软质岩石地基承载力确定方法探讨

成 莞 莞

(天津渤海职业技术学院，天津 300402)

1 引 言

在岩土工程勘察、设计中，地基承载力通常以室内岩石饱和单轴抗压强度进行一定量的折减，并结合当地经验综合确定.目前，工程设计中普遍按规范中“无经验时”的折减系数取值，取值偏小，且对于软质岩石，尤其是极软岩而言，室内试验结果影响因素较多，往往会难以反应其客观强度，从而造成取值保守，使构筑物基础设计方案复杂化，工程成本大幅度提高，造成一定的浪费.合理确定软质岩石的承载能力是确定构筑物基础类型和优化设计参数的重要依据.因此合理确定软质岩的地基承载力，优化设计参数值得深入研究分析，具有重要的工程意义[1-4].

2 地基承载力确定方法研究

目前已经有多种成熟的方法来确定岩土体的地基承载力，归结起来主要有原位试验、室内试验以及经验类比法等三大类.其中常用的适合于软质岩石的原位试验方法主要有浅层平板载荷试验、旁压试验、单轴抗压强度法以及剪切波速法[5-7].分述如下：

2.1 浅层平板载荷试验

浅层平板载荷试验一般采用堆载法，由工字钢搭建成堆载平台，在上面均匀堆放预制水泥块，构成加载反力系统(详见图1).要求：加载反力装置能提供的反力不得小于最大加载量的1.2倍.使用重物堆载，重物应一次备齐并不应小于预计极限荷载的1.2倍.浅层平板的沉降变形，通过两只对称布置于承压板数显百分表测量，其分辩率一般为0.01 mm.所有百分表均用磁性表座固定于基准梁上，基准梁具有一定刚度.承压板为圆形厚钢板，直径为300 mm，面积为0.07 m2.使用EXCEL对试验原始数据每个点的Pi、∑Si的关系进行拟合修正，整理得出各个试验点的p-s、s-lgp曲线.根据所的曲线进行数据分析，得出岩土体的承载力值，数据处理过程见规范[8].

图1 浅层平板载荷试验示意图

2.2 旁压试验

旁压试验是在钻孔中对测试段孔壁施加径向压力，量测其变形，根据孔壁变形与压力的关系，求取地基土的变形模量、承载力等力学参数的一种原位试验方法.目前国内外性能较为优越的旁压仪是美国Menard(梅纳)G-Am型旁压仪，测头型号Nx型(Φ70 mm)，外径70 mm，固有腔体积(Vc)790 cm3，预钻式成孔，直径ψ75 mm，该仪器具有读数准确，试验压力高的优点.

将野外测取的旁压试验的原始数据进行修正，绘制成P-V曲线图，确定P0、V0、Pf、Vf等参数，PL值的求取是采用P-1/V方法求得.典型的旁压试验P-V图如图2所示，可分为三个阶段：Ⅰ段(曲线OA段)，为初步阶段，反映弹性膜的贴壁过程；Ⅱ段(曲线AB段)，为似弹性阶段，压力与体积变化量大致成直线关系；Ⅲ段(曲线BC段)，为塑性阶段，随着压力的增大，体积变化量逐渐增加到破坏.Ⅰ～Ⅱ段的界限压力相当于初始水平压力P0，Ⅱ～Ⅲ段的界限压力相当于临塑压力Pf，Ⅲ段末尾渐近线的压力为极限压力PL.

图2 旁压试验P-V曲线示意图

使用旁压试验确定地基承载力有以下两种方法[5-6,8]：

临塑载荷法：fk=Pf-P0

(1)

极限荷载法：fk=(PL-P0)/Fs

(2)

式中：

fk—地基土承载力(kPa)；

Fs—安全系数，一般取2～3，也可根据地区经验确定.

对于一般土宜采用临塑荷载法；对旁压试验曲线过临塑压力后急剧变陡的土宜采用极限荷载法.

2.3 单轴抗压强度法

《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)[9-10]中规定：对于破碎、极破碎的岩石地基承载力特征值，可以根据平板载荷试验确定；对于完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值，也可以根据室内饱和单轴抗压强度按照下式确定：

fα=ψr·frk

(3)

式中：

fα—岩石地基承载力特征值(kPa)；

frk—岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa)；

ψr—折减系数.根据岩体完整程度以及结构面的间距、宽度、产状和组合，由地方经验确定.无经验数据时，对完整岩体可取0.5；对较完整岩体可取0.2～0.5；对较破碎岩体可取0.1～0.2.

使用单轴饱和抗压强度确定地基承载力存在两个问题：①由于裂隙的存在，岩体强度肯定低于岩块强度，因此要求乘以小于1.0的折减系数，越破碎，折减系数越小，计算方法显然是比较粗糙的；②单轴抗压强度试验时围压为0，而在地基中岩体为三项应力条件下的竖向压缩，该法偏于安全.因构筑物基础压力一般不大，大多数条件下已能满足要求，且方法简便，可操作性强，因此在工程上得以广泛应用.但对于承载力要求较高的建筑物和构筑物，可能会偏于过分保守[9].

2.4 剪切波速法

根据波速测试记录，通过波形对比读取各测点同一相位正反相波形的极值时间，求其算术平均值，并对其进行垂直校正，绘制出垂直时距曲线图，然后计算出各波速地层的剪切波速度和纵波速度，并据此进行岩土体动泊松比、动弹性模量和动剪切模量的计算.

众多研究表明，岩土的剪切波速与其地基承载力、地基变形参数等静力学性质相关密切，根据剪切波速可以用来估算岩石地基承载力，并且具有简便，可操作性强的优点[11].

表1为《核电厂岩土工程勘察规范》(GB 51041-2014)[12]中按剪切波速值初步估计地基承载力的建议取值表.

表1 岩石地基承载力特征值的初步估计[12]

2.5 规范经验类比法

软质岩石在我国广泛分布，在软质岩石地区开展了大量的工程建设，积累了不少工程经验，因此在很多地方规范中均给出了软质岩石地基承载力的经验取值，比较常见的有《南京地区建筑地基基础设计规范》(DGJ32/J 12-2005)[13]以及《广西建筑地基基础设计规范》(DBJ45-003-2015)[14].

表2 岩石地基承载力特征值[13]

表3 岩石地基承载力特征值[14]

3 工程实例分析

在我国胶东地区广泛分布白垩系上统王氏群(K2W)泥岩，其单轴天然抗压强度一般小于5 MPa，属于极软岩，并且具有弱膨胀特性.为研究确定不同风化程度泥岩承载力的适宜确定方法，特开展了浅层平板载荷试验、旁压试验、剪切波速试验、单轴抗压强度试验等，进行各方法的成果对比.对比结果见表4所示：

表4 泥岩地基承载力汇总分析表

结果对比分析如下：

(1)针对全风化泥岩，平板载荷试验法和剪切波速法确定的地基承载力值基本相同，并且岩体受扰动较小，试验值更接近于实际值.旁压试验法确定的地基承载力值偏大，是上述两种方法的3倍；

(2)针对强风化泥岩，剪切波速法确定的地基承载力与规范经验值基本一致，平板载荷试验法和旁压试验法确定的地基承载力值均要偏大；

(3)针对中风化泥岩，单轴抗压强度试验、剪切波速试验等方法确定的地基承载力均与规范经验值基本一致，说明上述方法均可以用来确定中风化泥岩承载力；

(4)各种试验方法对于胶东白垩系泥岩确定地基承载力的适用性如表5所示：

表5 确定泥岩承载力的方法适用性分析

4 结 论

本文以泥岩为例，通过多种方法对不同风化程度软质岩石的承载力确定方法进行了系统对比研究，得到的主要结论如下：

(1)浅层平板载荷试验是确定全～强风化软岩地基承载力的可靠方法，其试验值更接近于岩土体的实际情况，且应用经验较多，对于重大项目而言，是必不可少的手段；

(2)旁压试验适用于确定全～强风化软质岩石地基承载力，但旁压试验获取的承载力特征值偏大，可靠性差，应用效果一般，需要进一步探索研究；

(3)剪切波速查表法适用于确定各级风化程度的软质岩石地基承载力，并且具有操作简便、成本低廉的优点，具有很高的推广价值；但其属于工程经验法，需要结合实际地层情况及附近工程经验确定，可作为参考，对于重大项目不可作为单独的承载力值确定方法；

(4)单轴抗压强度法是规范推荐方法，适用于确定中～弱风化软质岩石地基承载力，但受节理裂隙影响，其具有试验值离散性大的缺点；当采取这种方法获取泥岩或其他软岩的承载力特征值时，取样、运输过程中对岩芯的密封和保护以及从取样到试验的时效性均十分重要，否则可能影响最终试验结果的准确性.