彭柏兴，金飞

(1.长沙市规划勘测设计研究院，湖南 长沙 410007； 2.九龙仓(长沙)置业有限公司，湖南 长沙 410002)

1 前 言

红层是陆相沉积环境中形成的具有偏红色调碎屑岩，遍布于世界各地，自寒武纪到现代各时期均有出露[1，2]。我国红层主要分布在西南的四川、云南、重庆、贵州、广西等省(自治区)，西北的陕甘宁盆地、塔里木盆地、柴达木盆地等以及中南、东南的长沙、广州、合肥、南京等地区，其形成分布与古地理环境关系密切，沉积时代主要为三叠纪、侏罗纪、白垩纪、第三纪，多为不连续沉积[3]。湖南有大、小红层盆地80余个，分为湘东南、湘北及湘西三个地区，占全省总面积约20.5%。湘浏盆地是其典型代表之一，该盆地内75%以上的基岩为K-N红色碎屑岩，盆地中的长沙、株洲、湘潭两两相距约 45 km，呈“品”字形分布，是湖南重要经济、文化中心。红层与该区建设工程的关系十分密切，是桥梁、隧道、高层、超高层等工程的优良载体，也是岩土工程界关注的重点。

笔者曾从不同角度对长沙红层的风化分带[4]、岩基强度[5，6]、单轴抗压强度与旁压试验对比[7]、波速-旁压联合测试[8]、红层嵌岩桩的荷载传递性状[9]等方面进行了研究。但在同一项目，同时采用载荷试验、旁压试验与岩石单轴抗压强度试验三者间的对比分析尚属首次，450 m以上的超高层建筑采用红层天然地基在国内更属破天荒。本文依托于长沙国际金融中心的详细勘察报告[10]以及T1、T2塔楼的专项试验报告提供的测试数据[11，12]进行了系列分析对比，对如何确定红层地基承载力指标及变形参数提出了自己的标准，供同行参考。

2 试验设计

2.1 工程概况

长沙国际金融中心位于长沙市司门口，由T1、T2两栋超高层塔楼、6层商业裙房组成(如图1所示)，地下5层。±0.00绝对标高 45.55 m。T1高93层、建筑高度 452 m，现为湖南第一、当年(2017年)全球第十高楼；T2高65层、建筑高度 315 m。钢筋砼核心筒+组合框架结构体系，筏板基础。

图1 长沙国际金融中心效果图

2.2 工程地质条件

原始地貌为湘江河流Ⅱ级阶地。第四系地层由填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、圆砾和残积粉质黏土组成，厚约 20 m。基岩为白垩系泥质粉砂岩，按其风化程度分为强风化、中等风化、微风化三带。基坑底板标高为 13.75 m，基础持力层为中风化泥质粉砂岩，节理裂隙不发育，岩体较完整～完整，岩芯呈长柱状，少量短柱状，局部见白色斑点或溶蚀小孔(如图2所示)，岩石质量指标RQD大于75%。岩石物理力学指标如表1所示。

图2 典型岩芯照片

中风化泥质粉砂岩的主要物理力学性质指标 表1

2.3 试验方法

试验由两家单位独立完成，分别在T1、T2塔楼试验各选取3个代表性地段，分别进行由载荷试验、旁压试验与钻探取芯进行岩石天然单轴压缩试验。

试验时，基坑已开挖至设计标高。旁压试验孔与钻探取样孔均位于承压板中心2倍～3倍压板直径之外，三者之间的空间位置关系如图3所示。

图3 试验点布置示意图

3 载荷试验

3.1 试验设备

载荷试验是一种模拟实体基础受荷的原位试验，反映的是承压板以下约1.5倍～2倍压板宽的深度范围内地基土的承载力和变形特性。

试验采用RSM-JC3型静载荷测试仪，加载采用支撑墩平台堆载反力装置(如图4所示)。主梁为 9000 mm×400 mm×600 mm钢梁、次梁为 9000 mm×400 mm×700 mm的钢筋混凝土梁，承压板为厚 80 mm的圆形刚性承压板、面积 1 m2，采用预制混凝土块配重。沉降观测采用4个量程为 0 mm～50 mm的FP-50型百分表。

图4 载荷试验现场照片

3.2 试验方法

试验执行《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)[13]，设计要求岩石地基承载力特征值不小于 2 500 kPa，故最大试验荷载取 7 500 kPa，加载量级≥25级，最大加载量 7 500 kN。

采用单循环加载，荷载逐级递增至最大试验荷载，然后分级卸载。加载时，第一级加载量为预估设计荷载的1/5，以后每级为预估值的1/10。加载后立即进行沉降量测读，以后每 10 min读数一次。连续三次读数之差均不大于 0.01 mm，视为达到稳定标准，即施加下一级荷载。终止加载条件执行GB50007规定。

3.3 试验结果

加载至7 500 kN时，沉降仍然稳定，最大沉降量为 3.62 mm～29.85 mm，最大回弹量 0.92 mm～9.76 mm。试验后观测各试验点，承压板周围岩石无裂缝、砼垫层也未见破碎或开裂痕迹，说明载荷试验未做到破坏点。载荷试验的p-s曲线如图5所示。

图5 载荷试验p-s曲线

(1)岩基承载力的确定

①根据p-s曲线上的比例界限点，获得承载力特征值为 3 750 kPa～5 750 kPa，对应变形量与承压板直径之比为 0.000 3～0.011 6。该变形值位于文献[13]附录C浅层平板载荷试验的s/d=0.01～0.015范围内。

②据文献[13]的附录H，按岩基载荷试验，将最大试验荷载除以3得到承载力特征值为 2 500 kPa。

③根据按浅层平板载荷试验要点，取s/d=0.01～0.015的中间值0.008所对应荷载值为承载力特征值，结果为 4 073 kPa～7 500 kPa，为岩石天然抗压强度的1.04倍～2.81倍。该结果略高于最大加载量 7 500 kPa的一半。

(2)变形参数的计算

利用载荷试验结果可以计算地基土的变形模量E0、基床反力系数Ks[12]，分别由式(1)、式(2)计算：

(1)

式中，d为承压板直径(cm)；p为p-s直线段的压力，kPa；s为p值对应的承压板沉降量，cm；μ为泊松比。

KV=p/s

(2)

式中，p/s为p-s曲线直线段的斜率，若p-s曲线无直线段，取极限压力的一半，s为相应的沉降量。

载荷试验成果如表2所示。

载荷试验成果表 表2

4 旁压试验

4.1 试验原理与设备

旁压试验实质是原位横向载荷试验，由法国工程师梅纳(Louis Ménard)发明于1957年。其原理是将圆柱形旁压器竖直放入土中，利用旁压器扩张对周围土体施加均匀压力，量测压力和径向变形关系来获取地基土在水平方向的应力应变关系。

从理论上讲，旁压试验比其他原位试验方法更为完善，其试验时的应力条件接近于圆柱孔穴扩张课题，其弹性解、弹塑性解已经解决[14]。与载荷试验相比，它更轻便、简单，受地下水和扰动程度影响小，国内外广为应用。本试验采用G-AM梅纳旁压仪，NX型旁压器，外径 70 mm，固有腔体积(Vc)790 cm3，预钻式成孔，直径φ75 mm。

4.2 试验方法

试验前须对进行仪器综合变形率定和弹性膜约束力率定。试验时，先用大于φ75 mm的钻具钻至试验位置以上 1 m左右，再用 φ75 mm钻具钻入试验地层下约 1 m～1.5 m，放入旁压器进行试验。每级压力观测时间为 1 min，取 0 s、15 s、30 s、60 s四个读数。当试验进入明显塑性区和测管水位下降到 550 cm3左右或达到仪器额定压力，试验终止。

将旁压试验原始数据修正绘制p-v曲线(图6)，由曲线可确定初始压力P0、临塑压力Pf、极限压力PL及相应体积V0、Vf、PL。由于受仪器额定压力限制，软岩旁压试验一般难以做到极限点，可通过达到临塑点后3～4级加载试验，用P-1/V曲线求取PL0。

图6 旁压试验p-v曲线

4.3 旁压试验结果及应用[15]

(1)确定地基承载力

浅基础承载力可采用临塑压力法或极限压力法计算：

fak=Pf-P0

(3)

或fak=(PL-P0)/K

(4)

式中，K为安全系数，一般取2-3。

(2)确定变形参数

通过旁压试验可确定旁压模量Em、似弹性模量E、旁压剪切模量GM和水平基床系数Kx：

(5)

E=2(1+μ)(V0+Vc)△P/△V

(6)

GM=(VC+Vm)△P/△V

(7)

Kx=△P/△r

(8)

式中，μ为泊松比，取0.27；Vm为平均体积变形量，Vm=(V0+Vf)/2；△P为P-V曲线上直线段压力增量，MPa；△V为与△P对应的体积变形增量，cm3。

此外，利用Me′nard公式(9)可计算岩土变形模量：

E0=αEM

(9)

式中，α为土的结构系数，一般黏性土取1～2，砂砾土取3～4，风化岩石取1.5～3。

由试验结果(表3)可知，试验初始体积 218 cm3～319 cm3，初始压力值P0=381 kPa～605 kPa。说明软层中预钻成孔直径偏大，影响到初始压力结果，其值远高于按理论式(10)的计算值：P0=168.91 kPa。

(10)

式中，μ为泊松比，r为重度，h为试验点的深度。

旁压试验成果表 表3

5 岩石单轴压缩试验

5.1 试验方法

载荷试验前，在取样点1、2(图3)利用XY-100型、φ130 mm钻具钻探取芯。载荷试验完成后，于承压板中心位置钻探进行持力层检验，并在压板下 1 m左右取第3组岩样(图3中的取样点3)。T2塔楼还利用旁压成孔岩芯进行天然状态下的单轴压缩试验。

泥质粉砂岩为黏土质岩，故采用天然状态岩样进行单轴压缩试验。试样尺寸Ø50 mm×100 mm，压力机加荷速度 500 kPa/s～800 kPa/s。

5.2 岩石单轴抗压试验结果

岩石抗压试验结果如表4所示。T1取样27组，范围值 2.71 MPa～4.36 MPa、平均 3.72 MPa，标准差0.38，变异系数0.10，与勘察成果基本一致(表1)；T2取样42组，范围值 1.23 MPa～4.08 MPa、平均 2.57 MPa，标准差0.65，变异系数0.25。

岩石天然单轴抗压强度试验结果表 表4

对比发现，T2的岩石抗压强度平均值仅为T1的69.1%，同一场地不同试验区，两家试验单位结果离散性如此之大，说明岩石抗压试验的偶然因素影响远高于旁压试验和载荷试验。

5.3 利用岩石试验结果确定岩基承载力

据文献[13]，岩石地基承载力特征值fa可按式(11)计算：

fa=ψr·frk

(11)

式中，frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值，kPa；对于黏土质岩，在确保施工期和使用期不致遭水浸泡时，也可采用天然湿度的试样，不进行饱和处理。本文即采取岩石天然抗压强度。ψr为折减系数，本文参照较完整～完整岩体取值，取0.50。

经计算，按岩石抗压强度折减计算出岩基承载力特征值为 990 kPa～1 950 kPa。

为便于对比，利用岩石抗剪强度指标，按下式计算承载力：

fa=Mbrb+Mdrmd+MCCk

(12)

式中，Mb、Md、Mc为承载力系数，抗剪指标按表1中摩擦角乘以0.80折减系数，取30°、黏聚力0.30折，取 123 kPa。查GB50007-2011表5.2.5，Mb、Md、Mc分别取1.90、5.59、7.95。经计算地基承载力为 4 806.25 kPa，该结果远高于按岩石抗压强度折减获得的承载力值。

顾宝和大师认为，对于完整和较完整，裂隙系统可以忽略的塑性破坏岩体，可采取不扰动样试验时，可用抗剪强度指标计算地基承载力[16]。长沙白垩系的中风化泥质粉砂岩完全满足上述条件。但是，如何选取计算公式，尚无定论，法国塔罗勃建议用普朗特尔公式，美国多用太沙基公式，加拿大和前苏联采用科茨公式。本文采用规范GB50007公式，计算结果甚至高于原位试验结果，初步分析其根源，主要与岩石抗剪指标及计算深度关系密切，值得进一步研究，也有待与其他理论公式的对比分析。

6 分析与对比

6.1 不同方法确定的承载力对比

(1)比例界限压力法确定的承载力特征值为 3 750 kPa～5 750 kPa与s/d=0.008对应荷载值 4 073 kPa～7 500 kPa接近，高于按浅层平板载荷试验方法取最大加载量的一半值，是岩基载荷试验结果(最大加载量的1/3)的1.5倍～2.3倍。

(2)旁压试验最大加载压力对应体积为 249 cm3～356 cm3，体积变化很小，△V=25 cm3～37 cm3，试验曲线为直线段，未达临塑压力，说明尚有较大潜力。取最大试验压力为Pf，承载力特征值为 4 119 kPa～5 482 kPa，高于载荷试验比例界限压力，与按s/d=0.008对应结果接近。

(3)岩石抗压强度折减确定的承载力值(990 kPa～1 950 kPa)离散性最大，远低于按抗剪指标的计算值。

不同方法确定的结果如表5所示，按相对沉降量确定结果最高，岩基载荷试验确定值最低，比例界线法与浅层平板载荷法及旁压净临塑压力法确定的结果相对接近。总体趋势是旁压试验结果>载荷试验结果>岩石单轴抗压试验结果。

不同方法确定的岩基承载力结果对比(kPa) 表5

6.2 载荷比例界限压力、旁压临塑压力与岩石单轴抗压强度的关系

由表2、表3可知，两家试验单位的载荷试验和旁压试验结果基本一致。

载荷试验的比例界限压力与岩石天然单轴抗压强度的比值为1.18～2.20，旁压试验临塑压力与单轴抗压强度的比值Pf/R0=1.29～2.98，与文献[7]的基本吻合。

值得注意的是，T1与T2试验中，岩石抗压强度值相差近30%，导致s/d=0.008对应荷载/天然抗压强度的比值相差近3倍。一方面说明岩石单轴试验结果的离散性远高于原位试验结果，另一方面可以证实，对红层中风化软岩而言，用岩石天然抗压强度标准值作为地基承载力特征值具有一定安全裕度。

岩基承载力与岩石单轴抗压强度比值对比表 表6

续表6

6.3 变形参数之间的对比分析

(1)由表2、表3计算，旁压模量与变形模量的比值α为0.59～4.35，均值为1.67，与Me′nard的经验值(风化岩石取1.5～3)存在一定差异。

(2)由式(1)、式(6)可知，二者均为试验直线段加载量与变形量的关系，似弹性模量与试验是否达到临塑压力点影响不大。除T2-2弹性模量异常外，其他试验点E0/E=0.66～1.66、平均值为1.05。

(3)水平向基床系数与垂向基床系数的比值(KX/Ks)为35.44、23.21、19.79、13.23、3.86、14.23，远高于后者，反映了水平应力对红层强度的影响巨大，不容忽视。

7 结 语

(1)长沙红层系典型的黏土质软岩，其单轴抗压强度受取样扰动、失水崩解，无侧限加载等因素影响，岩石单轴抗压强度结果离散性大，由岩石单轴抗压强度折减确定的承载力与岩体实际强度相比严重偏低。在高层、超高层建筑勘察中应充分利用旁压试验或载荷试验。

(2)载荷试验、旁压试验与岩石单轴抗压强度试验的对比表明，三者间关系具有如下规律：旁压试验结果>载荷试验结果>单轴抗压试验结果。直接利用中风化红层的天然单轴抗压强度作为岩基承载力特征值是可行的。

(3)大板载荷试验多应用于软土或地基处理的承载力检测。应用大承压板(d=1 130 mm)对红层进行载荷试验在长沙尚属首次，在国内软岩中亦未见报道。若按岩基载荷试验要求的3倍加载量试验，试验费用与难度很大。对比分析证明，采用大板载荷试验时，可采用两倍加载与相对沉降量的双控标准，其结果与岩石抗剪指标计算值接近。值得注意的是，采用抗剪指标计算软岩地基承载力时，如何选取理论公式尚无定论，有待深入研究，不可盲目，实践中应以载荷试验作为地基承载力检验的主要手段。

(4)九龙仓·长沙国际金融中心于2017年竣工，已使用运营两年，理想的监测成果表明这是较好地利用红层地基强度，并以之作为超高层建筑地基持力层的很好范例，值得业界借鉴。当然，对红层强度与变形机理的研究永无止境。由于旁压试验未达临塑点，所得变形模量与旁压模量、似弹性模量，水平基床系数与垂直基床系数的关系仅供参考。特别地，如何利用旁压试验曲线来获取载荷试验曲线有待进一步探讨。