0 引言

　　Iconic Tower是埃及新行政首都CBD项目的最大亮点，高度达385.8m，建成后将是未来的非洲第一高楼，被誉为埃及新时期的金字塔。Iconic Tower总建筑面积26.7万m²，地下2层，地上79层，是一座集办公、酒店、商业、观光等多种功能于一体的超高层项目，如图1所示，项目预计于2022年6月竣工^[1]。基础是超高层建筑的根基，其设计和施工是超高层建筑成功的根本。经地质勘察探明，Iconic Tower下部有厚度约40m的玄武岩层，玄武岩承载力较高，经研究确定Iconic Tower采用筏板基础。该筏板厚度达5m，混凝土用量达18 500m³，将是埃及建筑史上最大的筏板基础。

　　图1 Iconic Tower全景  

　　沙漠地区工程地质条件复杂，地形起伏较大，地层、地质构造、地貌复杂，不良工程地质现象普遍，难以准确确定基础承载力设计值^[2]。岩石为一种非均匀的各向异性材料，内含微裂纹，有时还有宏观的缺陷如裂纹、空穴甚至节理等。由于地质成因，沙漠地区岩层中还普遍存在泥质夹层，泥质夹层中的土层带有膨胀性，遇水即膨胀并失去承载力。

　　岩土工程勘察中，原位测试是重要手段，在探测地层分布、测定岩土特性、确定地基承载力等方面有突出优点^[3]。载荷试验(plate load test)是在现场通过一定面积的刚性承压板向地基逐级施加荷载，测定天然地基、单桩或复合地基的沉降随荷载的变化，以确定地基土的承载力和变形特征的现场试验^[4]。按承压板的形状可分为平板载荷试验和螺旋板载荷试验。平板载荷试验是最常用的载荷试验，是模拟建筑物基础地基土受荷条件的一种测试方法。在保持地基土的天然状态下，在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基土的变形特性。测试所反映的是承压板以下1.5～2倍承压板宽深度内土层的应力-应变关系，比较直观地反映地基土的变形特性。平板载荷试验用以评定地基土的承载力，计算地基土的变形模量并预估建筑基础的沉降量，适用于各种土，包括填土和含碎石的土。平板载荷试验的优点是对地基土不产生扰动，试验结果可靠，具有代表性，可直接用于工程设计;缺点是试验成本较高，试验周期长。一般认为，现场平板载荷试验是取得基础土壤工程力学特性最好、最直接的方法^[5]。国内外工程设计人员在此方面已做了大量试验研究工作，如美国的卡尔·太沙基、俄罗斯的普列斯·崔托维奇、中国的原冶金部等都对静力加载试验作了大量研究^[6,7]。

　　Iconic Tower原设计确定地基承载力的方法是取岩样做室内试验确定岩样的性能参数，由于未能全面考虑周围岩石的约束对承载力的提高，按上述方法确定的设计值取值偏保守^[8]。保守的承载力设计值取值对EPC项目控制总成本不利。为了准确确定基岩的承载力，和设计方协商，决定在开挖到设计标高后，采用原位现场载荷试验，即岩石平板载荷试验，为考虑在建筑的设计周期内可能出现的水对岩石存在的影响，在平板载荷试验基础上考虑浸水前后岩石性能参数的变化以准确测定岩石的承载力，称为岩石浸水平板载荷试验，为设计提供参考。

　　岩石浸水平板载荷试验与一般的岩土平板载荷试验相比有其独特性，对平整度和精度的要求较高;且这是在埃及第1次进行大型岩石浸水平板载荷试验，缺乏相应的规范依据、操作流程、装备和试验经验，在实施中存在诸多难点。

　　1 岩石浸水平板载荷试验特点

　　岩石浸水平板载荷试验是在基岩上进行的平板试验，通过采集浸水前后不同荷载条件下基岩变形性能的主要数据，建立数理统计模型，通过测量圆形均布应力荷载作用下半无限弹性体假定的岩层中产生的变形，计算得到基岩的弹性模量等参数^[9]，对参数进行相关性回归分析，确定基岩性能的主要参数。从理论上来说，承压板区域内的基岩是不匀质的，荷载在基岩中引起的变形反映的是局部变形特性，采用平板的平均变形能消除这种影响^[10]。岩石浸水平板载荷试验主要目的是用来预测基岩在建筑荷载作用下的承载力和变形，为设计提供依据，是重要的现场试验。

　　由于岩石的弹性模量远远大于一般土层，与一般的平板载荷试验相比，岩石平板载荷试验有如下特点。

　　1)荷载要求高超高层荷载在基岩上产生的设计应力约为2 000k Pa，最大试验荷载考虑为设计应力的3倍，即6 000k Pa。与一般的岩土平板载荷试验相比，应力水平较高。

　　2)精度要求高由于岩层在设计荷载作用下的变形为毫米级，因此对误差较敏感，必须把相关影响因素引起的误差控制在0.1mm甚至0.01mm以下。

　　3)对承压板的刚度要求高岩石刚度大，承压板的刚度必须更大，才能克服自身变形的影响，准确反映出岩层的平均变形。一般来说，承压板刚度越大，试验误差越小。

　　4)平整度要求高试验对岩层的平整度要求是1mm，在岩石表面和承压板之间需做找平垫层，平整度要求为0.1mm。垫层厚度越小，弹性模量越高，平整度越高，试验误差越小。

　　2 试验装置

　　岩石浸水平板载荷试验装置可分为承压板、加载系统、反力系统和观测系统4部分。

　　2.1 承压板

　　承压板是模拟建筑物的基础，将施加的荷载传递给地基土，其刚度和尺寸应与建筑物基础接近。承压板要有足够的刚度，一般采用厚钢板，要求板底平整光滑、板的尺寸中心和传力重心一致，搬运和安装方便。在加载过程中要求承压板变形小，而且中心和边缘不能产生弯曲和翘起。对于岩石平板载荷试验，由于岩石刚度较大，试验过程中的岩石产生变形为毫米级，因此对承压板的刚度要求较高。

　　试验要求的承压板直径为900mm，同时对承压板的刚度要求是在最大荷载(6 000k Pa)作用下，承压板中心到边缘的变形差≤0.002 5mm，承压板的刚度要求极高，接近刚体。一般常用的方式是通过设置竖向加劲肋提高承压板刚度，但存在加工精度要求高、焊接工作量大等问题。为方便加工和安装，按应力扩散原理，采取不同厚度和直径的平板叠加的方式提高承压板刚度。为准确确定平板数量、直径和厚度，通过建立岩层的半无限弹性体计算模型和假定的不同直径和数量的平板组合试算承压板的刚度及在设计荷载下的变形，如图2所示。通过反复试算，最少由9块平板组合而成的承压板刚度符合要求，计算结果显示平板中心和边缘的最大变形差为0.002 37mm，符合变形要求，显示此种组合的平板叠加形成的承压板有足够刚度。平板组合中平板数量、直径和厚度如下:3块直径900mm、厚度50mm的平板，2块直径750mm、厚度25mm的平板，2块直径600mm、厚度25mm的平板，2块直径450mm、厚度25mm的平板。

　　2.2 加载装置

　　加荷装置包括油压千斤顶、荷重传感器和转换梁。采用400t液压千斤顶加荷，并配备不同量程的压力表控制加荷值。转换梁设置在主梁中部，用以连接千斤顶和反力系统。安装千斤顶时，其中心应与载荷平台和承压板中心一致。

　　2.3 反力系统

　　根据试验要求，反力系统的加载需达4 000k N，加荷方式为堆载法。堆载法是在载荷平台(如钢梁)上放置重物，这种方法的优点是荷载稳定。反力系统由载荷平台及荷载组成，反力系统由项目团队设计。载荷平台主要包含2根主梁和135根次梁，形成12m×8.775m覆盖面积，其中有效加载面积9m×8m。型钢梁采用市场上最常用的型号，同时考虑到型钢梁的重复利用，试验完成后可用于筏板钢筋的支撑架系统。荷载采用2.0m×1.0m×0.8m预制混凝土块。

　　图2 承压板有限元分析模型  

　　2.4 观测系统

　　沉降观测仪表为千分表。千分表由磁力表座固定在基准梁上，基准梁两端固定在支架上，支架固定点在承压板的影响范围之外。观测系统包含4个千分表，精度为0.001mm，用以测量在加载和卸载过程中的变形。4个千分表对称分布，同时观测加载过程中承压板的倾斜度。

　　3 岩石浸水平板载荷试验流程

　　试验采用慢速维持荷载法。通过反力系统，由液压油泵及千斤顶施加荷载至承压板，对基岩施加竖向压力。荷载逐级加在基岩上，置于千斤顶上的荷重传感器显示承压板所受荷载大小。基岩产生变形沉降值通过放置在承压板上的千分表显示，随时记录各级荷载作用下地基沉降量。同时，为考虑基岩在浸水前后的性能变化，需在试验之前提前形成1个以试验点为中心的约3m×3m、深0.2m的浅坑，用以在试验过程中储水。

　　岩石浸水平板载荷试验流程为:(1)干燥条件下加载，荷载等级为0→500k Pa→1 000k Pa→2 000k Pa;(2)在2 000k Pa荷载条件下浸水24h;(3)在浸水条件下加载，荷载等级为2 000k Pa→4 000k Pa→6 000k Pa;(4)在荷载等级1 000k Pa→2 000k Pa→4 000k Pa→6 000k Pa条件下，卸载到0，重新加载到预定荷载等级;上述每个荷载等级均被细分为10次加载。

　　试验结束后，移除加载装置，清除表面水，钻孔探查水在基岩中的浸润深度。

　　变形观测:达到目标应力后，立刻测读，并在5,10min读数1次。以后每隔10min读数1次，当连续3次沉降量读数差≤0.01mm时，认为该级荷载下沉降已稳定，可施加下一级荷载。在24h浸水过程中，每隔30min测读1次。

　　当出现下列现象之一时，即可紧急终止加载:(1)承压板周围的岩石出现明显裂缝;(2)沉降量急剧增大，荷载-沉降(P-s)曲线出现陡降段。

　　4 实施难点

　　岩石浸水平板载荷试验在实施过程中面临以下3个难点:(1)平整度要求高，基岩平整度1mm，垫层找平后平整度要求0.1mm;(2)实施过程中精度要求高，任何偶然因素引起的稍大误差都可能导致试验结果偏差较大;(3)流程复杂，包含浸水前后岩石性能的对比及试验后浸润深度的探查等。在试验过程中，项目组克服各种困难，高效解决了试验中的技术难点，保障了试验顺利实施。

　　对于平整度要求，基岩的平整度要求控制在1mm以内，项目组通过岩石的初平、细平和精平3个层级的平整度工艺控制，顺利实现了基岩的平整度要求。初平主要是通过电镐剃平，由于沙漠地区玄武岩存在裂隙、风化等现象，因此在剃平过程中要特别注意控制电镐的力度和角度，防止局部过度剔凿。通过初平将平整度控制在2cm以内。细平主要通过角磨机打磨实现，经过反复比较和筛选，发现将角磨机的打磨片换成专门打磨混凝土的打磨片进行精细打磨效果较好。通过细平将平整度控制在3～5mm。在细平的基础上，用专用石材打磨机对岩石进行精细打磨，保证满足1mm以内的平整度要求，岩石精平后效果如图3所示。

　　图3 岩石精平效果  

　　岩层达到1mm精度要求，如直接在上面铺设承压板仍难以满足试验要求，需在岩石和载荷板之间设置垫层。垫层主要起到提高平整度作用，通过垫层将平整度控制在0.1mm内。垫层采用自流平的早强和高强型灌浆料Sika 295,6d强度可达60MPa，弹性模量可达30GPa,28d强度可达80MPa。在试验平板外设置高25mm圆环钢边框，边框和基岩之间的缝隙用水泥封堵。钢边框内灌入自密实高强灌浆料，通过灌浆料的自流平实现垫层的0.1mm平整度要求。试验过程中发现，通过灌浆料的自流平局部平整度达不到0.1mm要求，仍需通过进一步精细打磨才能满足要求。为彻底解决垫层的平整度问题，项目组设计了找平钢板可调支架装置。找平钢板可调支架的平板为直径900mm圆形钢板，对称设置4个可调支座，通过调整螺母高度实现平板0.1mm平整度要求。钢平板中部设计有直径150mm开孔用以灌浆，如图4所示。找平钢板可调支架和高强灌浆料的配合使用高效解决了垫层的0.1mm平整度和刚度问题，保证了试验顺利推进。

　　图4 找平钢板可调支架  

　　对于试验过程中的高精度要求，由于岩石的弹性模量高，在试验应力的作用下变形较小，在6 000k Pa最大试验应力下岩层的沉降估算约为2mm。试验中的任何环节引起的变形对岩石变形的叠加影响都会引起试验结果的偏差，甚至导致试验失败。对于试验精度要求高的难点，项目团队设计高刚度承压板。垫层的刚度控制主要通过控制垫层厚度在25mm之内和采用同时具有早强和高强性能的灌浆料实现。采用早强型高强灌浆料，采取提前5d完成垫层作业等措施，并在试验之前对灌浆料的弹性模量进行测试，达到要求才进行试验。项目组从每个试验步骤入手，反复论证，精细操作，尽力消减误差，保证每个环节的精度在可控范围内，保证试验结果的可靠性。

　　对于流程复杂的问题，项目团队严格按试验流程，安排专业人员轮班，专人记录，严格操作，保证每个环节符合试验流程和试验要求。

　　5 试验结果

　　选取其中1个试验点的试验数据，基岩在不同应力水平下的变形如图5所示。由图5可知，岩层在试验应力范围内的本构关系可近似为双折线弹塑性模型，在0～500k Pa为弹性模量的第1段折线，在500～6 000k Pa为弹性模量的第2段折线，在500k Pa处有转折。在6 000k Pa应力下，岩层的变形为1.668mm。由于岩层内部缺陷的存在，加载在岩层中产生了约0.200mm塑性变形。岩层在2 000k Pa应力荷载下浸水24h后引起约0.128mm变形。

　　图5 岩石的应力-变形曲线  

　　根据试验数据，按以下公式计算岩层的变形模量:

　　式中:μ为岩石的泊松比;P为施加在承压板上的荷载(k N);δ_a为承压板的平均变形(mm);R为承压板的半径(mm)。

　　根据岩石取样试验结果，泊松比取0.22，代入式(1)，同时变换为应力形式，如下所示:

　　式中:σ为施加在承压板上的应力。

　　根据浸水平板载荷试验得到的变形数据，岩石基础4个试验点在2 000k Pa工作应力下，浸水前后的割线和切线弹性模量如表1所示。

　　表1 岩石基础弹性模量 

　　表1 岩石基础弹性模量

　　6 结语

　　岩石浸水平板载荷试验具有挑战性，在精度、平整度、刚度等方面要求较高，试验对影响试验结果的毫米级的误差非常敏感。承压板和垫层的高平整度与刚度成为控制误差的关键，通过自行设计加载装置、岩石找平施工工艺、设计找平钢板可调支架装置等解决了上述问题，保证了岩石浸水平板载荷试验的顺利进行。试验结果显示，在试验应力范围内，基岩的本构关系可近似为双折线弹塑性模型，基岩中存在的缺陷会导致在加载后产生塑性变形，基岩在浸水24h后也产生沉降。通过岩石浸水平板载荷试验得到基岩的准确性能参数并反馈给设计方，设计方通过调整基础设计参数对筏板进行重新设计，节约约1 000t筏板钢筋，实施效果良好。