深井岩基载荷试验在高层建筑直接增层可行性分析中的应用

2021-04-04李世贵

建材发展导向 2021年5期

李世贵许倩

（1.湖北省鄂西地质工程勘察院，湖北宜昌 443002；2.三峡大学，湖北宜昌 443000）

20世纪80年代以来，我国很多城市的大荷载立交桥、高层及超高层结构，常采用大直径嵌岩灌注桩基础，因其具有直径大、沉降小、施工质量易控制、承载力大等显著特点［1］。计算这种桩基础的承载力，其中最关键的是如何切实可靠地确定其桩端阻力标准值。尤其遇到特殊情况，比如在高层或超高层建筑增层项目中，如果根据原勘察报告中室内饱和单轴抗压强度试验取值，则桩端阻力标准值满足不了加层要求，又不可能采取诸如扩大桩直径或者扩底等措施，此时通过现场原位试验，准确获取岩石地基的承载力就显得尤为重要。

规范［1-3］推荐在实际工程中应优先采用单桩竖向静载试验。然而常见的嵌岩桩一般是大直径桩，其单桩承载力很高，通常很难直接压至极限荷载，且试验费用高昂。根据规范［2］，嵌岩桩可通过岩基载荷试验间接获取桩端阻力标准值。国内外学者关于尝试通过岩基载荷试验来确定地基承载力的研究，已做了大量的探索工作，如文献［4］根据岳阳市多个工程的现场岩基载荷试验资料，研究得出了室内岩石饱和单轴抗压强度试验与现场载荷试验取值之间的关系；文献［5-6］将深井岩基载荷试验成功运用于超高层项目中，均成效显著。

前人研究岩基载荷试验确定地基承载力的方法，均只适用于P-S曲线上有明显初始线性段和明显拐点的情况，而在工程实践当中，常常遇到P-S曲线上无明显初始直线段和明显拐点的情况。针对上述情况，本文依托宜昌市中心某高层建筑增层项目，在无法进行单桩静载试验下，作者尝试在人工开挖的深井中进行中风化粉砂岩的岩基载荷试验，并跟室内试验进行对比分析，结合多年勘察工作经验，成功解决了P-S曲线无明显初始直线段和明显拐点情况下岩基承载力取值问题，挖掘出中风化粉砂岩潜藏的承载力，为该项目的加层设计可行性分析提供了合理可靠的依据，并取得了良好的效果。

1 工程概况及地质条件

宜昌市中心某高层建筑，始建于2005年，其纵长76m，平均宽约25m，总建筑面积38000m2，高度80m。该建筑地面以上为20层，设一层4.5m高的地下室，属框架-剪力墙结构，建筑物总荷载约为940000KN，中柱荷重约 23000KN，边柱荷重约20000KN，采用大直径人工挖孔嵌岩桩基础，桩端嵌入中风化粉砂岩中。在区域构造上，工程区地处黄陵背斜与宜昌单斜凹陷的西缘，区内无断层痕迹，构造变形轻微，形迹简单。建筑物场地处在长江二级阶地上，地势平缓。根据钻探揭露，建筑物基底岩石为白垩系下统五龙组中～微风化粉砂岩，沉积厚度大，达300m以上。中风化粉砂岩呈灰～灰白色，揭露层顶埋深16.9～19.7m，主要矿物成分为长石石英，粒状碎屑结构，泥钙质胶结，中厚～厚层状构造，具水平层理，岩层倾角8～10°，有少量微张裂隙，夹褐红色5～10cm薄层状泥岩，岩芯呈长-短柱状，岩体较完整，岩石饱和单轴抗压强度标准值为10.1MPa，查规范属IV类软岩。

鉴于目前城市中心区域往往建构筑物、人口及地下管线密集，新建高楼大厦必然带来更多的环境问题。而直接在原有20层建筑物基础上加高3层，不仅可以不占用其他的土地扩大建筑物使用面积，而且不会影响建筑物正常运营。若采用原勘察报告中根据室内饱和单轴抗压强度试验所取的岩基承载力去进行验算，要么达不到加层所需要求，要么基本处在临界状态；此外，工程施工空间狭窄，大型设备无法进入，不具备进行单桩静载试验的条件。基于上述原因，作者提出通过深井岩基载荷试验，以期充分挖掘出岩基潜在的承载力，进而论证直接增层的可行性。

2 深井岩基载荷试验

2.1 试验点的选取及布置原则

根据原勘察报告中钻孔分层数据，试验点优先布置在中风化粉砂岩埋藏较浅且建筑物基础受力较大的区域，以减少探井开挖工作量。每个场地探井的数量至少3个。

根据以上原则，在拟加层建筑物北东侧和南西侧居中位置布置了3口探井（见图1），采取人工挖井方式，探井外径1.5m，内径1.2m，选用15cm厚的C25混凝土护壁，其内配置环向和纵向HPB300钢筋。3口探井均挖至稳定的中风化粉砂岩，其中1#深19.3m，2#深19.6m，3#深20.7m。

图1 探井位置分布图

2.2 现场试验装置

图2 现场试验装置示意图

本次现场试验采用堆载法，通过Φ300钢管传力柱将荷载传至底部Φ300圆形刚性承压板，底部铺设厚度约10mm的中砂垫层。试验装置如图2所示。

2.3 试验要点

本试验依照相关规范及工程地质手册规定进行，具体要求如下：

1）加载方式：采用多级加载，第一级荷载约等于设计值的1/5，而后逐级按设计值的1/10增加；

2）沉降量观测：加载后，立即通过传力柱上方对称布设2个位移计进行测读，往后每间隔10min测读一回；

3）稳定标准：当连续出现三次读数之差均小于0.01mm时，可认为沉降已经稳定，继续进行下级加载；

4）终止加载条件：沉降量在24h内不能稳定，且其速率不断增大；荷载要么加不上要么加上了也不能维持稳定；试验最大加载量应大于设计值的2倍；

5）地基承载力确定：在p-s曲线上，起始直线段最大值为比例界限；满足上述第4条要求的前一级荷载为极限荷载；将三组试验的极限荷载分别除以3，再分别与其对应的比例界限比较后取小值；最后取三组小值中的最小值作为本场地的岩石地基承载力。

3 试验成果及分析

3.1 现场试验成果及分析

将岩基载荷试验成果进行汇总（见表1），绘制出中风化粉砂岩的荷载-累计沉降量（p-s）曲线，从图3中可看出各试验点的p-s曲线均无明显陡降段。针对各点试验成果分析如下：

1#试验点：在荷载增加至1981.6KN时，其总沉降量47.56mm，因达到设计加层要求无需继续加载，该点的极限承载力大于1981.6KN，其极限荷载大于28309kpa，除以3得9436kpa。该点的比例界限值取12000KPa，两者取小值最终得1#点地基承载力特征值9436KPa。

2#试验点：在荷载增加至1981.6KN时，其总沉降量30.85mm，因达到设计加层要求无需继续加载，该点的极限承载力大于1981.6KN，其极限荷载大于28309kpa，除以3得9436.3kpa。该点比例界限值取10800KPa，两者取小值最终得2#点地基承载力特征值9436KPa。

3#试验点：在荷载增加至1981.6KN时，其总沉降量22.38mm，因达到设计加层要求无需继续加载，该点的极限承载力大于1981.6KN，其极限荷载大于28309kpa，除以3得9436kpa。该点比例界限值取12000KPa，两者取小值最终得3#点地基承载力特征值9436KPa。

根据表1和图3分析并结合规范规定，取3试验点地基承载力特征值中的最小值9436KPa作为整个场地中风化粉砂岩的承载力特征值。从图3中可看出当1#～3#试验点荷载增加至28309KPa时均未发生破坏，皆因达到设计加层要求而终止了试验，由此可知该中风化粉砂岩潜藏的承载力仍未全部挖出。

表1 岩基载荷试验成果汇总表

图3 荷载-累计沉降量曲线图

3.2 岩基承载力综合取值

将现场试验与室内试验作对比，并结合当地多年实践经验，岩基承载力综合取值如下表2所示。分析表2和图3可得：

1）在原勘察报告中，中风化粉砂岩室内饱和单轴抗压强度标准值为10.1MPa，岩体较完整，按规范［1］取折减系数0.3，计算得承载力特征值为3030kPa。而现场岩基载荷试验所得承载力特征值为9436KPa，是室内试验取值的3.1倍；

2）鉴于现场岩基载荷试验按规范取值所得的中风化粉砂岩承载力非常高，作者根据本工程场地地层揭露及建筑物增层引起的附加荷载增加情况，并结合当地多年高层项目勘察工作实践经验，当P-S曲线上初始直线段不明显以及无明显拐点时，按累计变形量确定的岩基承载力比较切合实际些，本文取累计变形值18mm（即0.06d）所对应的荷载值作为中风化粉砂岩承载力极限值。由此可得1#～3#试验点承载力极限值分别为18812KPa、15400KPa、24788KPa，再分别除以3，最后取三者中的最小值5100KPa作为中风化粉砂岩的承载力特征值，其较室内试验取值提高了68%，进而得出桩端阻力标准值也较原来提高了68%，完全满足设计直接增加3层的要求（设计要求提高20%）。

表2 岩基承载力综合取值

3.3 深井岩基载荷试验成果效用及建议

本工程地理位置十分优越，增加3层可以增加建筑面积约5700m2，按目前该位置同类高层建筑价格12000元/m2粗略估算，需6840万元。而直接增层，按目前宜昌市同类高层建筑建安造价约1300元/m2来算，增加3层需要741万；装修等费用按1000元/m2计算，约570万；合计1311万，可见直接增层可节约资金达五千万元，其经济效益非常可观。相反，如果采用原勘察报告中室内试验取值，则桩基础承载力要么达不到加层所需要求，要么基本处在临界状态，需要采用高压注浆等措施对桩基础进行加固处理并做各种检测分析，工期至少得延长两个月以上。

综上分析，室内饱和单轴抗压强度试验，不仅受现场钻探取样方法和试样选取过程中人为因素影响，同时试样本身也存在尺寸效应且试验过程中无侧限，造成试验结果较保守。鉴于此，作者建议在单桩静载荷试验不可行的情况下，可考虑采用现场岩基载荷试验并结合当地实践工作经验去综合确定地基承载力。