、qra=c2frk。

式中：ψr——折減系數(shù)，場地中風(fēng)化泥巖完整程度均為較完整，考慮不利組合按規(guī)范取ψr=0.2；

ξr——地基端阻與側(cè)阻綜合系數(shù)，對應(yīng)樁徑1.0m、分別嵌固2.4m、5.0m、6.0m，按規(guī)范分別取ξr1=1.29、ξr2=1.57、ξr3=1.63；

c1、c2——地基端阻與側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)，對應(yīng)樁嵌固段大于0.5m，按規(guī)范取c1=0.45、c2=0.03。

采用不同規(guī)范計算的3個場地內(nèi)地基承載力特征值如表1所示。

表1 規(guī)范公式計算的地基承載力特征值對比表

通過表1對照可知，按規(guī)范公式計算的地基承載力特征值有如下規(guī)律：一定埋深的樁基礎(chǔ)樁端阻力特征值是淺基礎(chǔ)地基承載力特征值的2.25倍。樁基礎(chǔ)嵌固深度與樁嵌固段承載力特征值呈非線性關(guān)系（見圖1），樁嵌固段承載力特征值的綜合值增加量隨基礎(chǔ)嵌固深度增加逐漸減小，說明樁基礎(chǔ)嵌固達(dá)到一定深度后樁嵌固段承載力特征值的綜合值將趨于一定值。

1.2 規(guī)范查表取值

常用的規(guī)范查表取值確定地基承載力特征值如表2[3-4]所示。

規(guī)范查表確定的地基承載力特征值為區(qū)間較大的范圍值，且無研究表明相同嵌固條件下地基承載力特征值與frk的變化呈線性關(guān)系，故在實(shí)際應(yīng)用中無法直接通過規(guī)范查表直接確定地基承載力特征值。

1.3 淺層靜力平板載荷試驗(yàn)

本文分析的3個場地采用了淺層靜力平板載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)中，對應(yīng)于壓力—沉降曲線起始直線段的終點(diǎn)為比例荷載，符合終止加載條件的前一級荷載為極限荷載，將極限荷載與安全系數(shù)的比值與對應(yīng)的比例荷載相比較，取小值為各檢測點(diǎn)的地基承載力特征值。淺層靜力平板載荷試驗(yàn)得到的地基承載力特征值如表 3所示。

圖1 樁嵌固段承載力特征值綜合值變化曲線圖

表2 規(guī)范查表確定的地基承載力特征值范圍值表

表3 淺層靜力平板載荷試驗(yàn)成果表

淺層靜力平板載荷試驗(yàn)表明，比例荷載略大于極限荷載與安全系數(shù)的比值，對于淺基礎(chǔ)通過試驗(yàn)既確保了地基的安全又能充分挖掘地基承載能力。

1.4 基樁自平衡法靜載試驗(yàn)

本文分析的場地3采用基樁自平衡法靜載試驗(yàn)確定嵌巖樁的端阻力和側(cè)阻力。按2倍預(yù)估荷載10級分級加載，試樁1（嵌固2.4m）在荷載加至2×2400kN上部樁向上位移出現(xiàn)突變，上部樁被抬起，側(cè)阻力發(fā)揮至極限，取前一級加載值2100kN為極限側(cè)阻力；下部樁向下位移較小，未出現(xiàn)突變，端阻力未發(fā)揮至極限。試樁2（嵌固 5.0m）、3（嵌固6.0m）在荷載分別加至 2×2400kN、2×3000kN時向下位移急劇增加并出現(xiàn)陡降，荷載無法穩(wěn)定，端阻力發(fā)揮至極限，分別取前一級加載值2100kN、2700kN為極限端阻力；上部樁位移未出現(xiàn)突變未被抬起，側(cè)阻力未發(fā)揮至極限。

不同規(guī)范對于單樁豎向承載力特征值Ra的公式表達(dá)雖有區(qū)別，但總體表述含義基本相同，根據(jù)1.1節(jié)各規(guī)范計算公式可以得到式（4）。

根據(jù)上述試驗(yàn)情況，按下式根據(jù)試樁1的試驗(yàn)成果計算地基側(cè)阻力特征值，根據(jù)試樁2、3的試驗(yàn)成果計算地基端阻力特征值，分別計算各試樁的單樁豎向承載力特征值。

試樁1：qra=133kPa；

試樁2：qpa=1337kPa，Ra=3137kN；

試樁3：qpa=1719kPa，Ra=3855kN。

通過基樁自平衡法靜載試驗(yàn)，確定了樁基礎(chǔ)嵌固段地基側(cè)阻力特征值與端阻力特征值。隨著樁基礎(chǔ)嵌固深度的增加側(cè)阻力發(fā)揮增加、地基端阻力特征值逐漸增大、單樁豎向承載力特征值逐漸增大。

2 不同方法的地基承載力對比分析

將利用巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體完整性計算的淺基礎(chǔ)地基承載力特征值fa與淺層地基靜力平板載荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，將利用巖石單軸抗壓強(qiáng)度計算的嵌巖樁地基端阻力特征值qpa、側(cè)阻力特征值qra與基樁自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，將利用巖石單軸抗壓強(qiáng)度計算的嵌巖樁單樁豎向承載力特征值Ra與基樁自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，分別根據(jù)式（2）、（3）計算場地3個試樁的單樁豎向承載力特征值Ra。不同方法確定的泥巖承載力對比如表4所示。

表4 不同方法確定的泥巖承載力對比表

通過不同方法的地基承載力對比可知，根據(jù)巖石完整程度利用規(guī)范公式計算的淺基礎(chǔ)地基承載力特征值fa與淺層靜力平板載荷試驗(yàn)結(jié)果基本一致，但高于規(guī)范查表值。利用規(guī)范公式計算的樁基礎(chǔ)端阻力特征值qpa為固定值，當(dāng)樁基礎(chǔ)嵌固深度為5m時，其與基樁自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果接近但略低，其值接近規(guī)范查表范圍值的中值；隨著嵌固深度的增加，其明顯低于基樁自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果，基樁自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果超出規(guī)范查表范圍值的大值。利用規(guī)范公式計算的樁基礎(chǔ)側(cè)阻力特征值qra小于基樁自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果，基樁自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果接近規(guī)范查表范圍值的大值?；鶚蹲云胶夥o載試驗(yàn)得出的單樁豎向承載力特征值Ra明顯高于利用2種規(guī)范公式的計算結(jié)果。

3 地基承載力確定方法的適用性分析

對于埋深較小的淺基礎(chǔ)地基破壞型式為剪切破壞，對于嵌固深度大于1倍樁徑的樁基礎(chǔ)地基型式為刺入破壞[5-6]。

根據(jù)上述已有研究理論結(jié)合本文第2章分析，當(dāng)軟質(zhì)巖地基承載力無現(xiàn)場試驗(yàn)成果時，可按以下適用條件，通過規(guī)范公式計算、規(guī)范查表確定：

（1）在準(zhǔn)確判定巖石完整性的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)巖石完整程度利用規(guī)范公式計算淺基礎(chǔ)地基承載力特征值fa。

（2）對于嵌固深度小于1倍樁徑的樁基礎(chǔ)，可視為淺基礎(chǔ)確定地基承載力特征值fa。

（3）對于嵌固深度大于1倍樁徑、嵌固深度約小于5m的樁基礎(chǔ)，其端阻力特征值qpa可通過公式（3）計算確定。

（4）對于嵌固深度略大于5m的樁基礎(chǔ)，其端阻力特征值qpa可通過規(guī)范查表[4]取范圍值的上線值確定。

（5）嵌入軟質(zhì)巖的樁基礎(chǔ)，其側(cè)阻力特征值qra采用各種方法得出的值均較小，在工程應(yīng)用中該值對工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)影響較小，從工程建設(shè)的安全性角度出發(fā)，建議通過規(guī)范查表[4]取范圍值的中值確定。

根據(jù)本文圖1結(jié)合規(guī)范公式（2）計算[2]推斷，樁基礎(chǔ)嵌固達(dá)到一定深度后單樁豎向承載力特征值將趨于一定值。樁基礎(chǔ)地基承載力具隨嵌固深度的增加端阻力逐漸收斂、側(cè)阻力逐漸發(fā)揮特性。根據(jù)端阻力特征值qpa與側(cè)阻力特征值qra分別乘以對應(yīng)幾何量求和計算單樁豎向承載力的計算方法以樁基礎(chǔ)端阻力、側(cè)阻力均能最大發(fā)揮為前提，對于嵌固深度大于上述范圍較大及工程重要性等級較高的樁基礎(chǔ)，這種計算方法偏于不安全，應(yīng)通過現(xiàn)場基樁試驗(yàn)確定單樁豎向承載力。

[1]GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[2]JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[3]JTG D63-2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[4] JGJ 72-2004高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[5] 李丹,余郭志,王吉霖,等.基于相似模型試驗(yàn)的淺基礎(chǔ)地基破壞機(jī)理研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,17（9）:272-278.

[6] 胡幼常.大型群樁基礎(chǔ)地基破壞性狀研究[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報,1995,28（6）:690-693.