基于岩石单轴抗压强度试验影响因素谈谈岩石地基验收问题

基于岩石单轴抗压强度试验影响因素谈谈岩石地基验收问题

张永贵 陈建光

（重庆市设计院有限公司 重庆 400015）

摘要：在重庆市进行工程建设，以岩质地基为主。通常通过室内岩石单轴抗压强度试验确定岩石地基承载力和进行岩质地基验收工作。由于岩石单轴抗压强度试验的影响因素较多，除了受岩石的结构构造、矿物成分、风化程度与温湿度等本身性质影响外，还受岩石试件的采集、试件的几何形态、加荷速率、样品数量、接触面摩擦等试验方面因素的影响，不同单位、不同试验阶段的试验结果差异较大，困扰着岩质地基验收工作，严重影响了工程建设。通过分析在岩质地基验收中的典型的案例的解决办法，国标及地标关于岩质地基验收方面的规定及存在的不足，分析岩质地基验收中存在的问题，提出解决问题的方法建议。

关键词：岩质地基，岩石单轴抗压强度试验，岩质地基验收。

2. 引言

重庆地处四川盆地东南丘陵山地，区内地势起伏较大，层状地貌明显，地貌造型各异，以山地丘陵为主。华蓥山——巴岳山以西为丘陵地貌，华蓥山至方斗山之间为平行岭谷区，北部为大巴山中山地区，东部、东南部和南部属巫山大娄山山区。喀斯特地貌分布广泛。

重庆市内地层以城巴断裂为界，南北地层特征差异明显。南部为地台地层区，地层发育齐全；北部为地槽地层区，缺失奥陶系~白垩系地层。重庆市主城区以三叠系、侏罗系地层为主，分布有河湖相沉积的碎屑岩类，包括泥岩、砂岩、粉砂岩、页岩、灰岩等。由于碎屑岩类沉积韵律差，存在渐变过渡、突变过渡、夹层、互层等现象，导致构成岩石的物质成分差异大。同时受岩层结构、地质构造、岩体风化和地下水等因素的影响，岩石强度具有极不均匀的特点。重庆市岩石以软岩、极软岩为主，少量较软岩、较硬岩。

在重庆地区进行工程建设，以岩质地基为主。岩质地基承载力的确定是勘察工作的主要任务之一，岩质地基验收是建设过程的一个重要环节。岩质地基承载力可通过室内岩石单轴抗压强度试验、现场岩基载荷试验等方法确定。由于现场岩质地基载荷试验周期长、难度大、费用高，在勘察阶段通常不采用，一般在钻孔中采取岩样进行室内岩石单轴抗压强度试验。目前岩质地基验收通常也是在施工期取岩样进行室内岩石单轴抗压强度试验，将试验结果与勘察设计文件进行对比，当施工取样试验指标大于勘察设计文件的指标时，视为合格，反之，视为不合格。在岩质地基验收过程中经常会遇到施工取样达不到勘察设计文所提指标的情况，有时也会出现施工取样的指标超出勘察设计文件要求的指标较多的情况。不论哪种情况都将影响工程的进度，有时甲方会认为勘察资料不准确，甚至怀疑勘察工作质量，影响甲乙双方的合作。因此，研究岩石地基验收中存在的问题，提出解决问题的办法是必要的。本文通过探讨岩石单轴抗压强度试验影响因素与岩石地基验收中存在的问题的，试图找到解决问题的办法，为今后遇到类似问题提出解决的方案。

2、岩石单轴抗压强度试验的影响因素

岩石的结构构造、矿物成分、颗粒大小、孔隙率、结构缺隙等内在因素决定了岩石的强度性能；试样的采集、几何形态、形状、高径比、尺寸大小、加荷速率、承压板与端面之间的摩擦、环境等外部因素亦对岩石的抗压强度试验结果影响很大。在试验过程中，需消除或减小外部因素对岩石抗压强度试验结果的影响，从而得到真实准确的单轴抗压强度值，为勘察设计及地基验收提供可靠的试验依据。

2.1岩石本身性质方面的影响因素

岩石强度的影响因素包括岩体结构构造、岩石的矿物成分、岩石的风化程度和温湿度。岩石结构的影响，表现在颗粒大小、空隙率与空隙分布特点等方面。岩石的结构特征尤其是矿物颗粒间连接及微结构的发育特征对岩石的性质影响很大。一般来说，等粒结构的岩石抗压强度比非等粒结构的高。在等粒结构中，细粒结构岩石抗压强度比粗粒结构高，这是因为细颗粒间接触面积大，连接力增强。在斑状结构中，具细粒基质的岩石比玻璃基质的高，总之，结晶愈细愈均匀，非均质成分愈少，岩石抗压强度愈高。

岩石的矿物成分及其相对含量对岩石的抗压强度有很大的影响。含硬度大的粒柱状矿物（如石英、长石、角闪石、辉石等）愈多少时，岩石抗压强度愈高；含硬度小的片状矿物（如云母、绿泥石、高岭石、蒙脱石等），则岩石抗压强度愈低。

岩石的风化程度愈强，其空隙率与变形也愈大，抗压强度也就愈低。岩石湿度对抗压强度也有显著影响。一般岩石的抗压强度随含水量的增加而降低，但岩性不同其降低程度也不同，主要取决于岩石中的亲水矿物和易溶性矿物的含量以及空隙的发育情况。

2.2岩石室内试验方面的因素

2. 岩样的采集

岩体是一种非匀质体系，从不同部位所取的岩样性质差异很大，通过试验得出的结论也截然不同，可见取样工作十分重要。对于同一岩体，应当从岩体的不同部位采取岩样。岩石的层状结构、节理、裂隙及其他不连续结构面对岩石的抗压强度值影响很大。应选择合适的取样方式确保取出的样品不受扰动，保持原状。样品采集后可以密封保存，及时送检，运输过程中应注意避免受到过份的震动而产生新的裂缝或使原有的裂隙扩展。为避免受到风化的影响，样品须堆放在适宜的地方。

(2)岩石试件的几何形态。

试件的形状影响表现在当试件断面积和高径比相同的情况下，断面为圆形的试件强度大于多边形试件强度，在多边形试件中，棱角处易于发生应力集中，棱角越尖应力集中越强烈，试件越易破坏，岩石强度也就越低。因此边数增加，试件强度增大。试件尺寸越大，岩石强度越低，因此，高径比增大导致试件内部应力分布导致弹性稳定状态不同所致，高径比很小时，试件内部的应力分布趋于三向应力状态，试件具有很高的抗压强度。相反，试验会因弹性不稳定而破坏，降低岩石强度。

(3)加载速率

岩石的单轴抗压强度通常是随着岩石试件所承受的加载速率增加而增加，在很高的加载速率下，如冲撞等试验所求得的单轴抗压强度值可数倍于缓慢加载条件下所得到的试验结果。经微观分析发现，由于岩石矿物在高速率加载时未充分变形，从而提高了其抗外荷载的能力。因此，选择适当的加载速率对其试验结果比较重要。我国有关岩石力学试验标准规定，其加载速率应控制在0.5 ～1 MPa/s 之间，且按岩石的软硬不同采取该范围内不同的加载速率。

(4)试验样品的数量。

岩石是矿物颗粒的集合体，具有明显的非均质性，尽管形状和尺寸完全相同，但强度值也有差异。现场钻取的岩芯，如存在节理、裂隙，强度离散性会更大。岩石的非匀质结构特征决定了岩石力学性能试验具有分散性大的特点，因而单个或少量的岩石抗压试验结果不能说明岩体的真实情况，即从理论上得不到其真实值。而大量试样的抗压试验结果会接近岩石的真实强度值，但不计成本的投入是不现实的，因此，需要确定岩石抗压强度试验样品的最少数量。按照强度统计准则，岩石抗压试验的每组岩样个数必须达到一定数量，才能保证强度平均值有 95%以上的概率，而仅用几个岩石的强度平均值来表示岩石的抗压强度是不科学的。

(5)接触面的摩擦。

岩石试件在端面有或者没有摩擦情况之下承受加荷时，样品的应力分布是完全不同的。岩石单轴抗压强度的测定会因此而受到影响。各种材料的摩擦系数不是常数，取决于接触面性质和材料状态。为了统一试验条件，规程规定在岩石试件与承压板之间垫上一种硬塑薄片，并对压力试验机提出了一定的要求，试验机最少应当有一个球形接头，并需要涂少量矿物润滑油；承压板必须平整光滑，样品必须放在承压板中心。在岩石单轴抗压强度试验中，为统一试验方法，增强试验结果的可比性，岩石试验规程对岩石试件的制作要求、尺寸大小作出了一定的要求，对试验条件如减小承压板与端面之间的摩擦，在岩石试件两端承压面垫上光滑的塑料薄板等都作了规定。

3、岩石地基验收问题

3.1相关规范就岩石地基验收的规定

（1）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）关于岩石地基检验的第10.2.16条规定：大直径嵌岩桩的承载力可根据终孔时桩端持力层岩性报告结合桩身质量检验报告校验。

（2）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）关于施工检验的第9.3.2条第3款规定：干作业条件下成孔后应对大直径桩端持力层进行检验。

（3）《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2018）关于干作业成孔灌注桩第5.7.4条 人工挖孔桩应复验孔底持力层土岩性，嵌岩桩应有桩端持力层的岩性报告。

（4）《建筑地基基础设计规范》（DBJ50-047-2016）关于岩石地基检验，第10.2.2条规定：较完整、较破碎天然岩石地基承载力可采用采（钻）芯法进行检测，单位工程抽检数量不应小于6组，且每种岩性不少于3组。当岩石无法制作成芯样时，可采用岩基载荷试验进行检测，单位工程试验点数不少于3点，有经验时也可采用点荷载试验进行测试。关于桩基检验第10.3.3条规定：采用岩石单轴抗压强度确定嵌岩总极限侧阻力时，人工挖孔桩宜直接在桩端持力层进行采样，机械成孔可利用地质超前钻孔取出的岩样进行测试，采样位置应符合现行《工程地质勘察规范》DBJ50-043的要求。

（5）《建筑桩基础设计与施工验收规范》（DBJ50-200-2014）关于桩基检验的第8.3.3条规定：采用岩石单轴抗压强度确定嵌岩段总极限阻力时，人工挖孔桩直接在桩端持力层进行取样，机械成孔桩可利用勘察阶段取出的岩样进行测试，取样位置应符合现行《工程地质勘察规范》DBJ50-043的要求。

3.2岩石地基验收问题典型案例

（1）坪山大道（梁滩河大桥、西山立交、主线7号桥），勘察期间采取钻孔岩芯取样，直径91~110mm，及时送试验单位进行室内岩石试验，试验结果砂质泥岩天然石单轴抗压强度范围值4.57-8.6MPa。施工期间由施工单位在旋挖桩岩芯中取样，送试验单位进行室内岩石试验，试验结果天然单轴抗压强度范围值1.9-5.4MPa。施工取样指标要低得多，达不到验收要求。勘察单位在施工处理过程中分析，主要原因是旋转钻孔直径大，旋挖钻岩芯取样可能扰动严重，对试验结果的影响大；承担施工样品检验的试验单位做岩石试验的经验不足，制样及试验过程可能都会存在偏差。经参建各方协商，由甲方组织专家咨询会，请行业内权威专家踏勘现场，会商解决办法。参建各方，试验单位，质监站代表与会，专家经现场踏勘，并广泛听取参会各方意见，形成了咨询意见。专家主要意见是建议采取地质超前钻取芯检测单轴天然抗压强度，超前钻孔应采取口径不宜小于

，根据超前钻孔取芯试验成果，结合前期勘察试验成果，分析统计岩石抗压强度，复核勘察报告岩土设计参数，设计单位通过复核后的施工勘察报告调整基础设计。之后，通过超前钻取样试验，试验结果与原勘察文件基本一致，满足施工验收的要求。

（2）铜梁东宏时代广场，岩层以泥岩为主，勘察文件泥岩的天然单轴抗压强度范围值4.20～9.64MPa，标准值6.06MPa；饱和单轴抗压强度范围值2.60～6.07MPa，标准值3.79 MPa，中等风化泥岩地基承载力特征值1.18 MPa，属于极软岩。由于施工取样时，泥岩的单轴抗压强度指标达不到验收要求，通过参建各方协商，采用现场岩基载荷试验解决岩质地基验收中存在的问题，共进行6点试验，地基极限承载力5.80~7.99 MPa，地基承载力特征值1.87~2.66 MPa。地基极限承载力指标超过岩石饱和单轴抗压强度，地基承载力特征值也远大于设计采用的地基承载力特征值，满足施工验收的要求。

3.3岩质地基验收中存在的问题

（1）国标、行标与地标对验收的规定

国标、行标有关岩质地基验收的规定是比较原则性的，不是特别具体，仅规定要进行检验，但并无合格标准，实际验收工作中还得根据各自的理解去处理问题，但参建各方的理解可能会出现不一致的现象。地方标准相较于国标及行标要更为具体一些，它规定了取样数量、取样位置、最少数量，甚至规定了取样方式及不能取芯时的处理办法，但仍然没有规定何种情况判断为合格。值得一提的是，DBJ50-047-2016规定了“机械成孔可利用地质超前钻孔取出的岩样进行测试”，这为解决施工期取样质量问题提供了比较可行的方案；而DBJ50-200-2014提出的“机械成孔桩可利用勘察阶段取出的岩样进行测试”，这不是很好操作。因为施工往往是在完成勘察工作后很长时间才进行，利用勘察阶段取出的样品进行施工验收不很现实。当然，将其理解成为利用施工勘察阶段取出的样品进行测试也是具有可行性的。

（2）验收岩样标准值统计存在问题

桩基验收时按单点（单桩取样9个）作为统计单元计算标准值，未对地质单元进行标准值统计，不符合勘察按地质单元划分统计标准值的规定。

根据现行规范体系，勘察取样为预计持力层的范围内同一工程地质单元体的随机取样，其标准值反映了预计持力层范围内抗压强度的总体平均性能。因此，验收取样、统计也应对同一工程地质单元体进行取样、试验和统计，不必对单桩进行标准值统计，需要对桩基所处的工程地质单元进行标准值统计。

（3）判定标准存在问题

目前我市岩石地基验收时普遍采用试验指标大于设计指标时合格，试验指标小于设计指标时，则判定为不合格。对于试验指标小于设计指标时，是否均应当判定为不合格，值得商榷。有的将地基的单点标准值与设计标准值进行比较。一组岩样只能代表一个点，勘察阶段将岩石单轴抗压强度试验指标划分统计单元进行数理统计，参与统计的试验指标有一部分单值是小于标准值的，有的单值小于标准值很多，但采用标准值作为岩石地基承载力的设计指标依然是安全的、有效的。岩土参数标准值是反映一定范围岩土体的综合性能。因此，岩土体是否破坏不应当以单点试验为依据，而应该以统计单元体的数据为依据，故不应该仅简单的将地基的单点标准值与设计标准值进行比较。

3.4岩质地基验收中存在问题的解决办法

（1）当在施工中遇到施工取样达不到勘察设计文件要求的数值时，我们要认真分析出现的问题。首先应分析施工过程揭示的岩性是否与勘察文件吻合，如果出现异常情况，建议进行施工勘察。其次应分析施工取样的方式、取样的位置、样品的质量等是否满足规范要求，如果取样方式有问题，可以调整取样方式，比如采用超前钻取样；如果存在试验误差，可以换一家试验单位进行试验。如果因为地层原因取样困难，可以进行现场岩基载荷试验。

（2）不应以单点试验指标判断是否合格，试验指标在勘察文件统计范围内，可以视为合格。

（3）完善质量验收标准。在标准修订时充分收集研究工程建设中遇到问题，提出更具可操作性的验收标准。

（4）建设行政主管部门或行业协会应加强对行业从业人员的技能培训，充分认识岩质地基质量验收问题的普遍性和复杂性，充分认识该问题对工程建设质量、效益的影响，充分听取注册岩土工程师在施工过程关于岩质地基验收中的意见，既讲原则，又不纠结，确保施工进度和工程安全。

5、结语

重庆市地处丘陵山地，岩质地基是普遍选用的地基形式。室内岩石试验作为目前确定岩石地基承载力的重要手段在岩土工程勘察中和建筑工程施工中发挥着重要作用，但岩石试验受到多种因素的影响，各阶段、不同试验单位的试验成果往往相差很大，使参建各方常常因此而遇到麻烦，延长工期，增加造价，并对岩质地基的验收工作造成影响。为了有效解决这个问题，我们分析岩石强度、岩石试验的诸多影响因素，结合施工中遇到的典型案例及解决办法，提出解决此类问题的思路及办法。为工程建设工作顺利开展，降低整个建筑工程造价，使建筑工程在施工和使用期间更加安全可靠，为工程建设服务。

参考文献：

[1]《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009版）。

[2]《工程地质手册》（第五版）中国建筑工业出版社，2007 年。

[3]《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）。

[4]《建筑地基基础设计规范》（DBJ50-047-2016）。

[5] 《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）。

[6]《建筑地基基础工程质量验收规范》（GB50202-2002）。

[7]《建筑桩基础设计与施工验收规范》（DBJ50-200-2014）。

[8]《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-2099）。

[9]《水利水电工程岩石试验规程》（SLZ64）。

[10]《岩土工程勘察数据统计分析》马良驹、袁灿勤编著，南京大学出版社。

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