紅層旁壓試驗、載荷試驗與單軸抗壓試驗對比研究

彭柏興，金飛

(1.長沙市規劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007； 2.九龍倉(長沙)置業有限公司，湖南 長沙 410002)

1 前 言

紅層是陸相沉積環境中形成的具有偏紅色調碎屑巖，遍布于世界各地，自寒武紀到現代各時期均有出露[1，2]。我國紅層主要分布在西南的四川、云南、重慶、貴州、廣西等省(自治區)，西北的陜甘寧盆地、塔里木盆地、柴達木盆地等以及中南、東南的長沙、廣州、合肥、南京等地區，其形成分布與古地理環境關系密切，沉積時代主要為三疊紀、侏羅紀、白堊紀、第三紀，多為不連續沉積[3]。湖南有大、小紅層盆地80余個，分為湘東南、湘北及湘西三個地區，占全省總面積約20.5%。湘瀏盆地是其典型代表之一，該盆地內75%以上的基巖為K-N紅色碎屑巖，盆地中的長沙、株洲、湘潭兩兩相距約 45 km，呈“品”字形分布，是湖南重要經濟、文化中心。紅層與該區建設工程的關系十分密切，是橋梁、隧道、高層、超高層等工程的優良載體，也是巖土工程界關注的重點。

筆者曾從不同角度對長沙紅層的風化分帶[4]、巖基強度[5，6]、單軸抗壓強度與旁壓試驗對比[7]、波速-旁壓聯合測試[8]、紅層嵌巖樁的荷載傳遞性狀[9]等方面進行了研究。但在同一項目，同時采用載荷試驗、旁壓試驗與巖石單軸抗壓強度試驗三者間的對比分析尚屬首次，450 m以上的超高層建筑采用紅層天然地基在國內更屬破天荒。本文依托于長沙國際金融中心的詳細勘察報告[10]以及T1、T2塔樓的專項試驗報告提供的測試數據[11，12]進行了系列分析對比，對如何確定紅層地基承載力指標及變形參數提出了自己的標準，供同行參考。

2 試驗設計

2.1 工程概況

長沙國際金融中心位于長沙市司門口，由T1、T2兩棟超高層塔樓、6層商業裙房組成(如圖1所示)，地下5層。±0.00絕對標高 45.55 m。T1高93層、建筑高度 452 m，現為湖南第一、當年(2017年)全球第十高樓；T2高65層、建筑高度 315 m。鋼筋砼核心筒+組合框架結構體系，筏板基礎。

圖1 長沙國際金融中心效果圖

2.2 工程地質條件

原始地貌為湘江河流Ⅱ級階地。第四系地層由填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂、圓礫和殘積粉質黏土組成，厚約 20 m。基巖為白堊系泥質粉砂巖，按其風化程度分為強風化、中等風化、微風化三帶。基坑底板標高為 13.75 m，基礎持力層為中風化泥質粉砂巖，節理裂隙不發育，巖體較完整～完整，巖芯呈長柱狀，少量短柱狀，局部見白色斑點或溶蝕小孔(如圖2所示)，巖石質量指標RQD大于75%。巖石物理力學指標如表1所示。

圖2 典型巖芯照片

中風化泥質粉砂巖的主要物理力學性質指標 表1

2.3 試驗方法

試驗由兩家單位獨立完成，分別在T1、T2塔樓試驗各選取3個代表性地段，分別進行由載荷試驗、旁壓試驗與鉆探取芯進行巖石天然單軸壓縮試驗。

試驗時，基坑已開挖至設計標高。旁壓試驗孔與鉆探取樣孔均位于承壓板中心2倍～3倍壓板直徑之外，三者之間的空間位置關系如圖3所示。

圖3 試驗點布置示意圖

3 載荷試驗

3.1 試驗設備

載荷試驗是一種模擬實體基礎受荷的原位試驗，反映的是承壓板以下約1.5倍～2倍壓板寬的深度范圍內地基土的承載力和變形特性。

試驗采用RSM-JC3型靜載荷測試儀，加載采用支撐墩平臺堆載反力裝置(如圖4所示)。主梁為 9000 mm×400 mm×600 mm鋼梁、次梁為 9000 mm×400 mm×700 mm的鋼筋混凝土梁，承壓板為厚 80 mm的圓形剛性承壓板、面積 1 m2，采用預制混凝土塊配重。沉降觀測采用4個量程為 0 mm～50 mm的FP-50型百分表。

圖4 載荷試驗現場照片

3.2 試驗方法

試驗執行《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)[13]，設計要求巖石地基承載力特征值不小于 2 500 kPa，故最大試驗荷載取 7 500 kPa，加載量級≥25級，最大加載量 7 500 kN。

采用單循環加載，荷載逐級遞增至最大試驗荷載，然后分級卸載。加載時，第一級加載量為預估設計荷載的1/5，以后每級為預估值的1/10。加載后立即進行沉降量測讀，以后每 10 min讀數一次。連續三次讀數之差均不大于 0.01 mm，視為達到穩定標準，即施加下一級荷載。終止加載條件執行GB50007規定。

3.3 試驗結果

加載至7 500 kN時，沉降仍然穩定，最大沉降量為 3.62 mm～29.85 mm，最大回彈量 0.92 mm～9.76 mm。試驗后觀測各試驗點，承壓板周圍巖石無裂縫、砼墊層也未見破碎或開裂痕跡，說明載荷試驗未做到破壞點。載荷試驗的p-s曲線如圖5所示。

圖5 載荷試驗p-s曲線

(1)巖基承載力的確定

①根據p-s曲線上的比例界限點，獲得承載力特征值為 3 750 kPa～5 750 kPa，對應變形量與承壓板直徑之比為 0.000 3～0.011 6。該變形值位于文獻[13]附錄C淺層平板載荷試驗的s/d=0.01～0.015范圍內。

②據文獻[13]的附錄H，按巖基載荷試驗，將最大試驗荷載除以3得到承載力特征值為 2 500 kPa。

③根據按淺層平板載荷試驗要點，取s/d=0.01～0.015的中間值0.008所對應荷載值為承載力特征值，結果為 4 073 kPa～7 500 kPa，為巖石天然抗壓強度的1.04倍～2.81倍。該結果略高于最大加載量 7 500 kPa的一半。

(2)變形參數的計算

利用載荷試驗結果可以計算地基土的變形模量E0、基床反力系數Ks[12]，分別由式(1)、式(2)計算：

(1)

式中，d為承壓板直徑(cm)；p為p-s直線段的壓力，kPa；s為p值對應的承壓板沉降量，cm；μ為泊松比。

KV=p/s

(2)

式中，p/s為p-s曲線直線段的斜率，若p-s曲線無直線段，取極限壓力的一半，s為相應的沉降量。

載荷試驗成果如表2所示。

載荷試驗成果表 表2

4 旁壓試驗

4.1 試驗原理與設備

旁壓試驗實質是原位橫向載荷試驗，由法國工程師梅納(Louis Ménard)發明于1957年。其原理是將圓柱形旁壓器豎直放入土中，利用旁壓器擴張對周圍土體施加均勻壓力，量測壓力和徑向變形關系來獲取地基土在水平方向的應力應變關系。

從理論上講，旁壓試驗比其他原位試驗方法更為完善，其試驗時的應力條件接近于圓柱孔穴擴張課題，其彈性解、彈塑性解已經解決[14]。與載荷試驗相比，它更輕便、簡單，受地下水和擾動程度影響小，國內外廣為應用。本試驗采用G-AM梅納旁壓儀，NX型旁壓器，外徑 70 mm，固有腔體積(Vc)790 cm3，預鉆式成孔，直徑φ75 mm。

4.2 試驗方法

試驗前須對進行儀器綜合變形率定和彈性膜約束力率定。試驗時，先用大于φ75 mm的鉆具鉆至試驗位置以上 1 m左右，再用 φ75 mm鉆具鉆入試驗地層下約 1 m～1.5 m，放入旁壓器進行試驗。每級壓力觀測時間為 1 min，取 0 s、15 s、30 s、60 s四個讀數。當試驗進入明顯塑性區和測管水位下降到 550 cm3左右或達到儀器額定壓力，試驗終止。

將旁壓試驗原始數據修正繪制p-v曲線(圖6)，由曲線可確定初始壓力P0、臨塑壓力Pf、極限壓力PL及相應體積V0、Vf、PL。由于受儀器額定壓力限制，軟巖旁壓試驗一般難以做到極限點，可通過達到臨塑點后3～4級加載試驗，用P-1/V曲線求取PL0。

圖6 旁壓試驗p-v曲線

4.3 旁壓試驗結果及應用[15]

(1)確定地基承載力

淺基礎承載力可采用臨塑壓力法或極限壓力法計算：

fak=Pf-P0

(3)

或fak=(PL-P0)/K

(4)

式中，K為安全系數，一般取2-3。

(2)確定變形參數

通過旁壓試驗可確定旁壓模量Em、似彈性模量E、旁壓剪切模量GM和水平基床系數Kx：

(5)

E=2(1+μ)(V0+Vc)△P/△V

(6)

GM=(VC+Vm)△P/△V

(7)

Kx=△P/△r

(8)

式中，μ為泊松比，取0.27；Vm為平均體積變形量，Vm=(V0+Vf)/2；△P為P-V曲線上直線段壓力增量，MPa；△V為與△P對應的體積變形增量，cm3。

此外，利用Me′nard公式(9)可計算巖土變形模量：

E0=αEM

(9)

式中，α為土的結構系數，一般黏性土取1～2，砂礫土取3～4，風化巖石取1.5～3。

由試驗結果(表3)可知，試驗初始體積 218 cm3～319 cm3，初始壓力值P0=381 kPa～605 kPa。說明軟層中預鉆成孔直徑偏大，影響到初始壓力結果，其值遠高于按理論式(10)的計算值：P0=168.91 kPa。

(10)

式中，μ為泊松比，r為重度，h為試驗點的深度。

旁壓試驗成果表 表3

5 巖石單軸壓縮試驗

5.1 試驗方法

載荷試驗前，在取樣點1、2(圖3)利用XY-100型、φ130 mm鉆具鉆探取芯。載荷試驗完成后，于承壓板中心位置鉆探進行持力層檢驗，并在壓板下 1 m左右取第3組巖樣(圖3中的取樣點3)。T2塔樓還利用旁壓成孔巖芯進行天然狀態下的單軸壓縮試驗。

泥質粉砂巖為黏土質巖，故采用天然狀態巖樣進行單軸壓縮試驗。試樣尺寸?50 mm×100 mm，壓力機加荷速度 500 kPa/s～800 kPa/s。

5.2 巖石單軸抗壓試驗結果

巖石抗壓試驗結果如表4所示。T1取樣27組，范圍值 2.71 MPa～4.36 MPa、平均 3.72 MPa，標準差0.38，變異系數0.10，與勘察成果基本一致(表1)；T2取樣42組，范圍值 1.23 MPa～4.08 MPa、平均 2.57 MPa，標準差0.65，變異系數0.25。

巖石天然單軸抗壓強度試驗結果表 表4

對比發現，T2的巖石抗壓強度平均值僅為T1的69.1%，同一場地不同試驗區，兩家試驗單位結果離散性如此之大，說明巖石抗壓試驗的偶然因素影響遠高于旁壓試驗和載荷試驗。

5.3 利用巖石試驗結果確定巖基承載力

據文獻[13]，巖石地基承載力特征值fa可按式(11)計算：

fa=ψr·frk

(11)

式中，frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值，kPa；對于黏土質巖，在確保施工期和使用期不致遭水浸泡時，也可采用天然濕度的試樣，不進行飽和處理。本文即采取巖石天然抗壓強度。ψr為折減系數，本文參照較完整～完整巖體取值，取0.50。

經計算，按巖石抗壓強度折減計算出巖基承載力特征值為 990 kPa～1 950 kPa。

為便于對比，利用巖石抗剪強度指標，按下式計算承載力：

fa=Mbrb+Mdrmd+MCCk

(12)

式中，Mb、Md、Mc為承載力系數，抗剪指標按表1中摩擦角乘以0.80折減系數，取30°、黏聚力0.30折，取 123 kPa。查GB50007-2011表5.2.5，Mb、Md、Mc分別取1.90、5.59、7.95。經計算地基承載力為 4 806.25 kPa，該結果遠高于按巖石抗壓強度折減獲得的承載力值。

顧寶和大師認為，對于完整和較完整，裂隙系統可以忽略的塑性破壞巖體，可采取不擾動樣試驗時，可用抗剪強度指標計算地基承載力[16]。長沙白堊系的中風化泥質粉砂巖完全滿足上述條件。但是，如何選取計算公式，尚無定論，法國塔羅勃建議用普朗特爾公式，美國多用太沙基公式，加拿大和前蘇聯采用科茨公式。本文采用規范GB50007公式，計算結果甚至高于原位試驗結果，初步分析其根源，主要與巖石抗剪指標及計算深度關系密切，值得進一步研究，也有待與其他理論公式的對比分析。

6 分析與對比

6.1 不同方法確定的承載力對比

(1)比例界限壓力法確定的承載力特征值為 3 750 kPa～5 750 kPa與s/d=0.008對應荷載值 4 073 kPa～7 500 kPa接近，高于按淺層平板載荷試驗方法取最大加載量的一半值，是巖基載荷試驗結果(最大加載量的1/3)的1.5倍～2.3倍。

(2)旁壓試驗最大加載壓力對應體積為 249 cm3～356 cm3，體積變化很小，△V=25 cm3～37 cm3，試驗曲線為直線段，未達臨塑壓力，說明尚有較大潛力。取最大試驗壓力為Pf，承載力特征值為 4 119 kPa～5 482 kPa，高于載荷試驗比例界限壓力，與按s/d=0.008對應結果接近。

(3)巖石抗壓強度折減確定的承載力值(990 kPa～1 950 kPa)離散性最大，遠低于按抗剪指標的計算值。

不同方法確定的結果如表5所示，按相對沉降量確定結果最高，巖基載荷試驗確定值最低，比例界線法與淺層平板載荷法及旁壓凈臨塑壓力法確定的結果相對接近。總體趨勢是旁壓試驗結果>載荷試驗結果>巖石單軸抗壓試驗結果。

不同方法確定的巖基承載力結果對比(kPa) 表5

6.2 載荷比例界限壓力、旁壓臨塑壓力與巖石單軸抗壓強度的關系

由表2、表3可知，兩家試驗單位的載荷試驗和旁壓試驗結果基本一致。

載荷試驗的比例界限壓力與巖石天然單軸抗壓強度的比值為1.18～2.20，旁壓試驗臨塑壓力與單軸抗壓強度的比值Pf/R0=1.29～2.98，與文獻[7]的基本吻合。

值得注意的是，T1與T2試驗中，巖石抗壓強度值相差近30%，導致s/d=0.008對應荷載/天然抗壓強度的比值相差近3倍。一方面說明巖石單軸試驗結果的離散性遠高于原位試驗結果，另一方面可以證實，對紅層中風化軟巖而言，用巖石天然抗壓強度標準值作為地基承載力特征值具有一定安全裕度。

巖基承載力與巖石單軸抗壓強度比值對比表 表6

續表6

6.3 變形參數之間的對比分析

(1)由表2、表3計算，旁壓模量與變形模量的比值α為0.59～4.35，均值為1.67，與Me′nard的經驗值(風化巖石取1.5～3)存在一定差異。

(2)由式(1)、式(6)可知，二者均為試驗直線段加載量與變形量的關系，似彈性模量與試驗是否達到臨塑壓力點影響不大。除T2-2彈性模量異常外，其他試驗點E0/E=0.66～1.66、平均值為1.05。

(3)水平向基床系數與垂向基床系數的比值(KX/Ks)為35.44、23.21、19.79、13.23、3.86、14.23，遠高于后者，反映了水平應力對紅層強度的影響巨大，不容忽視。

7 結 語

(1)長沙紅層系典型的黏土質軟巖，其單軸抗壓強度受取樣擾動、失水崩解，無側限加載等因素影響，巖石單軸抗壓強度結果離散性大，由巖石單軸抗壓強度折減確定的承載力與巖體實際強度相比嚴重偏低。在高層、超高層建筑勘察中應充分利用旁壓試驗或載荷試驗。

(2)載荷試驗、旁壓試驗與巖石單軸抗壓強度試驗的對比表明，三者間關系具有如下規律：旁壓試驗結果>載荷試驗結果>單軸抗壓試驗結果。直接利用中風化紅層的天然單軸抗壓強度作為巖基承載力特征值是可行的。

(3)大板載荷試驗多應用于軟土或地基處理的承載力檢測。應用大承壓板(d=1 130 mm)對紅層進行載荷試驗在長沙尚屬首次，在國內軟巖中亦未見報道。若按巖基載荷試驗要求的3倍加載量試驗，試驗費用與難度很大。對比分析證明，采用大板載荷試驗時，可采用兩倍加載與相對沉降量的雙控標準，其結果與巖石抗剪指標計算值接近。值得注意的是，采用抗剪指標計算軟巖地基承載力時，如何選取理論公式尚無定論，有待深入研究，不可盲目，實踐中應以載荷試驗作為地基承載力檢驗的主要手段。

(4)九龍倉·長沙國際金融中心于2017年竣工，已使用運營兩年，理想的監測成果表明這是較好地利用紅層地基強度，并以之作為超高層建筑地基持力層的很好范例，值得業界借鑒。當然，對紅層強度與變形機理的研究永無止境。由于旁壓試驗未達臨塑點，所得變形模量與旁壓模量、似彈性模量，水平基床系數與垂直基床系數的關系僅供參考。特別地，如何利用旁壓試驗曲線來獲取載荷試驗曲線有待進一步探討。