兰州地区风化砂岩嵌岩桩竖向承载力的确定

2015-12-19张森安项龙江魏永孝李晓龙

西部探矿工程 2015年8期

关键词：岩桩标准值单桩

张森安，项龙江，魏永孝，李晓龙

（甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000）

兰州地区风化砂岩嵌岩桩竖向承载力的确定

张森安*，项龙江，魏永孝，李晓龙

（甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000）

兰州风化砂岩是一种极软质岩石，为兰州地区广泛分布的基岩。越来越多的高、大、重建筑物与桥梁等重要建（构）筑物基础以风化砂岩为持力层。现行规范和规程对其工程特性评价与工程实践测试成果有较大的差异，同时对兰州地区风化砂岩的嵌岩桩未有适宜的定量分析方法和相应研究成果。通过试验和工程实践，提出采用天然状态的单轴极限抗压强度确定兰州风化砂岩嵌岩桩竖向极限承载力标准值的方法。

风化砂岩；嵌岩桩；竖向承载力

1 概述

兰州地区第三系风化砂岩分布广泛，在山谷地带，主要出露于黄河北岸的罗锅沟、李麻沟、大砂沟、沙井驿以北与城关区南部沟谷中；在河谷地带，除新城盆地外，城关区、七里河—安宁堡、西固盆地下伏均为红色第三系风化砂岩。第三系风化砂岩为黄河各级阶地的基座，上覆第四系粉土、卵石等松散地层，埋深5～20m，随阶地增加埋深增大，在高阶地，其埋深可达30m。区域第三系风化砂岩层面起伏较小，由于受冲沟等条件的影响，局部场地其层面高差可达3～6m。

第三系风化砂岩为棕红、肉红、砖红色，以细砂岩为主，与粉、中、粗砂岩交错沉积。粒状结构，以泥质胶结为主。风化砂岩易扰动，暴露后易风化，遇水后强度迅速降低，发生崩解。在建（构）筑物基坑及桩孔中，风化砂岩与松散砂层的状态无异，风化砂岩的工程特性引起各个专业技术人员重视和关注；按现行的规范以风化砂岩饱和单轴抗压强度确定桩竖向承载能力与桩载荷试验的成果具有很大的差异；同时，风化砂岩试验过程、取样方法及试验条件等因素影响，不易获得可靠的试验成果。

由于风化砂岩缺乏统一的风化程度划分标准、相适应的评价方法和手段，风化砂岩的工程特性评价未有适合本地区准确的定量分析方法和标准，不同的勘察单位与技术人员评价均具有随意性和经验性。在重要建（构）筑物基础以风化砂岩为持力层，特别是重要建（构）筑物采用以风化砂岩为持力层嵌岩的桩基础引起结构设计人员的担心。

本文通过试验和工程实践，对风化砂岩物理力学性质与桩载荷试验成果进行分析对比，提出兰州风化砂岩嵌岩桩的竖向承载力的确定方法，定量评价其竖向承载力，以避免兰州风化砂岩地基在工程中评价的随意性和经验性。

2 风化砂岩物理力学性质

兰州地区风化砂岩是极软质岩石，以成岩作用差、岩相变化大、胶结差、遇水崩解为特点。同时，物理力学性质指标受风化程度、赋存条件、岩相、试验方法等因素影响，使各指标值有较大差异。在兰州地区各个地貌单元的地段采取试样及原位测试，强风化砂岩物理力学性质指标值见表1。

风化砂岩物理力学性质表明：在干燥状态下具有较高的抗压强度，而饱和状态抗压强度很小，软化系数极小；单轴应力—应变曲线近似为塑弹塑型，开始为其岩石的结构、裂隙压密变形，随即转为弹性变形，达到应变的90%时转为塑性变形；随围压增大，破坏强度随之增大，围压越大，不同状态的破坏强度差异减小，软化系数减小。

通过载荷试验成果分析，兰州地区第三系风化砂岩具有稳定和可靠工程性质，其地基具有较高的承载能力和很小沉降变形。

表1 强风化砂岩物理力学性质指标表

3 嵌岩桩评价方法及风化砂岩嵌岩桩试验

3.1 嵌岩桩评价方法

对嵌岩桩承载力确定评价方法有计算和桩载荷试验两种方式。其具体有：

（1）《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）桩基单桩竖向承载力特征值计算和桩载荷试验确定方法为：

初步设计时：

式中：Ra——单桩竖向承载力特征值；

qpa、qsia——桩端阻力、桩侧阻力特征值。

单桩载荷试验：载荷—沉降曲线陡降明显、取陡降段起点荷载值；载荷—沉降曲线呈缓变型，取桩顶沉降量40mm所对应的荷载值。

（2）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值计算和桩载荷试验确定方法为：

式中：Quk——单桩竖向极限承载力标准值；

Qsk、Qrk——土总极限侧阻力标准值、嵌岩段总极限阻力标准值；

frk——岩石饱和单轴抗压强度标准值。

《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2008）单桩载荷试验：陡降型载荷—沉降曲线取陡降起始点荷载值；缓变型载荷—沉降曲线取桩顶沉降量40～60mm所对应的荷载值，大直径桩取桩顶沉降量0.03～0.06D。

3.2 风化砂岩嵌岩桩试验

3.2.1 风化砂岩嵌岩桩桩载荷试验

兰州风化砂岩嵌岩桩桩型多为钻孔灌注桩，建筑工程桩径多为0.8～1.0m。对兰州风化砂岩嵌岩钻孔灌注桩的摩擦端承桩与摩擦桩进行对比桩载荷试验，其典型对比桩的桩结构见图1。

3.2.2 对比桩载荷试验成果

桩径为∅800mm典型对比桩载荷试验结果及试验曲线见表2、图2。

表2 典型对比桩载荷试验成果表

图1 试验桩结构示意图

图2 摩擦桩与摩擦端承桩载荷试验曲线

表3 规范与试验确定嵌岩桩竖向承载力Quk对比表

4 风化砂岩嵌岩桩竖向承载力确定

4.1 风化砂岩嵌岩段总极限阻力确定

试验场地中风化砂岩天然状态单轴抗压强度标准值 frkt为1200kPa、饱和状态单轴抗压强度标准值 frk为600kPa，按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）与典型对比桩载荷试验结果确定嵌岩段总极限侧阻力Qsk、总极限端阻力Qrk见表3。

通过∅800mm钻孔灌注桩典型对比桩载荷试验结果可见：桩载荷试验较按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）计算总极限端阻力Qrk大6倍以上；风化砂岩嵌岩桩竖向极限承载力标准值Quk大近2.5倍。

4.2 风化砂岩嵌岩桩竖向承载力确定

根据典型对比桩载荷试验与兰州风化砂岩各状态单轴极限抗压强度、地基载荷试验结果对比分析基础上，兰州风化砂岩嵌岩桩竖向承载力采用以下方法确定：

（1）极限抗压强度。按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）确定嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值，对兰州地区强、中风化程度砂岩计算Qrk、Qsk嵌岩段总极限端阻力、总极限侧阻力其岩石单轴抗压强度标准值采用天然状态的单轴极限抗压强度标准值。按下式计算：

式中：Qskt、Qrk——嵌岩段总极限侧阻力、总极限端阻力；frkt——天然状态的单轴极限抗压强度标准值。ζs取值0.30～0.50。

（2）地基承载力特征值。按《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）公式（1）确定嵌岩桩单桩竖向承载力特征值，桩端阻力qpa采用可风化砂岩地基深度修正后承载力特征值；桩端阻力qpa、嵌岩段桩侧阻力特征值qsia。按下式计算：

式中：fak——风化砂岩承载力特征值；

frkt——天然状态的单轴极限抗压强度标准值。

按以上2种方法计算嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值、嵌岩桩单桩竖向承载力特征值与工程桩的桩载荷试验进行对比，其结果见表4，工程桩的桩载荷试验成果曲线见图3。

5 结语

兰州地区广泛分布的第三系风化砂岩是一种半成岩的极软质岩石，主要为泥质胶结，成岩程度低，胶结作用差；风化砂岩易扰动、易风化、易崩解、遇水后强度迅速降低等特点。风化砂岩嵌岩桩具有很高的竖向承载力，是桩基良好持力层。

兰州地区的第三系风化砂岩具有特殊工程特性，不易获取准确饱和状态试验成果，采用规范方法与桩载荷试验确定单桩承载力具有很大差异。通过实际工程的试验对比分析，采用本文提出的天然状态的单轴极限抗压强度计算方法应用工程中，其结果与风化砂岩嵌岩桩桩载荷试验成果基本相符。采用天然状态的抗压强度或相应围压三轴试验强度评价桩端阻力。

不足是桩载荷试验与砂岩不同方法试验参数相互对比资料相对较少，需积累更多对比资料，以期获得适宜方便、准确定量指标参数。