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國際金融中心巖基承載力試驗(yàn)研究
長沙國際金融中心場地基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖基試驗(yàn)采用Φ1130mm承載板來檢驗(yàn)承載力特征值為2500kPa，較《建筑基地基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)之巖石強(qiáng)度折減系數(shù)有較大提高，但仍未突破地方規(guī)范之上限。
國際金融中心巖基承載力試驗(yàn)研究
1巖基承載力試驗(yàn)
1.1試驗(yàn)方法及試驗(yàn)點(diǎn)布置試驗(yàn)方法包括巖石地基靜力載荷試驗(yàn)、鉆孔旁壓試驗(yàn)與巖石天然單軸抗壓試驗(yàn)。
試驗(yàn)地層為?瑏瑡中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，在不影響基底持力層工程性能的前提下，試驗(yàn)深度盡可能接近基底標(biāo)高，進(jìn)入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚度大于等于14.0m。
巖基載荷試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)3個(gè)，均勻分布在T1塔樓地基范圍內(nèi);每個(gè)巖基載荷試驗(yàn)點(diǎn)中心大于承壓板2倍直徑距離之外布設(shè)1處試驗(yàn)孔進(jìn)行旁壓試驗(yàn);巖基載荷試驗(yàn)前，
在每個(gè)試點(diǎn)中心大于承壓板2倍直徑距離之外和承壓板標(biāo)高以上1m范圍內(nèi)各選取一組巖樣進(jìn)行室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，載荷試驗(yàn)后，在承壓板下1m范圍內(nèi)再取一組巖樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)布置見圖1。
1.2載荷試驗(yàn)試坑為圓形，深200mm、直徑1130mm，人工開挖，采用C30混凝土及時(shí)封孔，以保證試驗(yàn)點(diǎn)巖性不受天氣、雨水浸泡等影響而弱化。
混凝土墊層上安置面積1m2、厚80mm的鋼板作為承載板，板上設(shè)置千斤頂。
采用支撐墩平臺(tái)堆載反力裝置，配重采用預(yù)制鋼筋混凝土梁條，試驗(yàn)點(diǎn)反力荷載按不低于檢測最大加載值的1.2倍配重，最大加載量參考文獻(xiàn)[4]規(guī)定折減系數(shù)上限值0.8確定。
為保證較準(zhǔn)確地獲取Q-s曲線上的比例界限值，加載量級(jí)不小于25級(jí)。
試驗(yàn)結(jié)果見表1。
Q-s曲線表明(圖2)，加荷至預(yù)定最大加載量7500kPa時(shí)，沉降仍然穩(wěn)定，未出現(xiàn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)附錄H.0.8條之終止加載現(xiàn)象。
將最大試驗(yàn)荷載除以3的安全系數(shù)與比例界限點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載相比較取小值，巖基承載力特征值取2500kPa。
1.3旁壓試驗(yàn)旁壓試驗(yàn)是通過旁壓器加壓擴(kuò)張向土體施加均勻壓力，使之產(chǎn)生變形乃至破壞，測量壓力和徑向變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
1.4巖石天然單軸抗壓試驗(yàn)每個(gè)巖基載荷試驗(yàn)點(diǎn)各取巖樣3組進(jìn)行天然狀態(tài)下的單軸抗壓試驗(yàn)。
載荷試驗(yàn)前，在試驗(yàn)標(biāo)高以上1.0m范圍及距離試驗(yàn)點(diǎn)大于2倍承壓板直徑范圍外各取巖樣1組，如圖1之取樣點(diǎn)1、2。
巖基載荷試驗(yàn)完成后，在承壓板中心位置布設(shè)鉆孔進(jìn)行持力層檢驗(yàn)，并在承壓板以下1m范圍內(nèi)(圖1中取樣點(diǎn)3)取第3組巖樣。
試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及計(jì)算的巖基承載力特征值見表3所示。
2分析與討論
2.1載荷試驗(yàn)與巖石單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比現(xiàn)行規(guī)范中，涉及巖石地基載荷試驗(yàn)者主要有《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)和《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ72-2004)[9]。
本試驗(yàn)執(zhí)行GB50007-2011附錄H之“巖石地基載荷試驗(yàn)要點(diǎn)”，但承壓板直徑為?1130mm，遠(yuǎn)大于巖基載荷試驗(yàn)要求的?300mm，也大于JGJ72-2004附錄E中“大直徑樁端阻力載荷試驗(yàn)要點(diǎn)”規(guī)定的?800mm。
從圖2分析，除T1-1#比例界限點(diǎn)明顯外，T1-2#、T1-3#基本呈直線段，比例界限點(diǎn)不甚明顯。
采用最小二乘法對(duì)Q-s曲線進(jìn)行修正，分別獲取s/d=0.008對(duì)應(yīng)荷載為4220kPa、4073kPa。
巖基承載力特征值與巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之比值見表4。
對(duì)比發(fā)現(xiàn)，按最大加載量的1/3計(jì)算的巖基承載力特征值，其折減系數(shù)為0.5<ψr<1，大于GB50007-2011的上限0.5而小于《長沙市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工規(guī)定》(DB43/T010-1999)[4]之上限0.8。
其他方法獲得的結(jié)果接近或大于1，其結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的結(jié)論一致;采用最大加載量的1/2確定巖基承載特征值為3750kPa，既符合概念要求，與其他確定方法相比也有一定安全儲(chǔ)備。
2.2旁壓試驗(yàn)與巖石單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比利用旁壓試驗(yàn)成果來評(píng)定淺基礎(chǔ)的承載力，在國內(nèi)外均有豐富的經(jīng)驗(yàn)，包括臨塑壓力法和極限壓力法。
由式(8)計(jì)算，旁壓試驗(yàn)點(diǎn)P1～P3的臨塑壓力分別為4.95MPa、5.64MPa、5.31MPa，與表2中試驗(yàn)結(jié)果>4.61MPa、>5.01MPa、>4.83MPa吻合。
與巖石抗壓強(qiáng)度的比值分別為1.56、1.45、1.49，高于載荷試驗(yàn)T1-1#、T1-2#的比例界限壓力而與T1-3#相近。
由式(9)計(jì)算，三個(gè)旁壓試驗(yàn)孔P1～P3的極限壓力分別為11.13MPa、12.18MPa、11.68MPa。
取安全系數(shù)K=3，計(jì)算承載力值特征值分別為3711kPa、4061kPa、3994kPa。
旁壓試驗(yàn)計(jì)算的承載力與巖石抗壓強(qiáng)度的比值分別為1.17、1.04、1.12，與T1-1#的比例界限壓力及載荷試驗(yàn)的最大加載量的1/2比較接近。
考慮到旁壓試驗(yàn)均未加荷至臨塑壓力點(diǎn)，且旁壓試驗(yàn)在基坑底標(biāo)高進(jìn)行，初始?jí)毫0對(duì)試驗(yàn)成果的影響與在地面進(jìn)行試驗(yàn)的貢獻(xiàn)不同，該試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該說仍有相當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備。
2.3載荷試驗(yàn)與旁壓試驗(yàn)對(duì)比載荷試驗(yàn)最大加載7500kPa，試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)GB50007-2011附錄H之終止加載現(xiàn)象，最大加載下對(duì)應(yīng)的變形量為17.63～29.85mm，與JGJ72-2004附錄E之終止加載的沉降量限值(0.04～0.06)d(即45.2～67.8mm)相差很大。
試驗(yàn)后觀測各試驗(yàn)點(diǎn)，承壓板周圍巖石無裂縫、混凝土墊層也未見破碎或開裂痕跡。
可見，載荷試驗(yàn)仍未做到破壞點(diǎn)。
與筆者曾經(jīng)完成的旁壓試驗(yàn)結(jié)果相比，本次旁壓試驗(yàn)終止時(shí)，其加載量與旁壓器測試腔的體積變形量尚有繼續(xù)試驗(yàn)的余地。
顯然，以此來進(jìn)行二者的對(duì)比，缺乏客觀性。
從前文分析來看，旁壓試驗(yàn)確定的巖基承載力較載荷試驗(yàn)成果略偏高且有安全儲(chǔ)備。
綜合上述分析，由表5不難發(fā)現(xiàn)，三者的總體關(guān)系如下:旁壓試驗(yàn)結(jié)果>載荷試驗(yàn)結(jié)果>巖石單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果。
文獻(xiàn)[12]針對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行過分析，認(rèn)為原因如下:①泥質(zhì)粉砂巖為黏土質(zhì)巖石，水穩(wěn)性差，巖石強(qiáng)度受鉆探施工、試樣加工及試驗(yàn)等因素影響而偏低;②巖基載荷試驗(yàn)的加荷影響深度有限，未能體現(xiàn)圍壓對(duì)巖基承載力的貢獻(xiàn);③旁壓試驗(yàn)較好地反映了不同圍壓作用下巖體的強(qiáng)度變形，可更好地模擬深基礎(chǔ)的應(yīng)力狀態(tài)。
上述分析表明，采用載荷試驗(yàn)的最大加載量的1/2，即3750kPa作為承載力特征值是安全可靠的，該類巖石地基的承載極限是多少，尚待繼續(xù)研究與探討。
3結(jié)語
(1)長沙國際金融中心場地基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖基試驗(yàn)采用Φ1130mm承載板來檢驗(yàn)承載力特征值為2500kPa，較《建筑基地基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)之巖石強(qiáng)度折減系數(shù)有較大提高，但仍未突破地方規(guī)范之上限[4]。
(2)本試驗(yàn)再次驗(yàn)證了文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)論，即巖石地基承載力特征值:旁壓試驗(yàn)結(jié)果>載荷試驗(yàn)結(jié)果>巖石單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果。
綜合分析表明，國際金融中心巖基承載力特征值取比例界限壓力與大板載荷試驗(yàn)最大加載量的1/2之間的小值(3750kPa)是可靠的，該值接近試驗(yàn)段巖石天然抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。
換言之，利用紅層軟巖單軸天然抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為地基承載力特征值是可信的。
(3)實(shí)踐表明，采用單軸抗壓試驗(yàn)按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)確定長沙地區(qū)紅層地基的承載力，結(jié)果偏低，不能客觀反映巖體實(shí)際強(qiáng)度，建議采用載荷試驗(yàn)或旁壓試驗(yàn)來確定其承載能力。
特別地，旁壓試驗(yàn)設(shè)備簡單，操作方便，結(jié)果可靠，可最大程度地克服取樣、加工等缺陷，經(jīng)過近20年的應(yīng)用，在本地區(qū)積累了一定經(jīng)驗(yàn)，已為工程實(shí)踐所驗(yàn)證，其結(jié)果能客觀反映長沙紅層的強(qiáng)度變形特征，該方法值得歸納、總結(jié)、推廣和重視。
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