兰州地区风化砂岩工程特性研究

兰州地区风化砂岩工程特性研究

胡殿杰曹程明

甘肃中建市政工程勘察设计研究院730000

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2.35g/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.