软质岩岩石地基承载力确定方法与适用条件分析

曹建强

（贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550000）

贵阳市南部小河—翁岩—杨眉一带北南走向贵阳向斜核部广布侏罗系软质岩，该软质岩多为泥质结构及泥质胶结岩石，具遇水易软化、曝晒易开裂、开挖揭露加剧风化等特征，当无现场试验成果时其地基承载力常通过规范公式计算及查表[1-4]取值确定。目前国家标准[1]、各行业标准[2-4]给出的岩石地基承载力计算公式、适用条件存在差异，导致岩石地基承载力特别是桩基础地基承载力采用规范公式计算及查表时出现过大差异，这可能导致工程建设出现不经济或不安全应用。本文以该区3个场地的泥岩为例，通过多种方法确定了软质岩在不同地基条件下的地基承载力，同时分析了不同方法的适用条件。

1 不同方法的地基承载力分析

本文分析的3个场地采用了浅层静力平板载荷试验、嵌岩基桩自平衡法静载试验[桩径1.0m、分别嵌固2.4m（试桩1）5.0m（试桩2）6.0m（试桩3）]。

1.1 规范公式计算

常用的规范公式计算见式（1）～（3），为使各公式单位统一便于分析，对公式进行对应消除几何量表达。

对于浅基础地基承载力特征值[1]：

对于桩基础嵌岩段地基承载力特征值[2]：

相关函数f（qpa,qra）=1/2ξrfrk。

对于桩基础嵌岩段地基承载力允许值[3]：

对应qpa=c1frk、qra=c2frk。

式中：ψr——折减系数，场地中风化泥岩完整程度均为较完整，考虑不利组合按规范取ψr=0.2；

ξr——地基端阻与侧阻综合系数，对应桩径1.0m、分别嵌固2.4m、5.0m、6.0m，按规范分别取ξr1=1.29、ξr2=1.57、ξr3=1.63；

c1、c2——地基端阻与侧阻发挥系数，对应桩嵌固段大于0.5m，按规范取c1=0.45、c2=0.03。

采用不同规范计算的3个场地内地基承载力特征值如表1所示。

表1 规范公式计算的地基承载力特征值对比表

通过表1对照可知，按规范公式计算的地基承载力特征值有如下规律：一定埋深的桩基础桩端阻力特征值是浅基础地基承载力特征值的2.25倍。桩基础嵌固深度与桩嵌固段承载力特征值呈非线性关系（见图1），桩嵌固段承载力特征值的综合值增加量随基础嵌固深度增加逐渐减小，说明桩基础嵌固达到一定深度后桩嵌固段承载力特征值的综合值将趋于一定值。

1.2 规范查表取值

常用的规范查表取值确定地基承载力特征值如表2[3-4]所示。

规范查表确定的地基承载力特征值为区间较大的范围值，且无研究表明相同嵌固条件下地基承载力特征值与frk的变化呈线性关系，故在实际应用中无法直接通过规范查表直接确定地基承载力特征值。

1.3 浅层静力平板载荷试验

本文分析的3个场地采用了浅层静力平板载荷试验，试验中，对应于压力—沉降曲线起始直线段的终点为比例荷载，符合终止加载条件的前一级荷载为极限荷载，将极限荷载与安全系数的比值与对应的比例荷载相比较，取小值为各检测点的地基承载力特征值。浅层静力平板载荷试验得到的地基承载力特征值如表 3所示。

图1 桩嵌固段承载力特征值综合值变化曲线图

表2 规范查表确定的地基承载力特征值范围值表

表3 浅层静力平板载荷试验成果表

浅层静力平板载荷试验表明，比例荷载略大于极限荷载与安全系数的比值，对于浅基础通过试验既确保了地基的安全又能充分挖掘地基承载能力。

1.4 基桩自平衡法静载试验

本文分析的场地3采用基桩自平衡法静载试验确定嵌岩桩的端阻力和侧阻力。按2倍预估荷载10级分级加载，试桩1（嵌固2.4m）在荷载加至2×2400kN上部桩向上位移出现突变，上部桩被抬起，侧阻力发挥至极限，取前一级加载值2100kN为极限侧阻力；下部桩向下位移较小，未出现突变，端阻力未发挥至极限。试桩2（嵌固 5.0m）、3（嵌固6.0m）在荷载分别加至 2×2400kN、2×3000kN时向下位移急剧增加并出现陡降，荷载无法稳定，端阻力发挥至极限，分别取前一级加载值2100kN、2700kN为极限端阻力；上部桩位移未出现突变未被抬起，侧阻力未发挥至极限。

不同规范对于单桩竖向承载力特征值Ra的公式表达虽有区别，但总体表述含义基本相同，根据1.1节各规范计算公式可以得到式（4）。

根据上述试验情况，按下式根据试桩1的试验成果计算地基侧阻力特征值，根据试桩2、3的试验成果计算地基端阻力特征值，分别计算各试桩的单桩竖向承载力特征值。

试桩1：qra=133kPa；

试桩2：qpa=1337kPa，Ra=3137kN；

试桩3：qpa=1719kPa，Ra=3855kN。

通过基桩自平衡法静载试验，确定了桩基础嵌固段地基侧阻力特征值与端阻力特征值。随着桩基础嵌固深度的增加侧阻力发挥增加、地基端阻力特征值逐渐增大、单桩竖向承载力特征值逐渐增大。

2 不同方法的地基承载力对比分析

将利用岩石单轴抗压强度和岩体完整性计算的浅基础地基承载力特征值fa与浅层地基静力平板载荷试验结果进行对比分析，将利用岩石单轴抗压强度计算的嵌岩桩地基端阻力特征值qpa、侧阻力特征值qra与基桩自平衡法静载试验结果进行对比分析，将利用岩石单轴抗压强度计算的嵌岩桩单桩竖向承载力特征值Ra与基桩自平衡法静载试验结果进行对比分析，分别根据式（2）、（3）计算场地3个试桩的单桩竖向承载力特征值Ra。不同方法确定的泥岩承载力对比如表4所示。

表4 不同方法确定的泥岩承载力对比表

通过不同方法的地基承载力对比可知，根据岩石完整程度利用规范公式计算的浅基础地基承载力特征值fa与浅层静力平板载荷试验结果基本一致，但高于规范查表值。利用规范公式计算的桩基础端阻力特征值qpa为固定值，当桩基础嵌固深度为5m时，其与基桩自平衡法静载试验结果接近但略低，其值接近规范查表范围值的中值；随着嵌固深度的增加，其明显低于基桩自平衡法静载试验结果，基桩自平衡法静载试验结果超出规范查表范围值的大值。利用规范公式计算的桩基础侧阻力特征值qra小于基桩自平衡法静载试验结果，基桩自平衡法静载试验结果接近规范查表范围值的大值。基桩自平衡法静载试验得出的单桩竖向承载力特征值Ra明显高于利用2种规范公式的计算结果。

3 地基承载力确定方法的适用性分析

对于埋深较小的浅基础地基破坏型式为剪切破坏，对于嵌固深度大于1倍桩径的桩基础地基型式为刺入破坏[5-6]。

根据上述已有研究理论结合本文第2章分析，当软质岩地基承载力无现场试验成果时，可按以下适用条件，通过规范公式计算、规范查表确定：

（1）在准确判定岩石完整性的基础上，可以根据岩石完整程度利用规范公式计算浅基础地基承载力特征值fa。

（2）对于嵌固深度小于1倍桩径的桩基础，可视为浅基础确定地基承载力特征值fa。

（3）对于嵌固深度大于1倍桩径、嵌固深度约小于5m的桩基础，其端阻力特征值qpa可通过公式（3）计算确定。

（4）对于嵌固深度略大于5m的桩基础，其端阻力特征值qpa可通过规范查表[4]取范围值的上线值确定。

（5）嵌入软质岩的桩基础，其侧阻力特征值qra采用各种方法得出的值均较小，在工程应用中该值对工程建设的经济影响较小，从工程建设的安全性角度出发，建议通过规范查表[4]取范围值的中值确定。

根据本文图1结合规范公式（2）计算[2]推断，桩基础嵌固达到一定深度后单桩竖向承载力特征值将趋于一定值。桩基础地基承载力具随嵌固深度的增加端阻力逐渐收敛、侧阻力逐渐发挥特性。根据端阻力特征值qpa与侧阻力特征值qra分别乘以对应几何量求和计算单桩竖向承载力的计算方法以桩基础端阻力、侧阻力均能最大发挥为前提，对于嵌固深度大于上述范围较大及工程重要性等级较高的桩基础，这种计算方法偏于不安全，应通过现场基桩试验确定单桩竖向承载力。

[1]GB 50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[2]JGJ 94-2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3]JTG D63-2007公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[4] JGJ 72-2004高层建筑岩土工程勘察规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[5] 李丹,余郭志,王吉霖,等.基于相似模型试验的浅基础地基破坏机理研究[J].科学技术与工程,2017,17（9）:272-278.

[6] 胡幼常.大型群桩基础地基破坏性状研究[J].武汉水利电力大学学报,1995,28（6）:690-693.