国际金融中心岩基承载力试验研究（共2篇）
国际金融中心岩基承载力试验研究 篇1
1岩基承载力试验
1.1试验方法及试验点布置试验方法包括岩石地基静力载荷试验、钻孔旁压试验与岩石天然单轴抗压试验。
试验地层为?瑏瑡中风化泥质粉砂岩，在不影响基底持力层工程性能的前提下，试验深度尽可能接近基底标高，进入中风化泥质粉砂岩厚度大于等于14.0m。
岩基载荷试验点数3个，均匀分布在T1塔楼地基范围内;每个岩基载荷试验点中心大于承压板2倍直径距离之外布设1处试验孔进行旁压试验;岩基载荷试验前，
在每个试点中心大于承压板2倍直径距离之外和承压板标高以上1m范围内各选取一组岩样进行室内单轴抗压强度试验，载荷试验后，在承压板下1m范围内再取一组岩样进行单轴抗压强度试验，试验点布置见图1。
1.2载荷试验试坑为圆形，深200mm、直径1130mm，人工开挖，采用C30混凝土及时封孔，以保证试验点岩性不受天气、雨水浸泡等影响而弱化。
混凝土垫层上安置面积1m2、厚80mm的钢板作为承载板，板上设置千斤顶。
采用支撑墩平台堆载反力装置，配重采用预制钢筋混凝土梁条，试验点反力荷载按不低于检测最大加载值的1.2倍配重，最大加载量参考文献[4]规定折减系数上限值0.8确定。
为保证较准确地获取Q-s曲线上的比例界限值，加载量级不小于25级。
试验结果见表1。
Q-s曲线表明(图2)，加荷至预定最大加载量7500kPa时，沉降仍然稳定，未出现《建筑地基基础设计规范》(GB50007-)附录H.0.8条之终止加载现象。
将最大试验荷载除以3的安全系数与比例界限点对应荷载相比较取小值，岩基承载力特征值取2500kPa。
1.3旁压试验旁压试验是通过旁压器加压扩张向土体施加均匀压力，使之产生变形乃至破坏，测量压力和径向变形的应力应变曲线。
1.4岩石天然单轴抗压试验每个岩基载荷试验点各取岩样3组进行天然状态下的单轴抗压试验。
载荷试验前，在试验标高以上1.0m范围及距离试验点大于2倍承压板直径范围外各取岩样1组，如图1之取样点1、2。
岩基载荷试验完成后，在承压板中心位置布设钻孔进行持力层检验，并在承压板以下1m范围内(图1中取样点3)取第3组岩样。
试验统计结果及计算的岩基承载力特征值见表3所示。
2分析与讨论
2.1载荷试验与岩石单轴抗压试验结果对比现行规范中，涉及岩石地基载荷试验者主要有《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)和《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72-)[9]。
本试验执行GB50007-2011附录H之“岩石地基载荷试验要点”，但承压板直径为?1130mm，远大于岩基载荷试验要求的?300mm，也大于JGJ72-2004附录E中“大直径桩端阻力载荷试验要点”规定的?800mm。
从图2分析，除T1-1#比例界限点明显外，T1-2#、T1-3#基本呈直线段，比例界限点不甚明显。
采用最小二乘法对Q-s曲线进行修正，分别获取s/d=0.008对应荷载为4220kPa、4073kPa。
岩基承载力特征值与岩石天然单轴抗压强度标准值之比值见表4。
对比发现，按最大加载量的1/3计算的岩基承载力特征值，其折减系数为0.5<ψr<1，大于GB50007-2011的上限0.5而小于《长沙市地基基础设计与施工规定》(DB43/T010-)[4]之上限0.8。
其他方法获得的结果接近或大于1，其结果与文献[10]的结论一致;采用最大加载量的1/2确定岩基承载特征值为3750kPa，既符合概念要求，与其他确定方法相比也有一定安全储备。
2.2旁压试验与岩石单轴抗压试验结果对比利用旁压试验成果来评定浅基础的承载力，在国内外均有丰富的经验，包括临塑压力法和极限压力法。
由式(8)计算，旁压试验点P1～P3的临塑压力分别为4.95MPa、5.64MPa、5.31MPa，与表2中试验结果>4.61MPa、>5.01MPa、>4.83MPa吻合。
与岩石抗压强度的比值分别为1.56、1.45、1.49，高于载荷试验T1-1#、T1-2#的比例界限压力而与T1-3#相近。
由式(9)计算，三个旁压试验孔P1～P3的极限压力分别为11.13MPa、12.18MPa、11.68MPa。
取安全系数K=3，计算承载力值特征值分别为3711kPa、4061kPa、3994kPa。
旁压试验计算的承载力与岩石抗压强度的比值分别为1.17、1.04、1.12，与T1-1#的比例界限压力及载荷试验的最大加载量的1/2比较接近。
考虑到旁压试验均未加荷至临塑压力点，且旁压试验在基坑底标高进行，初始压力P0对试验成果的`影响与在地面进行试验的贡献不同，该试验结果应该说仍有相当的安全储备。
2.3载荷试验与旁压试验对比载荷试验最大加载7500kPa，试验过程中未出现GB50007-2011附录H之终止加载现象，最大加载下对应的变形量为17.63～29.85mm，与JGJ72-2004附录E之终止加载的沉降量限值(0.04～0.06)d(即45.2～67.8mm)相差很大。
试验后观测各试验点，承压板周围岩石无裂缝、混凝土垫层也未见破碎或开裂痕迹。
可见，载荷试验仍未做到破坏点。
与笔者曾经完成的旁压试验结果相比，本次旁压试验终止时，其加载量与旁压器测试腔的体积变形量尚有继续试验的余地。
显然，以此来进行二者的对比，缺乏客观性。
从前文分析来看，旁压试验确定的岩基承载力较载荷试验成果略偏高且有安全储备。
综合上述分析，由表5不难发现，三者的总体关系如下:旁压试验结果>载荷试验结果>岩石单轴抗压试验结果。
文献[12]针对上述关系进行过分析，认为原因如下:①泥质粉砂岩为黏土质岩石，水稳性差，岩石强度受钻探施工、试样加工及试验等因素影响而偏低;②岩基载荷试验的加荷影响深度有限，未能体现围压对岩基承载力的贡献;③旁压试验较好地反映了不同围压作用下岩体的强度变形，可更好地模拟深基础的应力状态。
上述分析表明，采用载荷试验的最大加载量的1/2，即3750kPa作为承载力特征值是安全可靠的，该类岩石地基的承载极限是多少，尚待继续研究与探讨。
3结语
(1)长沙国际金融中心场地基础持力层为中风化泥质粉砂岩，岩基试验采用Φ1130mm承载板来检验承载力特征值为2500kPa，较《建筑基地基础设计规范》(GB50007-2011)之岩石强度折减系数有较大提高，但仍未突破地方规范之上限[4]。
(2)本试验再次验证了文献[10]的研究结论，即岩石地基承载力特征值:旁压试验结果>载荷试验结果>岩石单轴抗压试验结果。
综合分析表明，国际金融中心岩基承载力特征值取比例界限压力与大板载荷试验最大加载量的1/2之间的小值(3750kPa)是可靠的，该值接近试验段岩石天然抗压强度标准值。
换言之，利用红层软岩单轴天然抗压强度标准值作为地基承载力特征值是可信的。
(3)实践表明，采用单轴抗压试验按现行标准确定长沙地区红层地基的承载力，结果偏低，不能客观反映岩体实际强度，建议采用载荷试验或旁压试验来确定其承载能力。
特别地，旁压试验设备简单，操作方便，结果可靠，可最大程度地克服取样、加工等缺陷，经过近的应用，在本地区积累了一定经验，已为工程实践所验证，其结果能客观反映长沙红层的强度变形特征，该方法值得归纳、总结、推广和重视。
国际金融中心岩基承载力试验研究 篇2
长沙位于K-N系内陆湖相沉积形成的湘浏盆地中,盆地内75%以上的基岩为红色碎屑岩,饱和单轴抗压强度大多小于5MPa,属极软岩[1]。基岩埋深在6. 0 ~ 25. 0m之间,是高层、超高层建筑及桥梁工程的理想持力层。该类岩层地域特性明显,按 《建筑地基基础设计规范》( GB 50007 -2011)[2]中根据岩石单轴抗压强度计算承载力时,其结果与原位试验结果差距很大[3,4]。该类问题已得到业界的关注与重视[5,6]。
长沙国际金融中心被誉为 “湖南第一高楼”,由两栋高度分别为452m、315m的塔楼及6层商业裙房组成,设计地坪标高45. 55m,地下5层,基坑最大深度达42. 25m,基底岩性为中风化泥质粉砂岩,号称 “三湘第一坑”。如何确定中风化泥质粉砂岩的承载力,对基础选型与基础投入关系密切。本文针对T1塔楼岩石地基承载力专项试验报告[7],对不同方法确定的岩基承载力特征值进行了分析与探讨,提出了承载力的取值原则,供同行参考。
1工程地质条件概述
场地位于长沙 “五一商圈”中心地段,为黄兴中路、蔡锷中路、解放西路、东牌楼街所围合区域。原始地貌为湘江II级冲积阶地,西距湘江约400m。地层组成如下[8]:
1人工填土: 褐灰、褐黄,松散—稍密,层厚0. 50 ~ 7. 70m;
2淤泥质粉质黏土: 褐灰,含有机质,软塑。 断续分布,层厚0. 50 ~ 9. 20m;
3粉质黏土: 褐黄,含灰白条纹,硬塑。层厚1. 00 ~ 10. 00m;
4粉质黏土: 褐红、灰白,网纹结构,坚硬— 硬塑,层厚1. 20 ~ 11. 00m;
5粉细砂: 褐黄, 饱和, 稍密, 层厚0. 60 ~ 5. 60m;
6粉质黏土: 褐灰,很湿,软塑,层厚2. 20m ;
7中粗砂: 褐黄,层厚0. 80 ~ 17. 00m ;
8圆砾: 褐黄,含卵石5% ~ 20% ,层厚0. 60 ~ 5. 90m;
9残积粉质黏土: 褐红,稍湿,硬塑—坚硬, 层厚0. 40 ~ 5. 70m;
10强风化泥质粉砂岩: 褐红,岩体破碎,岩体基本质量等级为V级,层厚0. 40 ~ 15. 50m;
11中风化泥质粉砂岩: 褐红,极软岩,岩体完整,岩体基本质量等级为V级,层厚1. 00 ~65. 50m;
12微风化泥质粉砂岩: 褐红,极软岩,岩体完整,岩体基本质量等级为V级,揭露岩层 厚度1. 30 ~ 39. 50m。
2岩基承载力试验
2. 1试验方法及试验点布置
试验方法包括岩石地基静力载荷试验、钻孔旁压试验与岩石天然单轴抗压试验。试验地层为瑏瑡中风化泥质粉砂岩,在不影响基底持力层工程性能的前提下,试验深度尽可能接近基底标高,进入中风化泥质粉砂岩厚度大于等于14. 0m。
岩基载荷试验点数3个,均匀分布在T1塔楼地基范围内; 每个岩基载荷试验点中心大于承压板2倍直径距离之外布设1处试验孔进行旁压试验; 岩基载荷试验前,在每个试点中心大于承压板2倍直径距离之外和承压板标高以上1m范围内各选取一组岩样进行室内单轴抗压强度试验,载荷试验后,在承压板下1m范围内再取一组岩样进行单轴抗压强度试验,试验点布置见图1。
2. 2载荷试验
试坑为圆形,深200mm、直径1130mm,人工开挖,采用C30混凝土及时封孔,以保证试验点岩性不受天气、雨水浸泡等影响而弱化。混凝土垫层上安置面积1m2、厚80mm的钢板作为承载板,板上设置千斤顶。采用支撑墩平台堆载反力装置,配重采用预制钢筋混凝土梁条,试验点反力荷载按不低于检测最大加载值的1. 2倍配重,最大加载量参考文献 [4] 规定折减系数上限值0. 8确定。为保证较准确地获取Q-s曲线上的比例界限值,加载量级不小于25级。试验结果见表1。
Q-s曲线表明 ( 图2) ,加荷至预定最大加载量7500k Pa时,沉降仍然稳定,未出现 《建筑地基基础设计规范》 ( GB 50007 - 2011) 附录H. 0. 8条之终止加载现象。将最大试验荷载除以3的安全系数与比例界限点对应荷载相比较取小值,岩基承载力特征值取2500k Pa。
2. 3旁压试验
旁压试验是通过旁压器加压扩张向土体施加均匀压力,使之产生变形乃至破坏,测量压力和径向变形的应力应变曲线。由曲线形态可确定初始压力P0、临塑压力Pf、极限压力PL及相应的体积V0、 Vf、VL,并计算旁压模量Em和似弹性模量E:
式中: E为似弹性模量 ( MPa) ; Em为旁压模 量 ( MPa) ; μ 为泊松比; V0、Vf分别为与P0、Pf对应的体积变形量 ( cm3) ; Vm为平均体积变形量,Vm= ( V0+ Vf) /2; Vc为旁压器固有腔体积 ( cm3) ; ΔP为P-V曲线上直线段压力增量 ( MPa) ; ΔV为与 ΔP对应的体积变形增量 ( cm3) 。
旁压试验采用G-AM梅纳旁压仪,探头型号为Nx型 ( Φ70mm) ,Vc= 790cm3。试验结果见表2。
2. 4岩石天然单轴抗压试验
每个岩基载荷试验点各取岩样3组进行天然状态下的单轴抗压试验。载荷试验前,在试验标高以上1. 0m范围及距离试验点大于2倍承压板直径范围外各取岩样1组,如图1之取样点1、2。岩基载荷试验完成后,在承压板中心位置布设钻孔进行持力层检验,并在承压板以下1m范围内 ( 图1中取样点3) 取第3组岩样。
岩石地基承载力特征值按式 ( 3) 计算:
式中: fa为岩石地基承载力特征值 ( k Pa) ; frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值,对黏土质岩样取岩石天然抗压强度 ( k Pa) ; ψr为折减系数,根据岩体完整程度以及结构面的间距、宽度、产状和组合确定。本场地岩体完整,结构面不发育,岩层近水平,取 ψr= 0. 50。
试验统计结果及计算的岩基承载力特征值见表3所示。
3分析与讨论
3. 1载荷试验与岩石单轴抗压试验结果对比
现行规范中,涉及岩石地基载荷试验者主要有《建筑地基基础设计规范》 ( GB 50007 - 2011) 和 《高层建筑岩土工程勘察规程》 ( JGJ 72 - 2004)[9]。 本试验执行GB 50007 - 2011附录H之 “岩石地基载荷试验要点”,但承压板直径为 1130mm,远大于岩基载荷试验要求的 300mm,也大于JGJ 72 2004附录E中 “大直径桩端阻力载荷试验要点” 规定的 800mm。从图2分析,除T1-1#比例界限点明显外,T1-2#、T1-3#基本呈直线段,比例界限点不甚明显。采用最小二乘法对Q-s曲线进行修正,分别获取s/d = 0. 008对应荷载 为4220k Pa、 4073k Pa。岩基承载力特征值与岩石天然单轴抗压强度标准值之比值见表4。
对比发现,按最大加载量的1 /3计算的岩基承载力特征值,其折减系数为0. 5 < ψr< 1,大于GB 50007 - 2011的上限0. 5而小于 《长沙市地基基础设计与施工规定 》 ( DB43 /T 010 - 1999 )[4]之上限0. 8。 其他方法获得的结果接近或大于1 ,其结果与文献 [ 10 ] 的结论一致; 采用最大加载量的1 /2确定岩基承载特征值为3750k Pa ,既符合概念要求, 与其他确定方法相比也有一定安全储备 。
3. 2旁压试验与岩石单轴抗压试验结果对比
利用旁压试验成果来评定浅基础的承载力,在国内外均有丰富的经验,包括临塑压力法和极限压力法[11],公式如下:
或
或
式中: P'f= Pf- P0,为净临塑压力; P'L= PL- P0,为净极限压力; K为安全系数,一般取2 ~ 3。
由于Pf与PL已包括了试验深度的初始压力P0在内,利用公式 ( 5) 、 ( 7) 评定的承载力不需再做深度修正。
近20年来,旁压试验在长沙地区高层建筑勘察中得到了较好的推广与应用,也进行了一系列旁压试验与岩石单轴抗压试验的对比研究,得到如下相关公式[11]:
由式 ( 8) 计算,旁压试验点P1 ~ P3的临塑压力分别为4. 95MPa、5. 64MPa、5. 31MPa,与表2中试验结果 > 4. 61MPa、 > 5. 01MPa、 > 4. 83MPa吻合。 与岩石抗压强度的比值分别为1. 56、1. 45、1. 49, 高于载荷试验T1-1 #、T1-2 #的比例界限压力而与T1-3#相近。
由式 ( 9) 计算,三个旁压试验孔P1 ~ P3的极限压力分别为11. 13MPa、12. 18MPa、11. 68MPa。 取安全系数K = 3,计算承载力值特征值分别为3711k Pa、4061k Pa、3994k Pa。旁压试验计算的承载力与岩石抗压强度的比值分别为1. 17、1. 04、 1. 12,与T1-1 #的比例界限压力及载荷试验的最大加载量的1 /2比较接近。
考虑到旁压试验均未加荷至临塑压力点,且旁压试验在基坑底标高进行,初始压力P0对试验成果的影响与在地面进行试验的贡献不同,该试验结果应该说仍有相当的安全储备。
3. 3载荷试验与旁压试验对比
载荷试验最大加载7500k Pa,试验过程中未出现GB 50007 - 2011附录H之终止加载现象,最大加载下对应的变形量为17. 63 ~ 29. 85mm,与JGJ 72 - 2004附录E之终止加载的沉降量限值 ( 0. 04 ~ 0. 06) d ( 即45. 2 ~ 67. 8mm) 相差很大。试验后观测各试验点,承压板周围岩石无裂缝、混凝土垫层也未见破碎或开裂痕迹。可见,载荷试验仍未做到破坏点。
与笔者曾经完成的旁压试验结果相比,本次旁压试验终止时,其加载量与旁压器测试腔的体积变形量尚有继续试验的余地。显然,以此来进行二者的对比, 缺乏客观性。从前文分析来看,旁压试验确定的岩基承载力较载荷试验成果略偏高且有安全储备。
综合上述分析,由表5不难发现,三者的总体关系如下: 旁压试验结果 > 载荷试验结果 > 岩石单轴抗压试验结果。文献 [12] 针对上述关系进行过分析,认为原因如下: 1泥质粉砂岩为黏土质岩石,水稳性差,岩石强度受钻探施工、试样加工及试验等因素影响而偏低; 2岩基载荷试验的加荷影响深度有限,未能体现围压对岩基承载力的贡献; 3旁压试验较好地反映了不同围压作用下岩体的强度变形,可更好地模拟深基础的应力状态。
上述分析表明,采用载荷试验的最大加载量的1 /2,即3750k Pa作为承载力特征值是安全可靠的, 该类岩石地基的承载极限是多少,尚待继续研究与探讨。
4结语
( 1) 长沙国际金融中心场地基础持力层为中风化泥质粉砂岩,岩基试验采用 Φ1130mm承载板来检验承载力特征值为2500 k Pa,较 《建筑基地基础设计规范》 ( GB 50007 - 2011) 之岩石强度折减系数有较大提高,但仍未突破地方规范之上限[4]。
( 2) 本试验再次验证了文献 [10] 的研究结论,即岩石地基承载力特征值: 旁压试验结果 > 载荷试验结果 > 岩石单轴抗压试验结果。综合分析表明,国际金融中心岩基承载力特征值取比例界限压力与大板载荷试验最大加载量的1 /2之间的小值 ( 3750k Pa) 是可靠的,该值接近试验段岩石天然抗压强度标准值。换言之,利用红层软岩单轴天然抗压强度标准值作为地基承载力特征值是可信的。