兰州某场地砂岩侧摩阻力试验研究

黎平^①

（① 核工业武威工程勘察院,甘肃武威 733000）

摘要:兰州地区第三系砂岩是一种极软质岩石,成孔扰动及遇水软化后,丧失结构强度。本文通过对砂岩层的抗浮桩抗拔试验,对兰州地区第三系砂岩层进行定量研究,探讨其受水影响后的力学性能特别是其侧摩阻力在成孔扰动及受水软化后的极限值,探讨其破坏特征及影响因素,为类似生产项目提供借鉴意义。

关键词:砂岩;侧摩阻力;抗拔试验;影响因素;破坏特征

中图分类号:        文献标识码:A

0 引言

兰州地区第三系砂岩是一种极软质岩石,由于成岩性差,浸水后,力学性能变化较大,且极易崩解而丧失结构特性。砂岩的摩阻力来自于砂岩与桩身接触表面的粗糙,阻碍桩身与砂岩的相对移动。吴江斌^[1]等采用试桩对软土地区多种桩型抗浮侧摩阻力特性进行了探讨,拉拔侧摩阻力在机理上不同于抗压侧摩阻力,特别是随着拉拔荷载的增大接近极限的时候。同硬质岩相比,第三系砂岩在破坏前变形具非线性,出现剪胀,呈塑性变形^[2]。兰州地区第三系砂岩为陆相沉积,颜色一般为棕红色,局部为肉红色,多同泥岩互层分布,由于沉积年代较短,成岩作用差。结构上主要为粒状结构,以泥质胶结为主,局部为钙质胶结,遇水软化后,丧失结构强度。

本文通过对砂岩层的抗浮桩抗拔试验,对兰州地区第三系砂岩层进行定量研究,探讨其受成孔扰动及水影响后的力学性能特别是其侧摩阻力在受水软化后的极限值,探讨其影响因素及破坏特征,为类似生产项目提供借鉴意义。

1概况

某项目位于兰州市段家滩,大底盘车库基坑开挖至标高-13.45m,基坑底部为砂岩层、局部覆盖薄层卵石。场地从地貌单元上属黄河南岸Ⅰ级阶地。

1.1 岩土层的构成

依据场地勘察报告,场地内地层如下:

①杂填土层,层厚4.80～7.80m。杂色,为人工新近堆积,成分较杂,主要由粉土组成,含砖块、建筑垃圾、生活垃圾等,土质不均,稍湿～饱和,松散～稍密。

②细砂层,层厚0.20～2.10m、场地内局部无此层。青灰色,砂质较纯净,矿物成份以石英、长石为主,含少量暗色矿物及砾石,局部含灰黑色粉土团块。饱和,松散～稍密。

③卵石层,层面深度5.20～8.10m、层面标高1504.23～1507.89m,层厚4.40～12.80m。青灰色,母岩成分主要由石英砂岩、花岗岩等硬质岩石组成,颗粒级配较好,呈次圆～圆状;一般粒径2～7cm、占总重的50～65%,最大粒径18cm;弱风化,颗粒间呈接触式排列,结构不均。局部砂、砾分别富集,充填物为砂、砾。稍密～中密。

该层中有层厚0.50～1.50m的细砂夹层或透镜体（即③1层）

④砂岩层:层面深度11.00～19.40m、层面标高1493.96～1501.87m,勘探最大揭示厚度11.60m、未揭穿。桔红色,强风化,细粒结构,层状构造,矿物成份以石英、长石为主,含少量暗色矿物,成岩作用弱,岩芯呈散体状、短柱状。

1.2 地下水

勘察期间地下水埋深2.50-4.80m,其高程1507.99～1509.91m。

1.3 物理力学性质

颗粒组成以细砂为主,粒径主要集中于0.05~1.00mm,含量占60~70%,黏粒含量小于3%;粉粒含量为5~10%,属于较纯净的砂岩。现场对采取的8组强风化砂岩原状岩样进行室内试验,采样方法为开挖取原状样,试验结果见下表1.1-1:

表1.1-1  强风化砂岩抗压强度试验指标统计表                   

由于该区域第三系砂岩为半成岩状态,且风化崩解迅速,残余强度低,采取的强风化砂岩试样,不同程度的受到影响,天然状态单轴抗压强度试验结果应较实际为低,受取样卸荷影响,密度、干密度实验结果应偏小,孔隙比实验结果应偏大,对于物理力学参数试验结果应可以忽略这种影响。

2 试验

抗浮试验桩4根,试验桩长11m,设计桩径0.6m,主筋为11根Φ22II级钢。桩均位于砂岩层中。本次试验预估单桩竖向抗拔极限承载力1000kN,按1200KN,分10级加载,每级加载120kN,第一次加两级荷载。卸载按2级加荷进行。要求加、卸载时荷载传递均匀、连续、无冲击,每级荷载在维持过程中的变化幅度不超过分级荷载的±10%。每级加载后按第5、15、30、45、60min测读桩顶上拔量,以后每隔30min测读一次。试桩上拔相对稳定标准:每一小时内的桩顶上拔量不超过0.1mm,并连续出现两次（按1.5h连续三次每30min的上拔观测值计算）。

当出现下列情况之一时,终止加载:某级上拔荷载作用下,桩顶上拔量大于前一级上拔荷载作用下上拔量的5倍;按桩顶上拔量控制,当累计桩顶上拔量超过100mm时;按钢筋抗拉强度控制,桩顶上拔荷载达到钢筋强度标准值的0.9倍。当桩顶上拔速率达到相对稳定标准时,再施加下一级荷载。卸载时,每级荷载维持1h,按第15、30、60min测读桩顶变形量后、可卸下一级荷载。卸载至零后,测读桩顶残余上拔量,维持时间3h,测读时间为第15、30min,以后每隔30min测读一次。

3 试验结果

依据终止加载条件,各试桩均未加载至预估极限值而达到变形限值100mm。各试桩加载及变形如下表3.1-1:

表3.1-1  试桩试验参数统计表

绘制P-S曲线如下图3.1-1。

图3.1-1  试桩P-S曲线

以上极限侧阻力计算时,抗浮桩不考虑桩身表面的不均匀性,桩身自重按浮重量。根据计算结果,侧阻力平均值18.0KPa,不满足极差不超过平均值的30%,此时侧阻力取值最小值,即q_sk=15.1KPa。

4 破坏特征及影响因素

4.1 试桩抗拔试验的破坏特征

Balla(1961年)、Meyerhof和Adams(1968年)等指出,在极限抗拔荷载作用下,抗拔桩破裂面在桩端处与桩表面相切,如下图4.1-1抗拔桩破裂面与桩身关系。而在桩顶位置处,曲线与水平面夹角为45º -φ/2。该夹角与土类无关,即无论砂性土或是粘性土,其夹角为定值。考虑到兰州市区第三系砂岩的特殊性质,其遇水软化后与一般砂性土无异,故可认为其破裂面符合上述曲面与桩身关系。

图4.1-1 抗拔桩破裂面与桩身关系

4.2 抗拔桩侧摩阻力的影响因素

根据实验结果,砂岩层侧摩阻力仅为15.1KPa,该值远小于《建筑桩基技术规范》（94-2008）的推荐值,甚至于低于一般细砂的极限侧摩阻力值。该值为实验值无疑,但其值过低由以下原因造成:①基坑开挖后存在卸荷作用,砂岩迅速遇水软化;②试验条件为开挖之后的基坑内,侧摩阻力去除了埋深的有利影响;③预估的极限值较高,导致分级荷载大,其极限荷载为变形限值的前一级荷载,破坏荷载与前一级荷载跨度较大。

5 结论

本研究主要通过对第三系砂岩层的抗浮桩的拉拔试验,分析砂岩层的侧摩阻力及其破坏特征、影响因素等,得出结论如下:

①兰州市区域砂岩层的抗拔侧摩阻力较低,低于一般意义上的砂岩;②砂岩层的抗拔破坏曲面符合砂性土破裂面的规律;③试验条件是影响砂岩层的抗拔侧摩阻力的重要因素。

同时,抗拔桩的土体破坏特征及其量化关系,限于本次研究的局限性,未能对其试验研究及深入分析,将在后续的研究中心继续探讨。

①吴江斌等.软土地区多种桩型抗拔桩侧摩阻力特性研究[J],岩土工程学报,2010.8[32, 增刊2]:93-96

②王文斌．兰州地区第三系风化红砂岩工程地质特性研究[Ｊ]．兰州铁道学院学报,1994,16(1):24~28