1、前言岩体力学在岩基工程中的应用一、内容提要：本讲主要讲述岩基的基本概念、基础下岩体的应力、基础下岩体的变形、岩基的破坏模式以及岩基的浅基础、深基础的承载力计算二、重点难点：基础下岩体的变形以及岩基的浅基础、深基础的承载力计算岩基的基本概念一、岩基的基本概念高层或大型建(构)筑物，其基础直接与岩体相接触。我们将支承建（构）筑的岩体地基，一般称为岩基。通常，支承一般的建（构）筑物是足够坚固的，但是对一些大型的和特殊的建（构）筑物来说，则远非所有情况下都能保证其稳固。因而对于岩基的强度、变形和稳定性都应进行综合的考虑研究。岩石按其强度可一般划分为硬质岩石及软质岩石两大类。（表17-2-1）类别亚类强
2、度（MPa）代表性岩石硬质岩石极硬岩石60花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、大理岩、硅质砾岩等次硬岩石30-60软质岩石次软岩石5-30粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石岩、云母片岩等极软岩石60花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、大理岩、硅质砾岩等次硬岩石30-60软质岩石次软岩石5-30粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石岩、云母片岩等极软岩石s2C. s1S2 D. 无法判断答案：C对于矩形的柔性基础，当其承受中心均布荷载p时，基础底面上各点的沉降量皆不相同。但沿着基底的压力是相等的。当基础的底面宽度为b、长度为a时，基底中心的沉降量可按
3、下式求得：Kc值列于表17-1中。对于边长为a的正方形柔性基础，其中心处的沉降量为从上式可见，方形柔性基础底面中心的沉降量。0为边角沉降量的两倍。对于柔性基础承受中心荷载时的平均沉降量为Km为基础平均沉降系数，见表17-2-1。各种基础的沉降系数K值表 表17-2-1四、岩基的破坏模式四、岩基的破坏模式岩体主要由岩块与节理裂隙及其充填物组成，并受到一定的地应力。在自然界中，岩体的成分和结构构造以及应力条件千变万化。在荷载作用下，它的破坏方式也是各种各样的。即使在同一种岩体中，荷载的大小也会产生不同的破坏形式。勒单尼曾研究过脆性无孔隙岩石地基在荷载作用下岩基发生破坏的模式(图17-2-8)。图1
4、7-2-8(a)-(c)h是基脚下岩体发生破坏的一种模式。当基础底面荷载作用在地基岩体上时，基础会发生垂直变形即沉降，当沉降达到使岩基的弹性极限时，岩基从基脚处开始产生裂缝。此时，岩基开裂，裂缝向深部发展图17-2-8(a)当基础底面荷载继续作用，岩基就进入岩体压碎破坏阶段图17-2-8(b)，压碎范围随着基底深部距离加大而减少，据试验观测，压碎范围近似倒三角形。在三角形压碎区内岩石开裂的裂缝大体上向深部延伸。当基础底面荷载继续增大，则基底下岩体的竖向裂缝加密且出现斜裂缝，并向更深部延伸，这时，进入劈裂破坏阶段图17-2-3(c)。由于裂缝开裂使压碎岩体产生向两侧扩容的现象，导致基脚附近的岩体
5、发生剪切滑移，滑体的位移将使基脚附近地面变形而破坏。图17-2-8(d)是岩基中冲压破坏的模式。这种破坏模式多发生于多孔洞或多孔隙的脆性岩石中，如钙质或石膏质胶结的脆性砂岩、熔结胶结的火山岩、溶蚀严重或溶孔密布的可溶岩类等。这些岩体在外荷载作用下会遭受孔隙骨架破坏而引起不可恢复的沉降。这种破坏模式称其为冲压破坏。有时在一些易风化的岩石(如石灰岩、玄武岩、砂岩等)岩层中有风化页岩夹层，使岩体内存在着较为发育的纵横密布的张开节理，进而使岩基沿着竖向节理产生冲切破坏(图17-2-9)。图17-2-8(e)是岩基发生剪切破坏的模式，这种破坏多发生于低压缩性的具有塑性特点的岩体中。如页岩地基、粘土岩地基
6、和粉土岩地基等。这种破坏常常在基础底面下的岩体出现有压实楔，而在其两侧岩体有弧线的或直线的滑面，使滑体能向地面方向位移。直线滑面可以在风化岩体内产生(图17-2-10)，这时，剪切面切断风化岩块。当岩基内有两组近于或大于直角的节理相交，则剪切面追踪此两组节理，形成基础下滑体的滑动面，而使岩基破坏(图17-2-11)。这也是较常见的剪切破坏模式。【例题9】在下列各项中，不属于岩基破坏模式的是（）。A. 开裂B. 压碎C. 剪切D. 挤压答案：D五、岩基浅基础的承载力计算五、岩基浅基础的承载力计算岩基应力即使在弹性应力范围内，也能使岩基发生一定量的变形。实际工程中，岩基的变形不仅由弹性变形组成，而
7、且由岩石本身的塑性变形或节理裂隙的张开和闭合，甚至沿节理裂隙发生剪切破坏而引起较大的剪切滑移组成。因此，这些不同的组合导致建(构)筑物基础不同程度的沉降。为此，岩基的承载能力是岩基工程最需要的参数。(一)岩基的允许承载力计算地基岩体的允许压力取决于岩基的变形和稳定(极限平衡)以及与基础混凝土的允许应力所相对应的岩体表面上的最大压力。对于大的荷载或较坚硬的节理岩体，稳定可能成为设计的控制因素。但就一般岩体来说，对基础下岩体的变形的限制常常比对稳定的控制有更高的要求。各类建(构)筑物的沉降量和差异沉降的大小都有一定的限制值，基础下岩体的变形应满足这种限制的要求。【例题10】下列哪些不属于地基岩体允
8、许压力的取决条件（）。A. 岩基的变形B. 岩基的稳定（极限平衡）C. 混凝土抗压强度D. 基础混凝土的允许应力所相对应的岩体表面上的最大压力答案：C确定岩基的允许承载力有两种比较可靠的方法，一种是试验法，目前采用比较多的是现场荷载试验法。在现场进行岩体的静荷载抗压试验是非常有实用价值的，它可以不需对岩体的结构和物理性质分别进行估计，按照建(构)筑物的要求及当地的地质构造条件就可直接确定允许承载力。但是，现场荷载试验费用比较昂贵，且由于荷载点数量少时，因地质环境条件的不同就不能代表整个地基有效范围内岩体的承载力。另一种方法是力学计算法，一般多采用基础下岩体的极限平衡条件计算其承载力。但是，由于
9、基础下岩体的破坏模式的复杂性和多样性，因而计算其承载力有较大难度，很难给出一个通用公式。【例题11】常用的确定岩基的允许承载力的可靠方法是（）。A. 点载荷试验法B. 静载荷试验法C. 动力触探法D. 室内试验法答案：B1基础下压碎岩体的承载力哥德曼(REGoodman)对图17-2-8中各种基脚岩体破坏模式的岩基承载力计算，确定出了一个计算原则。他认为图17-2-8(a)发展至图17-2-8(c)的破坏模式，在条形基础下破碎岩石区图17-2-12(b)内的侧向膨胀引起其任一侧的岩体内发生辐射状裂缝。基础下岩体己遭到破坏后的破碎岩石强度可如图17-2-12(a)中的破坏包络线1所示。而破坏较少
10、的邻近区图17-2-12(b)中的B区，其岩体强度包络线2的强度高于破碎岩体强度包络线1。在A区，由于岩体破裂和侧向扩容，给相邻岩体B区施压。这时，可以认为支承基脚岩体的最大水平应力是Pn，它可由相邻岩体(B区)的单轴抗压强度来确定。这个应力给出了与基脚下破碎岩石的强度包络线相切的莫尔应力图的下限。由图17-2-12(a)可知，根据B区的强度包络线可确定Pn的大小。进而，根据破碎岩体的强度包络线，也就能求得承载力qf的大小。从图17-2-12的破坏模式可认为，均质不连续岩体的承载力不会小于基脚周围岩体的单轴抗压强度。而且，可以把单轴抗压强度取为承载力的下限。若已知岩体的内摩擦角和单轴抗压强度q
11、u，则承载力qf可按17-2-27和17-2-28确定。【例题12】某高层建筑基础位于基岩上，已知基岩的单轴抗压强度为30Mpa，混凝土强度满足要求，则基础下压碎岩体的承载力的下限取值为（）Mpa 。A. 10B. 15C. 30D. 60答案:C【例题13】已知某岩体的内摩擦角为30，其饱和单轴抗压强度为30Mpa，则该岩体的压碎承载力为（）Mpa。A. 15B. 30C. 60D. 120答案:D2基础下剪坏岩体的承载力在图17-2-10、图17-2-11和图17-2-8(c)，(e)等图中，基础下的岩体存在剪切破坏面，使岩基出现楔形滑体。剪切面可为弧面和直平面，而在岩体中，大多数为近平直
12、面形。因而在计算极限承载力时，一般采用平直剪切面的楔体进行稳定分析。设在半无限体上作用着b宽度的条形均布荷载qf(图17-2-13)，为了便于计算，作如下假设：破坏面由两个互相直交的平面组成；荷载qf的作用范围很长，以致可以忽略平行于纸面的端部阻力；在承载平面(即qf作用的平面)上不存在剪力；对于每个楔体，可以采用平均的体积力。我们将图17-2-13(a)的岩基分为两个楔体，即x楔和y楔体图17-2-13(b)及(c)。在x楔体上，由于y楔体因受破坏应力qf的作用，产生一水平正应力1，作用于x楔体，这是x楔体的最大主应力。3是由于重力而产生的作用在x楔体上的体积应力，这是最小主应力。在与该楔体
13、最大主平面成或(4502)角的破坏平面上，有应力分量x和z。如果在该平面上只存在摩擦阻力，当产生破坏时，那就意味着x和z之间的关系为 可见，式17-2-32最后一项的值远小于式中其他各项，可以将其略去。如果在承载压力分附近的表面上还作用有一个附加压力q，即在x楔体上作用的3为【例题14】对于基础以下剪坏岩体的极限承载力，可用公式qf=0.5rbNr+cNc+qNq进行求解，式中的承载力系数Nr、Nc、Nq，是关于岩体下列哪项的函数（）。A. 粘聚力B. 内摩擦角C. 单轴抗压强度D. 裂隙发育程度答案:B(二)岩基浅基础承载力的实际确定岩基承载力系指在保证地基稳定的条件下建(构)筑物的沉降量不
14、超过容许值的地基承载能力。一般认为，目前我国规范中，对于一般的工业民用建筑，岩石地基的承载力通常不考虑基础埋置深度和基底底面尺寸，并按下式确定其承载力：R=KRc，(17-2-37)式中Rc饱和状态下岩石的单轴抗压极限强度(kPa)；K均质系数(1)对一般工业民用建筑地基K采用0.17；(2)对重型建筑物地基，K采用0.200.04；关于K值的规定问题由于岩石的小试件的抗压强度不能反映出岩石地基状态的强度，天然状态下岩石地基的不均匀性和裂隙性将会大大降低岩石地基的承重能力，对愈是坚硬的岩石，这种影响愈大。再者，岩石地基的实际受力状态不是单向的，而是三向的，同时岩石地基受力的边界条件也很复杂，因
15、此岩石地基实际承载力大有潜力可挖。根据目前我国有关单位研究结果，认为岩石地基采用饱和状态下单轴受压时的极限强度笼统乘以一均质系数0.17，或0.20.04，不尽完全合理。各种岩石地基强度不但与岩石生成条件有关，而且与岩石性质、节理裂隙发育程度，软化特点和风化程度等密切相关。铁道部第二设计院提出均质系数K值应结合裂隙情况风化带情况而定。K值可取为(表17-2-2):(1)软质岩层(页岩、粘土岩、凝灰岩、粗面岩、千枚岩等)8001200kPa；(2)中等均质岩层(砂岩、石灰岩)12002000kPa；(3)坚硬岩层(片麻岩、花岗岩、密实的砂岩、致密石灰岩)20004000kPa；(4)特别坚硬岩层
16、(石英岩，细粒花岗岩)40006000kPa。对于基础底面积很大的应力变化不太大的岩石地基；其容许承载力可按上列数值提高25。关于岩石地基中的断裂带对地基承载力的影响，可认为：当断裂带岩层破碎，且有较多的软弱填充物(如断层泥等)时，应查明其地基不均匀性；必要时可利用大面积静力荷载试验，确定其软硬不均匀地基的容许承载力。(三)建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)方法建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)第5.2.6条对岩石地基承载力特征值的确定做以下规定：岩石地基承载力设计值，可按岩基载荷试验方法确定。对微风化及中等风化的岩石地基承载力设计值，也可根据饱和单轴抗压强度按公式
17、计算：fa=rfrk (17-3-38)式中 fa岩石地基承载力特征值(kPa)frk岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa)，可按本规范附录J确定；r折减系数。根据岩体的完整程度以及岩体结构面间距、产状及其组合，由地区经验确定。无经验时，对完整岩体可取0.5，对于较完整岩体可取0.20.5，对于较破碎的岩体可取0.10.2。注：1上述折减系数值未考虑施工因素及建筑物使用后风化作用的延续。2对于粘土质岩，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。【例题15】按照建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）的规定，确定岩质地基的承载力特征值时，其值大小与下列哪一
18、项无关（）。A. 岩石的饱和单轴抗压强度B. 岩体的完整程度C. 岩体结构面间距、产状和组合D. 建筑物使用后岩石风化作用的延续答案:D六、岩基深基础的承载力计算六、岩基深基础的承载力计算一般当岩基上部地表土或风化岩石底的允许荷载较低时，采用打人或静压预制桩以及钻孔灌注桩等方法将建筑物荷载传递到深部的岩基上。当深基础掩埋在地下时，其承载力将增加。这是由于为了克服加大了的岩石压力，需要附加的功去扩展破坏区。浇筑的混凝土与开挖的岩石表面间将产生摩阻力，其强度可达到岩石的或棍凝土的抗剪强度中的较小值。在设计这一类深基础时，必须考虑在桩底或桩周边的这种摩阻力力与它们的端支承力之间荷载是如何分配的。桩的
19、长度和直径以及桩底混凝土标号及配筋，可以按照摩阻力和支承压力均不超过允许值，并使两者均衡发挥作用的原则来选定。确定嵌岩桩(墩)基的允许承载力一般有两种方法，一种是试验法，目前采用比较多的是桩的现场静荷载试验法。在现场进行桩的静荷载抗压试验是非常直观的，它可以不需考虑岩体与桩之间的端承及摩阻力，按照建(构)筑物的要求及桩的设计承载力直接验证桩的承载能力。但现场荷载试验费用比较昂贵，且由于荷载点数量少时，也不能反映整个场地有效范围内承载力，并且试验时间较长，影响工程进度。另一种方法是力学计算法，一般多采用岩体的极限平衡条件计算桩的承载力，参照浅基础的计算公式，考虑埋深条件后，对有关力学参数进行修正
20、考虑。由于岩体的复杂性和多样性，因而计算其承载力有较大难度，很难给出一个通用公式。我国现有的规范中，对于嵌岩桩的单桩竖向承载力一般采用以下公式计算：式中 Qsk，Qrk，Qpk分别为岩土的总极限阻力、嵌岩段总极限侧阻力、总极限端阻力标准值；si覆盖层第i层土的侧阻力发挥系数；当桩的长径比不大(/d30)，桩端置于新鲜或微风化硬质岩体中且桩底无沉渣时，对于粘性土、粉土，取si=0.8，对于砂土及碎石工取si= 0.7，对于其他情况取si =1；qski桩周第i层土的极限侧阻力标准值根据沉桩工艺和各个地区的岩土情况，按表17-2-3取值;frc岩石饱和单轴抗压强度；hr桩身嵌岩深度，超过5d时。取
21、hr=5d，当岩层表面倾斜时,以坡下方的嵌岩深度为准；s，p嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数，与嵌岩深度hrd有关，可按表17-2-4取值。【例题16】嵌岩桩的单桩承载力与下列哪一项无关（）。A. 岩土的总极限侧阻力B. 嵌岩段的总极限侧阻力C.嵌岩段的极限端阻力D. 总极限端阻力答案:C【例题17】某嵌岩桩桩径为1m，桩身嵌岩深度实际为6m，当计算嵌岩桩单桩承载力时，嵌岩深度取值为（）m。A. 1B. 3C. 5D. 6答案:C注：1对于尚未完成自重固结的填土和以生活垃圾为主的杂填土，不计算其侧阻力。2对于预制桩，根据土层埋深h，将qk乘以下表修正系数。3aw为含水比(aw=wwL)。注：当嵌岩
22、段为中等风化岩时，表中数值乘以 0.8折减。建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)方法建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)中对嵌岩灌注桩的单桩承载力设计值的确定按端承桩考虑，作以下规定：1对于一级建筑物，单桩的竖向承载力标准值，应通过载荷试验确定。在同一条件下的试桩数量，不宜少于总桩数的1，并不少于3根。对于二级建筑物，也可参照地质条件相同的试验资料，根据具体情况确定。初步设计时，可按下列公式：端承桩： Rk=qpAp (17-2-40) （17-2-40）其中Rk单桩的竖向在载力标准值；qp桩端土的承载力标准值，可按地区经验确定,对于预制桩也可按规范附录选用。Ap桩身的
23、横截面面积。2嵌岩灌注桩按端承桩设计，要求桩底以下三倍桩径范围内，应无较弱夹层、断裂带、洞隙发布；在桩端应力扩散范围内无岩体临空面。桩端岩石地基承载力设计值，应根据岩石强度和施工条件确定，当桩底和岩石之间无虚土存在时，可按规范相关条款确定。3除上述方法确定单桩的竖向承载力外，尚应对桩身材料进行强度或抗裂度验算。【例题18】某一级建筑物，采用1000钻孔灌注桩基础，设计桩总数为150根，根据建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）的规定，作载荷试验的桩数为（）根。A. 1B. 2 C. 3 D. 4 答案:C【例题19】某建筑物采用干作业钻孔灌注桩基础，桩长为10m，桩径为400mm，桩周土为粉质粘土，其液性指数为0.70，则单桩的侧阻力特征值为（）。A. 1256kpa B. 1256KN C. 314KN D. 628KN 答案:C【例题20】对于端承桩，要求桩底以下（）范围内，应无较弱夹层、断裂带、洞隙发布；在桩端应力扩散范围内无岩体临空面。A. 1m B. 2m C. 3倍桩径D. 5倍桩径答案：C