關于泥巖力學指標選用的探討

車殿國

(黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

關于泥巖力學指標選用的探討

車殿國

(黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

白堊系及第三系泥巖作為極軟巖，是介于“巖”和“土”之間的一類巖土體，其工程特性特殊，相關規范規程對其力學指標的選用模糊，給工程設計力學參數的選用帶來困惑。是在收集國內相似地質區域的工程樁基靜載荷試驗、平板載荷試驗等相關實測數據的基礎上，對該類巖石的力學指標進行分析總結，發現現行相關國家(行業)規范、規程中取值明顯偏于保守，給工程造成較大的浪費。經大量工程實測資料數據的統計分析，提出了泥巖在不同狀態下的承載力、側摩阻力更合理的取用范圍，為類似地質條件下的工程設計提供參考。在確保工程質量的基礎上，更好的降低工程造價提高經濟效益。

泥巖；樁基靜載荷試驗；平板載荷試驗；承載力；樁側摩阻力

1 國內關于泥巖力學指標的取值現狀

目前巖石地基的力學指標常用的確定方法有3種：(1)實測取值法，以原位載荷試驗最為穩定可靠；(2)計算取值法，依據室內試驗成果(單軸抗壓強度)來折算，結果相互之間差異較大；(3)經驗取值法，通過查表來確定。由于工程人員的經驗和素質不同，往往會產生不同的認知，取值具有隨意性、不確定性。

泥巖在成因上不同于一般的硬巖與土，它的性質與兩者也存在著較大的區別，所以確定泥巖地基的力學指標也將有別于硬巖與土。縱觀國內各種國家及行業巖土勘察規范，都沒有對泥巖的摩阻力的取值問題進行明確的說明，同時對于泥巖地區的深基礎(樁基)承載力的計算也沒有明確統一計算方法。如何確定泥巖的力學參數以及泥巖地區樁基承載力的計算模式的探討對工程建設質量和提高經濟效益至關重要。

現行標準對極軟巖(泥巖)地基承載力的相關規定如下。

(1)《工程巖體分級標準》(GB/T 50218-2014)表5.2.6-1中對極軟巖(Ⅴ)承載力基本值規定為f0≤0.5 MPa。

(2)《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)第5.2.6條規定如下：承載力特征值fa=ψr．frk，ψr為折減系數。無經驗時，對完整巖體可取0.5，對較完整巖體可取0.2～0.5。對于黏土質巖可采用天然濕度試樣，不進行飽和處理。

(3)《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)對于較軟弱巖石承載力取值為(0.1～0.2)Rc。

(4)《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63-2007)對極軟巖地基承載力容許值fa0規定如表1所示。

表1 極軟巖地基承載力容許值

在上述規范規程中均未對極軟巖(泥巖)的側阻力如何取值進行說明。

2 現行規定在工程應用中存在的問題

《工程巖體分級標準》(GB 50218—2014)條文說明中指出：目前國內外有關規范確定地基承載力，大多以評估方法為主，較偏于安全。近年來國內泥巖地區許多大型工程的建設，特別是在泥巖地區采用樁基設計的工程項目中，究竟按嵌巖樁考慮還是按摩擦樁考慮，選用泥巖地基的力學參數不同，往往造成單樁承載力差異巨大，從而使基礎工程造價上產生很大變化。

(1)據所收集國內白堊系、第三系泥巖室內單軸抗壓強度資料顯示，絕大多數在0.3～1.5 MPa之間，而按《建筑地基基礎設計規范》規定的方法計算泥巖地基承載力大多在0.5 MPa以下，而且多數在0.2～0.4 MPa之間，這樣的估值范圍也符合其他規范相關的規定。而在《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63—2007)中，我們對老黏土的承載力基本容許值取值范圍認定為0.38～0.62 MPa，對一般性黏土地基承載力基本容許值取值范圍認定為0.1～0.45 MPa，相比較而言作為“巖石”類的泥巖，承載力是否顯得“軟弱”得過于離奇呢？

國內有學者分析產生上述結果的原因有二：①泥巖抗壓強度指標失真。所取得的巖芯在外在作用下，強度大大降低，與原巖抗壓強度不符；②樁端持力層實際為巖體，巖體強度不僅取決于巖塊的強度，亦受巖體的結構面控制。泥巖大多完整，少有裂隙發育，而計算上采用折減系數，顯然沒有充分反映該類軟巖的工程特性。

(2)在國內若干泥巖樁基靜載荷試驗顯示，泥巖鉆孔灌注樁和挖孔樁樁側摩阻力所占比例巨大，所承擔的承載力約占單樁承載力的50%～90%，特別是鉆孔灌注樁往往發生的是“刺入破壞”，說明泥巖地層中的樁實際工作性狀更接近于摩擦樁，如果僅是簡單的按端承樁考慮，由于泥巖極低的承載力勢必會造成嵌入泥巖過深，造成巨大的浪費。

(3)目前確定泥巖地基承載力的勘察方法包括室內土工試驗和原位測試，主要有單軸抗壓強度試驗、三軸剪切試驗；標準貫入試驗、平板載荷試驗、旁壓試驗、波速試驗等。國內許多單位在泥巖地區做了大量相關測試工作，不同的測試方法所獲取的力學參數差距甚大，通過大量數據的對比分析，旁壓試驗與靜載荷試驗結果具有較好的一致性，兩種方法確定的地基承載力更為切合實際。

3 泥巖區地基承載力的確定

泥巖地基的承載力受多種因素影響，比如風化程度、埋深、圍壓、含水量變化、試驗方法及依據標準的差異等，使得工程技術人員在確定承載力問題上存在很大差異，因此如何合理確定不同地區、年代、不同巖性特征的泥巖地基的承載力，采用何種計算公式、計算參數、勘察手段，是一項值得深入研究的工作。

由于現行規范所提供的泥巖承載力與實際情況相比普遍偏低這一事實，通過大量的實地測試結論對比分析認為采用平板載荷試驗及旁壓試驗，或在大型工程中采用樁基靜載荷試驗所獲得的承載力參數更貼近真實的泥巖特征，而僅憑泥巖單軸抗壓強度來計算所取得的承載力則明顯偏低。

表2是彭海華收集的某地區15個工程的79個點泥巖淺層平板載荷試驗統計結果，表3、表4分別為廣西某工程深層平板載荷試驗情況簡表。

表2 泥巖區某工程淺層平板載荷試驗測試成果表 /kPa

表3 泥巖區某工程深層平板載荷試驗測試成果表

表4 泥巖區某工程深層平板載荷試驗測試成果表

從上述試驗結果分析得出的結論有以下3點。

(1)場地巖相的變化使得承載力有相應的變化；

(2)泥巖受水浸泡后強度顯著降低，粉砂質泥巖降低幅度更明顯；

(3)以泥巖極限承載力的1/2作為泥巖承載力特征值，其范圍在400～2 500 kPa之間，遠大于規范上的取值范圍200～500 kPa。

表5是我們收集到的國內相近泥巖區成功的工程案例中泥巖地基承載力取值結果匯總。

表5 泥巖地基已建項目地基承載力容許值取值匯總表 /kPa

表6是在考慮了不同的施工工藝的情況下給出的泥巖地基承載力建議取值范圍，建議干作業時取大值，帶水作業時取小值。

表6 第三系(白堊系)泥巖承載力特征值(建議)取值表 /kPa

4 泥巖區樁基側阻力的確定

多項工程實測表明：在泥巖地區的樁基承載力主要由側阻力承擔，而且泥巖中的樁基承載力按硬土模式計算得出的承載力與工程實際更符合。

因此如何準確確定泥巖段側阻力是樁基設計人員面臨的重要問題，而作為極軟巖的泥巖，其摩阻力的標準值在我國現有規范規程中并沒有相關說明，相關研究文獻也很少。一般情況下，勘察技術人員參照黏性土側阻力取值范圍按照不同的風化狀態取值，往往取值偏于保守。畢竟作為“巖石類”的泥巖工程性質整體上要強于一般性黏土，但由于相關試驗很少，目前還沒有國家或地方的取值標準。

下面是筆者收集到的國內若干省份在相近巖層區的工程實踐中，采用原位測試和工程樁基靜載荷試驗所獲得的泥巖側阻力標準值的一些數據，在剔除偏離值較大的一些數據后，得到了表7所列的統計數據，供大家一起探討。

表7 中國部分地區泥巖樁側阻力標準值統計表 /kPa

上述數據全部是在白堊系或第三系泥巖(泥質粉砂巖)地區鉆孔灌注樁或挖孔樁條件下獲得的。分析上述數據我們可歸納出泥巖根據不同風化狀態和成樁工藝的不同，其樁側摩阻力標準值大致取值范圍如表8所示。

表8 第三系(白堊系)泥巖樁側摩阻力

注：建議鉆孔灌注樁取小值，挖孔樁取大值

5 結束語

(1)第三系及白堊系泥巖作為成巖差或半成巖的一類特殊巖土，是介于“巖”和“土”之間的一類巖土體，其特點是強度低，易于軟化、崩解，力學性質受環境、施工擾動影響劇烈。

(2)對泥巖地區樁基工程單樁承載力特性的研究表明：泥巖鉆孔灌注樁和挖孔樁承載性狀表現為摩擦樁特征，樁側摩阻力所占比例巨大，所承擔的承載力約占單樁承載力的50%～90%，因此對于泥巖樁承載力的計算應按摩擦樁考慮。

(3)目前國內所執行的規范規程對泥巖地基承載力及摩阻力的相關規定不是十分明確，大多以評估方法為主，較偏于安全，其結果往往造成工程上的巨大浪費。

(4)收集了國內一些省份相關單位、學者對泥巖地區樁基工程力學特性的一些研究成果，歸納整理了泥巖側摩阻力及承載力取值范圍，對今后類似工程的設計具有一定的指導作用。

(5)泥巖在我國有著廣泛的分布，應當將各地區泥巖地質條件的各項參數及工程實踐經驗和科研成果匯總，總結出規律，為進一步開展類似地質條件下的工程實踐提供指導。逐步形成針對該地質條件的計算準則，使得工程設計有章可循，有據可查。

[1] 吳啟紅，徐青，彭振斌，等.第三系粉砂質泥巖風化特性[J].科技導報，2010，28(6)：65-68.

[2] 岳耀斌.泥巖中挖孔灌注樁承載特性研究[D].成都，西華大學，碩士研究生論文，2009，(3)：7-8.

[3] 鄔愛清,等. GB/T 50218—2014 工程巖體分級標準[S].北京 :中國計劃出版社出版,2015:14

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1008-3383(2017)10-0078-03

2017-02-11

車殿國，高級工程師，研究方向：巖土工程勘察與設計。