兰州地区风化砂岩工程特性研究
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兰州地区风化砂岩工程特性研究
摘要:兰州地区第三系风化砂岩一般为泥质胶结,胶结程度差,成岩程度低,
浸水易软化崩解等特殊的工程性质,属于极软岩。
本文通过室内试验、旁压试验
等方法,结合兰州地区实际工程案例,对第三系风化砂岩工程特性进行了分析及
评价。
关键词:第三系风化砂岩;变形参数;旁压试验
0 引言
兰州地区主要地层上部为第四系黄土状粉土、卵石层,下部基岩为第三系风
化砂岩等。
近年来,兰州市区超高层建筑建设市场发展迅速,超高层建筑具有基
础埋深大,基底压力大,对地基承载力及变形的要求高等特点,基础多位于风化
砂岩层。
因此,对风化砂岩的工程特性进行充分的认识及评价,提出合理可靠的
参数及基础方案建议,对超高层建筑的基础设计及建设非常重要。
兰州地区分布的第三系风化砂岩,该层呈棕红色、砖红色,粒状结构,节理
裂隙不发育,岩体完整性较好,厚度通常为几十米至数百米不等。
浅部受地下水
影响,难以取得原状岩样,岩样碎块手触似密实砂。
风化砂岩一般为泥质胶结,
具有胶结程度较差,成岩程度低,浸水易软化崩解等特殊的工程性质,属于极软岩。
本文结合工程实例对兰州地区风化砂岩的工程特性进行分析及评价。
1 风化砂岩物理力学性质
根据工程场地采取岩石试样进行室内岩石试验,岩石抗压强度随深度变化曲
线如图1所示。
图1 抗压强度随深度变化曲线图
根据图1所示,风化砂岩层在地表下埋深23m和38m层段岩石抗压强度较高,天然抗压强度最高可达40.3MPa,该变化与岩性相变有关,其余层段参数变
化较为稳定,反映基岩物理力学性质整体较好,岩性差异性小。
试验结果表明:(1)强风化砂岩层强度指标离散性较大,饱和单轴抗压强
度一般介于0.04~0.05MPa,平均值为0.05Mpa;天然单轴抗压强度一般介于
0.06~3.04MPa,平均值为0.95Mpa;干燥单轴抗压强度一般介于0.84~35.07MPa,平均值为11.19Mpa,属极软岩。
(2)中风化砂岩天然容重2.24~2.50g/cm3,标准值为2.35 g/cm3;岩石软
化系数为0.35~0.68,标准值为0.45,该岩组岩石软化系数均小于0.75,属于易
软化岩石;天然抗压强度为13.13~44.85MPa,标准值为22.17MPa,饱和抗压强
度为5.46~25.55MPa,标准值为10.71MPa,岩石饱和单轴抗压强度5.0MPa<
Rc≤15.0MPa,属于软岩。
2 旁压试验
旁压试验又称横压试验,它是利用旁压器对钻孔壁施加横向均匀应力,带橡
皮膜的探头使旁压膜膨胀,并由旁压膜将压力均匀的传给周围土体(或风化砂岩),使土体(或风化砂岩)发生变形直至破坏,并通过量测装置,测出施加的
压力和土变形(或径向位移)之间的关系,然后绘制应力~应变关系曲线,根据
这种关系推求地基土的力学性质指标的一种原位测试技术。
旁压试验基于如下假定:(1)钻孔周围的岩土是均质无限体,孔穴呈圆柱形,
孔穴扩张处于平面应变状态;(2)孔周介质具有各向同性和弹塑性;(3)
介质是连续的,且处于平衡状态;(4)孔穴扩张时,介质的应力-应变关系能用
增量弹性理论描述,屈服面服从摩尔-库仑方程。
典型的旁压曲线(压力P~体积
变化量V曲线见图2所示)可分为三个阶段:
I阶段:恢复区,是一个填充膜与孔壁之间的空隙的过程;
II阶段:类弹性区,土体变形可视为线形变形阶段,压力与体积变化曲线大
致呈直线关系;
III阶段:塑性发展区,随着压力的增加,体积增大的速度也加快,土体已处
于破坏状态。
P0是通过图解法确定的,即Ⅱ阶段直线反向延长交纵轴于Vo,再从Vo点作
P轴的平行线交曲线于一点,此点对应的压力即为P0,;II阶段直线的终点所对
应的压力相当于临塑压力Pf;III阶段末尾渐近线的压力为极限压力PL。
图2 典型旁压曲线
兰州地区第三系风化砂岩旁压试验成果统计表1所示。
表1 风化砂岩旁压试验成果统计表
3 风化砂岩承载力评价
《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)规定,“地基承载力宜根据野外鉴定、室内试验和公式计算、载荷试验以及其它原位测试,结合工程要求和实践经
验综合确定”。
野外鉴定、室内试验和公式计算、载荷试验以及其它原位测试,各有优缺点,各有适用条件,相辅相成,应综合考虑。
(1)用单轴饱和抗压强度乘以折减系数确定地基承载力,因忽略了三向应
力状态,故偏于安全。
但对于承载力要求较高的建筑物和构筑物,可能偏于过分
保守。
因此,按岩体所处不同深度采用一定围压条件下的破坏强度评价软质岩体
地基的承载力指标则更为合理。
旁压试验能较好地反映岩体在一定围压状态下的
强度特征及不同深度处的应力状态,在确定风化砂岩地基承载力方面具有独特的
优势。
(2)旁压试验,主要集中在强~中风化砂岩层中,风化分带具有一定的模
糊性,风化程度的差异性在一定程度上导致了地基承载力的离散性,结合载荷试
验及土工试验与之相关度,一般利用旁压试验特征曲线确定风化砂岩承载力时主
要应用临塑荷载法,极限荷载法作为复核。
结合目前兰州地区第三系风化砂岩的
研究现状,风化砂岩的承载力特征值为1000~1400KPa:变形模量为40-50MPa。
4 结论
(1)兰州地区第三系风化砂岩,一般为泥质胶结,具有胶结程度较差,成
岩程度低,浸水易软化崩解等特殊的工程性质,属于极软岩。
(2)兰州地区第三系风化砂岩具有较好的工程特性,根据室内试验、旁压
试验等不同方法,结合实际工程案列,风化砂岩可作为高层、超高层建筑良好的
地基持力层。
(3)载荷试验作为地基承载力最可靠的方法,目前载荷试验、旁压试验等
确定风化砂岩承载力及变形特征,对比成果资料较少,无具体的地区经验公式。
应在利用载荷试验、旁压试验等评价风化砂岩地基资料积累,建立地区经验公式。
参考文献
[1]建筑地基基础设计规范(GB50007-2011).
[2]工程地质手册(第四版).
[3]张森安兰州地区风化砂岩地基工程特性及工程参数工程勘察 2015年第6
期.
[4]王文斌. 兰州地区第三系风化红砂岩工程地质特性研究兰州铁道学院学报 1997年3月第16卷第1期.。