深井巖基載荷試驗在高層建筑直接增層可行性分析中的應用

李世貴 許 倩

（1.湖北省鄂西地質工程勘察院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學，湖北 宜昌 443000）

20世紀80年代以來，我國很多城市的大荷載立交橋、高層及超高層結構，常采用大直徑嵌巖灌注樁基礎，因其具有直徑大、沉降小、施工質量易控制、承載力大等顯著特點［1］。計算這種樁基礎的承載力，其中最關鍵的是如何切實可靠地確定其樁端阻力標準值。尤其遇到特殊情況，比如在高層或超高層建筑增層項目中，如果根據原勘察報告中室內飽和單軸抗壓強度試驗取值，則樁端阻力標準值滿足不了加層要求，又不可能采取諸如擴大樁直徑或者擴底等措施，此時通過現場原位試驗，準確獲取巖石地基的承載力就顯得尤為重要。

規范［1-3］推薦在實際工程中應優先采用單樁豎向靜載試驗。然而常見的嵌巖樁一般是大直徑樁，其單樁承載力很高，通常很難直接壓至極限荷載，且試驗費用高昂。根據規范［2］，嵌巖樁可通過巖基載荷試驗間接獲取樁端阻力標準值。國內外學者關于嘗試通過巖基載荷試驗來確定地基承載力的研究，已做了大量的探索工作，如文獻［4］根據岳陽市多個工程的現場巖基載荷試驗資料，研究得出了室內巖石飽和單軸抗壓強度試驗與現場載荷試驗取值之間的關系；文獻［5-6］將深井巖基載荷試驗成功運用于超高層項目中，均成效顯著。

前人研究巖基載荷試驗確定地基承載力的方法，均只適用于P-S曲線上有明顯初始線性段和明顯拐點的情況，而在工程實踐當中，常常遇到P-S曲線上無明顯初始直線段和明顯拐點的情況。針對上述情況，本文依托宜昌市中心某高層建筑增層項目，在無法進行單樁靜載試驗下，作者嘗試在人工開挖的深井中進行中風化粉砂巖的巖基載荷試驗，并跟室內試驗進行對比分析，結合多年勘察工作經驗，成功解決了P-S曲線無明顯初始直線段和明顯拐點情況下巖基承載力取值問題，挖掘出中風化粉砂巖潛藏的承載力，為該項目的加層設計可行性分析提供了合理可靠的依據，并取得了良好的效果。

1 工程概況及地質條件

宜昌市中心某高層建筑，始建于2005年，其縱長76m，平均寬約25m，總建筑面積38000m2，高度80m。該建筑地面以上為20層，設一層4.5m高的地下室，屬框架-剪力墻結構，建筑物總荷載約為940000KN，中柱荷重約 23000KN，邊柱荷重約20000KN，采用大直徑人工挖孔嵌巖樁基礎，樁端嵌入中風化粉砂巖中。在區域構造上，工程區地處黃陵背斜與宜昌單斜凹陷的西緣，區內無斷層痕跡，構造變形輕微，形跡簡單。建筑物場地處在長江二級階地上，地勢平緩。根據鉆探揭露，建筑物基底巖石為白堊系下統五龍組中～微風化粉砂巖，沉積厚度大，達300m以上。中風化粉砂巖呈灰～灰白色，揭露層頂埋深16.9～19.7m，主要礦物成分為長石石英，粒狀碎屑結構，泥鈣質膠結，中厚～厚層狀構造，具水平層理，巖層傾角8～10°，有少量微張裂隙，夾褐紅色5～10cm薄層狀泥巖，巖芯呈長-短柱狀，巖體較完整，巖石飽和單軸抗壓強度標準值為10.1MPa，查規范屬IV類軟巖。

鑒于目前城市中心區域往往建構筑物、人口及地下管線密集，新建高樓大廈必然帶來更多的環境問題。而直接在原有20層建筑物基礎上加高3層，不僅可以不占用其他的土地擴大建筑物使用面積，而且不會影響建筑物正常運營。若采用原勘察報告中根據室內飽和單軸抗壓強度試驗所取的巖基承載力去進行驗算，要么達不到加層所需要求，要么基本處在臨界狀態；此外，工程施工空間狹窄，大型設備無法進入，不具備進行單樁靜載試驗的條件。基于上述原因，作者提出通過深井巖基載荷試驗，以期充分挖掘出巖基潛在的承載力，進而論證直接增層的可行性。

2 深井巖基載荷試驗

2.1 試驗點的選取及布置原則

根據原勘察報告中鉆孔分層數據，試驗點優先布置在中風化粉砂巖埋藏較淺且建筑物基礎受力較大的區域，以減少探井開挖工作量。每個場地探井的數量至少3個。

根據以上原則，在擬加層建筑物北東側和南西側居中位置布置了3口探井（見圖1），采取人工挖井方式，探井外徑1.5m，內徑1.2m，選用15cm厚的C25混凝土護壁，其內配置環向和縱向HPB300鋼筋。3口探井均挖至穩定的中風化粉砂巖，其中1#深19.3m，2#深19.6m，3#深20.7m。

圖1 探井位置分布圖

2.2 現場試驗裝置

圖2 現場試驗裝置示意圖

本次現場試驗采用堆載法，通過Φ300鋼管傳力柱將荷載傳至底部Φ300圓形剛性承壓板，底部鋪設厚度約10mm的中砂墊層。試驗裝置如圖2所示。

2.3 試驗要點

本試驗依照相關規范及工程地質手冊規定進行，具體要求如下：

1）加載方式：采用多級加載，第一級荷載約等于設計值的1/5，而后逐級按設計值的1/10增加；

2）沉降量觀測：加載后，立即通過傳力柱上方對稱布設2個位移計進行測讀，往后每間隔10min測讀一回；

3）穩定標準：當連續出現三次讀數之差均小于0.01mm時，可認為沉降已經穩定，繼續進行下級加載；

4）終止加載條件：沉降量在24h內不能穩定，且其速率不斷增大；荷載要么加不上要么加上了也不能維持穩定；試驗最大加載量應大于設計值的2倍；

5）地基承載力確定：在p-s曲線上，起始直線段最大值為比例界限；滿足上述第4條要求的前一級荷載為極限荷載；將三組試驗的極限荷載分別除以3，再分別與其對應的比例界限比較后取小值；最后取三組小值中的最小值作為本場地的巖石地基承載力。

3 試驗成果及分析

3.1 現場試驗成果及分析

將巖基載荷試驗成果進行匯總（見表1），繪制出中風化粉砂巖的荷載-累計沉降量（p-s）曲線，從圖3中可看出各試驗點的p-s曲線均無明顯陡降段。針對各點試驗成果分析如下：

1#試驗點：在荷載增加至1981.6KN時，其總沉降量47.56mm，因達到設計加層要求無需繼續加載，該點的極限承載力大于1981.6KN，其極限荷載大于28309kpa，除以3得9436kpa。該點的比例界限值取12000KPa，兩者取小值最終得1#點地基承載力特征值9436KPa。

2#試驗點：在荷載增加至1981.6KN時，其總沉降量30.85mm，因達到設計加層要求無需繼續加載，該點的極限承載力大于1981.6KN，其極限荷載大于28309kpa，除以3得9436.3kpa。該點比例界限值取10800KPa，兩者取小值最終得2#點地基承載力特征值9436KPa。

3#試驗點：在荷載增加至1981.6KN時，其總沉降量22.38mm，因達到設計加層要求無需繼續加載，該點的極限承載力大于1981.6KN，其極限荷載大于28309kpa，除以3得9436kpa。該點比例界限值取12000KPa，兩者取小值最終得3#點地基承載力特征值9436KPa。

根據表1和圖3分析并結合規范規定，取3試驗點地基承載力特征值中的最小值9436KPa作為整個場地中風化粉砂巖的承載力特征值。從圖3中可看出當1#～3#試驗點荷載增加至28309KPa時均未發生破壞，皆因達到設計加層要求而終止了試驗，由此可知該中風化粉砂巖潛藏的承載力仍未全部挖出。

表1 巖基載荷試驗成果匯總表

圖3 荷載-累計沉降量曲線圖

3.2 巖基承載力綜合取值

將現場試驗與室內試驗作對比，并結合當地多年實踐經驗，巖基承載力綜合取值如下表2所示。分析表2和圖3可得：

1）在原勘察報告中，中風化粉砂巖室內飽和單軸抗壓強度標準值為10.1MPa，巖體較完整，按規范［1］取折減系數0.3，計算得承載力特征值為3030kPa。而現場巖基載荷試驗所得承載力特征值為9436KPa，是室內試驗取值的3.1倍；

2）鑒于現場巖基載荷試驗按規范取值所得的中風化粉砂巖承載力非常高，作者根據本工程場地地層揭露及建筑物增層引起的附加荷載增加情況，并結合當地多年高層項目勘察工作實踐經驗，當P-S曲線上初始直線段不明顯以及無明顯拐點時，按累計變形量確定的巖基承載力比較切合實際些，本文取累計變形值18mm（即0.06d）所對應的荷載值作為中風化粉砂巖承載力極限值。由此可得1#～3#試驗點承載力極限值分別為18812KPa、15400KPa、24788KPa，再分別除以3，最后取三者中的最小值5100KPa作為中風化粉砂巖的承載力特征值，其較室內試驗取值提高了68%，進而得出樁端阻力標準值也較原來提高了68%，完全滿足設計直接增加3層的要求（設計要求提高20%）。

表2 巖基承載力綜合取值

3.3 深井巖基載荷試驗成果效用及建議

本工程地理位置十分優越，增加3層可以增加建筑面積約5700m2，按目前該位置同類高層建筑價格12000元/m2粗略估算，需6840萬元。而直接增層，按目前宜昌市同類高層建筑建安造價約1300元/m2來算，增加3層需要741萬；裝修等費用按1000元/m2計算，約570萬；合計1311萬，可見直接增層可節約資金達五千萬元，其經濟效益非常可觀。相反，如果采用原勘察報告中室內試驗取值，則樁基礎承載力要么達不到加層所需要求，要么基本處在臨界狀態，需要采用高壓注漿等措施對樁基礎進行加固處理并做各種檢測分析，工期至少得延長兩個月以上。

綜上分析，室內飽和單軸抗壓強度試驗，不僅受現場鉆探取樣方法和試樣選取過程中人為因素影響，同時試樣本身也存在尺寸效應且試驗過程中無側限，造成試驗結果較保守。鑒于此，作者建議在單樁靜載荷試驗不可行的情況下，可考慮采用現場巖基載荷試驗并結合當地實踐工作經驗去綜合確定地基承載力。

4 結語

本文以湖北省宜昌市某高層建筑直接增層項目為依托，采用人工開挖的深井巖基載荷試驗，成功挖掘出中風化粉砂巖地基潛藏的承載力，總結如下：

1）根據深井巖基載荷試驗，可以切實可靠地確定出基巖的地基承載力，其較室內飽和單軸抗壓強度試驗取值有大幅提高。對于山區斜坡陡坎地帶或者現場條件受限單樁靜載試驗沒法進行時，采用巖基載荷試驗不僅簡便經濟，而且切實有效。

2）在P-S曲線上初始直線段不明顯以及無明顯拐點的情況下，按累計變形量確定的巖基承載力比較切合實際些，既保證了加層安全，又獲得了良好的經濟效益。

3）深井巖基載荷試驗可在大跨橋梁、高層及超高層項目中推廣使用，積累更多的地區性工程經驗，對地方規范編制及某些特殊巖質條件下的工程設計具有非常重要的意義。