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?，F(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)的單軸極限抗壓強度確定蘭州風(fēng)化砂巖嵌巖樁豎向極限承載力標準值的方法。

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3～6m。

第三系風(fēng)化砂巖為棕紅、肉紅、磚紅色，以細砂巖為主，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)化程度劃分標準、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)準確的定量分析方法和標準，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。同時，物理力學(xué)性質(zhì)指標受風(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，強風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)指標值見表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度，而飽和狀態(tài)抗壓強度很小，軟化系數(shù)極小；單軸應(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，達到應(yīng)變的90%時轉(zhuǎn)為塑性變形；隨圍壓增大，破壞強度隨之增大，圍壓越大，不同狀態(tài)的破壞強度差異減小，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 強風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)指標表

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準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準值；

Qsk、Qrk——土總極限側(cè)阻力標準值、嵌巖段總極限阻力標準值；

frk——巖石飽和單軸抗壓強度標準值。

《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)單軸抗壓強度標準值 frkt為1200kPa、飽和狀態(tài)單軸抗壓強度標準值 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準值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準值，對蘭州地區(qū)強、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度標準值采用天然狀態(tài)的單軸極限抗壓強度標準值。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)的單軸極限抗壓強度標準值。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)的單軸極限抗壓強度標準值。

按以上2種方法計算嵌巖樁單樁豎向極限承載力標準值、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、遇水后強度迅速降低等特點。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)的抗壓強度或相應(yīng)圍壓三軸試驗強度評價樁端阻力。

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、準確定量指標參數(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。