（岩土工程专业论文）岩溶对嵌岩桩竖向承载特性影响的研究.pdf

摘要 岩溶对嵌岩桩竖向承载特性影响的研究 硕士研究生：林志欣导师：薛国亚戴圉亮 摘要 中国是世界上岩溶分布面积最大的国家。岩溶的存在形式是多种多样的，溶洞 是岩溶的一种表现形式。对于修建在岩溶地区的嵌岩桩，溶洞对嵌岩桩承载力的影 响是目前亟待深入研究的课题。本文在收集国内外研究资料的基础上，应用有限单 元法对岩层存在溶洞时影响嵌岩桩竖向承载特性的各种因素进行了数值模拟分析。 并采用自平衡测试法对嵌岩桩开展试验研究，根据试验结果和数值计算结果进行综 合分析比较，确定各种影响因素对嵌岩桩承载特性的影响程度。 本文首先介绍了岩溶地质及其对工程的危害，并总结了国内外的研究现状。然 后阐述了数值计算模型中岩石材料的力学特性和本构关系、数值计算的理论和一般 步骤。 其次在数值分析过程中主要讨论了溶洞的半径、溶洞的分布位置、溶洞的高度、 嵌岩深度等因素对嵌岩桩承载力特性的影响，分析得到的主要结论如下： ( 1 ) 溶洞半径过大时，溶洞上方的上段岩层不能当成主要的桩侧摩阻力持力层， 其稳定性较差。当上段岩层能保持稳定时，可以全范围为桩提供较大侧摩阻力，承 担较大的荷载； ( 2 ) 溶洞的影响范围是有限的，桩侧摩阻力发挥只在靠近溶洞的位置受到较大 的影响，溶洞位置离桩端越近，对桩侧阻力发挥的影响越大，桩端承担的荷载越大； ( 3 ) 溶洞高度增加减小了桩侧接触岩石的面积，使总侧阻力减小，桩端阻力增 加，但影响比较有限； ( 4 ) 溶洞的存在对长桩的影响比对短桩的影响要小。 最后通过对湖南常吉高速公路来溪一号桥桥桩的自平衡静载荷试验结果的分析 发现，溶洞内充填的碎石( 土) 层经过压浆处理后与一般的软弱土层性质不同，仍 然能对嵌岩桩的承载力有较大贡献。可以考虑这部分岩土层对桩的承载力。 关键词：岩溶溶洞数值计算承载特性自平衡静载荷试验 a b s t r a c t t h ei h l p a c ta n a l y s i s 0 fk a r s tt 0t 既 c h a r a c t e r i s t i co fv e r t i c a lb e a r i n gc a p a b i l i t y 0 fr o c k s o c k e t e dp i l e g r a d u a t es t u d e n t ：l i nz h i x i n a s s o c i a t ep r o f x u eg u o - y a a s s o c i a t ep r o f td a i g u o - l i a n g a b s t r a c t c h i n ah a st h el a r g e s tk a r s t a r e a si nt h ew o r l d k a r s ti sm u l t i f o n t l n es o l u t i o nc a v i t y i so n eo ft h ek a r s tf o r m s t h ei m p a c ta n a l y s i so fk a r s tt ot h er o c k s o c k e t e dp i l ei nt h e k a r s t - a r e a si sap r o b l e mw h i c hi sd e s i d e r a t e dt os o l y e b a s i n go nt h ec o l l e c t i o no ft h e a n a l y s i sd a t ai nt h ei n t e r n a lo re x t e r n a l 。i tc a nu s ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dt oa n a l y z et h e f a c t o r sw h i c hi m p a c tt h ec h a r a c t e r i s t i co f b e a r i n gc a p a b i l i t yo f r o c k - s o c k e t e dp i l ei nk a r s t a r e a sa n da d o p ts e l f - b a l a n c e dt e s tm e t h o dt ot e s tt h er e s i s t a n c eo fr o c k 。s o c k e t e dp i l e t h r o u g ha n a l y z i n gt h et e s tr e s u l ta n dt h ef i n i t e e l e m e n tc a l c u l a t i o nr e s u l tt h ei m p a c t f a c t o r sa n di m p a c td e g r e eo f k a r s tt ot h er o c k s o c k e t e dp i l ee o x lb ed e t e r m i n e d f i r s t l y , k a r s ta n dt h eh a r mt ot h ep r o j e c t sc r e a t e db yk a r s th a v eb e e ni n t r o d u c e di n m i sd a p e r r e s e a r c hi nt h ei n t e r n a lo re x t e m a la l s oh a sb e e nc o l l e c t e d b e f o r et h ea n a l y s i s t h ep h y s i c sa n dt h ed y n a m i c so f r o c ka l s oh a sb e e ne x p l a i n e d s e c o n d l ni m p a c tf a c t o r sw h i c hi n c l u d er a d i u so fs o l u t i o nc a v i t y , l o c a t i o no fs o l u t i o n c a v i t y , t h i c k n e s so fs o l u t i o nc a v i t ya n dd e e p n e s so fr o c k s o c k e t e dh a sb e e nd i s c u s s e d f r o ma n a l y s i sw eo b t a i ns o m ec o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h eu p s i d er o c kl a y e ra b o v et h es o l u t i o nc a v i t yi su n s t e a d i l yw h e nr a d i u so f s o l u t i o n c a v i t yi s t o o l a r g e a n d i tc a n t p r o v i d ee n o u g h 疗i c t i o n a l r e s i s t a n c ef o r r o c k - s o c k e t e dp i l e b u ti fu p s i d er o c kl a y e ri ss t e a d i l y , i tc a np r o v i d el a r g ef r i c t i o n a l r e s i s t a n c e f 2 1t h er a n g eo fi n f l u e n c eo fs o l u t i o nc a v i t yi sl i m i t e d n l ef r i c f i o n a ir e s i s t a n c eo f p i l ei sl a r g e l yi m p a c t e dw h e ni ti sn e a rt h es o l u t i o nc a v i t y t h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c ei s i m p a c t e dm o r ew h e nt h el o c a t i o no fs o l u t i o nc a v i t yi sc l o s eu dt 王l ep i l ee n d ( 3 ) t h ei n c r e m e n to ft h eh i g h n e s so fs o l u t i o nc a v i t yd e c r e a s e st h ep i l e r o c kc o n t a c t a r e a s oi td e c r e a s e st o t a lf r i c t i o n a lr e s i s t a n c ea n di n c r e a s e sp i l ee n dr e s i s t a n c ep r e s s u r e b mi t s i n f l u e n c ei sl i m i t e d ( 4 ) s o l u t i o nc a v i t yi m p a c t st h eb e a r i n gc a p a b i l i t yo fs h o r tp i l em o r et h a nl o n gp i l e f i n a l l yt h er e s u l to fs e l f - b a l a n c e dp i l et e s ti nt h el a i x i b r i d g eo fh u n a np r o v i n c e i n d i c a t e st h a tt h es o i li ns o l u t i o nc a v i t yi sp o w e r f u lt h a l p t h es o l la s s u m p t i v ei n f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sw h e nt h es o i lh a sb e e nd e a lw i t h i tc a np r o v i d el a r g er e s i s t a n c e f o rr o c k s o c k e t e dp i l e k e yw o r d s ：k a r s t ；s o l u t i o nc a v i t y ；t h en u m e r i c a la n a l y s i s ；c h a r a c t e r i s t i co fb e a r i n g c a p a b i l i t yo f p i l e ；s e l f - b a l a n c e dl o a d i n gp i l et e s t i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证二| = ；而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名继盔遮一日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 盛趑：导师签名： 至堕至 日期：卫二f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 岩溶地质情况介绍 岩溶又称喀斯特( k a r s t ) ，是地壳岩石圈内可溶性岩层( 包括碳酸盐类石灰岩、自云岩，硫 酸盐类岩石膏和卤素盐岩等) 在具有侵蚀性和腐蚀能力的水体长期作用下，以近代化学溶蚀作 用为特征，产生水体对可溶岩层的机械侵蚀和崩解，被溶蚀下来的物质携出、转移和再沉积的 综合地质作用以及由此产生的特殊地貌现象的统称。 中国是世界上岩溶面积最大的国家，岩溶分布面积为3 4 4 3 万l a n 2 ，占整个国土面积l ，3 ， 西部地区又是岩溶分布最为集中和典型的区域，如广西、贵州、云南、重庆、四7 1 l 、湖南和湖 北的西北部岩溶成连片状分布，面积约5 6 万k m 2 ；广西岩溶总面积9 7 万l a n 2 ，占全区总面积 4 1 。岩溶地区山峦起伏，沟壑纵横，地形崎岖。 岩溶发育的条件有多种，主要有：可溶性岩层的存在、地下水活动、潮湿的气候、地质构 造与地形等。其中碳酸岩与碳酸岩系等可溶性岩层是岩溶作用的物质基础，为岩溶发育最重要 的条件之一通过水的溶蚀及侵蚀结果，产生了一系列特殊的岩溶形态。不同的岩溶形态在空 间上按一定的规律又组成岩溶组合形态岩溶组合形态既构成了一定范围的特定的地貌景观， 也反映了不同地区在其岩溶发育阶段上的不同特征如裂隙、溶沟和石芽、落水凋和塌陷、漏 斗与洼地、溶洞、峰林与溶丘、地下河等地质形态，如图1 - l 所示i l j 1 - 石芽、石林；2 - 溶蚀洼地；3 漏斗；4 - 落水洞；5 - 溶沟、溶槽；6 - 溶洞；7 碴河； 8 一溶蚀裂隙；9 钟乳石 图l 一1 岩溶形态剖面示意图 溶洞是岩溶的一种表现形式，是地下水在流动的过程中，对岩石以溶蚀作用为主，间有冲 蚀、潜蚀和塌陷作用而造成的地下洞穴。由- 丁影响岩溶发育a 9 因素比较复杂，溶洞的大小相差 悬殊，形状千变万化，其断面形态极不规则。在可溶性的石灰岩地区的断层带，沿断裂带发育 的溶洞比较多，规模也比较大 1 2 岩溶对工程的危害 由于溶洞、溶蚀裂隙的存在，在岩体自重或建筑物传下的荷载作用下，会发生地面变形、 地基塌陷，影响建筑物的安全和使用。所以对于工程建设来说，岩溶是一种不良的地质形态 i 东南大学硕士学位论文 由于岩溶导致了地质条件的复杂性，目前设计人员一般把构筑物基础设计成桩基础形式。在岩 溶地区更多的是使用嵌岩桩 桩基础是一种古老的基础型式，它能适应各种地质条件、各种类型的工程条件和荷载情况。 被水利、桥梁、建筑工程广泛采用。而嵌岩桩则是将桩端部分嵌入岩层一定深度，以岩层作为 持力层的一种桩形式。岩石具有较高的强度决定了桩的嵌岩段具有很高的侧摩阻力和桩端阻力， 所以岩石作为持力层也使嵌岩桩具有竖向承载力高、沉降量小、抗震性能好的优点 由于岩溶地区的地质情况非常复杂，嵌岩桩因其独特的优点丽在岩溶地区被广泛采用。随 着岩溶地区桩基础的应用越来越广泛，许多桩基础的问题也越来越突出传统的桩基处理方法 是将桩穿过岩溶区，作用在岩溶下面的基岩上面，这样可以确保基础的稳定以及减少桩承载力 受岩溶的影响。但是在有些地区岩溶发育严重导致成桩困难或者是一些技术经济方面的原因， 无法将桩穿越岩溶发育区，此时桩基将作用在岩溶顶板之上，或者嵌岩段仍然处于溶洞发育的 岩层中这种情况下。对岩溶产生的危害加以研究就显得极为迫切。岩溶发育具有不均匀性， 基岩表面溶槽溶沟起伏不平，形成许多临空面，岩体内溶洞发育，在建筑过程中容易出现岩溶 地下水向基坑及桩孔内大量涌水突泥的现象，造成场地及周围地面塌陷的情况。而且在岩溶地 区采用桩基础时，从工程勘察到设计施工，都存在着一些特殊的尚未解决好的技术难题，容易 导致基础不牢固，给建筑物造成不安全因素。 溶洞的存在给桩基础的设计施工带来的不确定因素主要体现在以下几个方面；岩溶的发育 使岩石呈现出一种支裹破碎的状态，或者在桩身长度范围的岩层中形成空洞层。所成的空洞一 般被桔土及其他填充物充填，成为隔断岩层的软弱夹层，对岩层的完整性造成了极大的破坏， 使岩石的承载力特性有了很大的变化。如果不考虑岩溶对岩石的影响而进行设计，在建筑物施 工和使用的过程中，嵌岩桩桩周岩层因为溶洞夹层的影响不能发挥出设计要求的承载力或者顶 板在附加荷载和振动荷载的作胡一f 被压碎坍塌，将会导致建筑物园基础承载力不足而破坏。 1 3 国内外研究现状 早在6 0 年代，我国就岩溶地区的选线原则、工程勘测、路基填筑、桥基开挖、隧道掘进与 支护等因素，在规范、规程中作了大量的规定，而后每一次修订标准规范，规程都对岩溶问题 进行比较仔细的研究，提出了若干准则。 针对岩溶这种特殊的地质情况，国内外主要对岩溶塌陷的形成机理与和塌陷预测、岩溶塌 陷的探测方法上进行了较多的研究，对岩溶地区建筑物基础的稳定性和溶洞项板稳定性的研究 较少岩溶地面塌陷是一种地质灾害，它是覆盖型岩溶地区开口岩溶形态与上覆土层( 少许为松 软岩层) 中的水、气对盖层发生的力学效应在地面形成的塌落现象，与溶洞顶板坍塌是不同的 研究认为岩溶塌陷机理一般有真空吸蚀论、潜蚀论、振动论、液化论和气爆论等。而对于建筑 物地基稳定性和溶洞顶板稳定性的研究方面，一般认为如果溶洞顶板是完整的岩石，可以视为 结构自承重体系进行结构力学分析，根据顶板形态分别将其作为粱板受力情况进行计算当顶 板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时，认为岩石塌落成拱状，其上岩体和荷载由拱承担， 用破裂拱理论进行分析。 岩溶地区嵌岩桩的设计目前还没有一个可操作的理论，设计人员一般先按照非岩溶地区嵌 岩桩的设计要求进行设计，再根据当地的设计经验进行调整，这样带来的问题是设计的准确性 2 第一章绪论 和安全性无法预测。有些设计较为保守，给工程带来了很大的浪费。因此溶洞对桩承载能力的 影响就成为一个亟待深入研究的课题 当前岩溶评价仍然经验多于理论、宏观多于微观，定性多于定量。建筑地基基础设计规 范口1 第6 5 2 条中提出了可以不考虑岩溶对地基稳定性影响的条件。第6 5 4 条中指出当不符合 第6 5 2 条规定时应根据洞体大小、顶板性状、岩体结构及强度等因素进行洞体稳定分析。当岩 溶对地基稳定性有影响时规范给出了相应的处理措施。建筑桩基技术规范 【3 】第3 4 4 条简要 给出了岩溶地区的桩基设计原则。岩土工程勘察规范h 愫5 。1 条侧重于岩溶地区勘察的规定 和要求。第5 f 1 0 和5 1 1 1 条中给出了类似于建筑地基基础设计规范1 2 1 中关于地基稳定性分 析评价的规定 目前国内针对岩溶地区地基稳定性的课题展开了一系列研究并取得了一些成果，研究主要 集中在溶洞顶板稳定性方面。当桩基础下方存在溶洞或土洞时，主要通过理论分析或者试验方 法来分析溶洞顶板的厚度、溶洞的跨度和高度达到什么要求时桩基础是安全的。 赵明华f 5 1 1 6 1 1 7 】使用结构力学的方法把溶洞顶扳简化为一刚性底板上作用垂直荷载的情况，结 合桩端持力层的破坏机理，计算桩端持力层的抗冲切，抗剪切和抗弯拉破坏时的应力综合分 析表明当桩端岩层完整，节理裂隙不发育或胶结良好时。桩端持力层厚度为3 倍的桩径且不小 于3 m 时是足够安全的另外他基于模糊集理论，结合工程建立了桥粱基桩桩端溶洞顶板稳定性 的模期二级综合评判模型与模j 0 极限平衡分析模型，周时解决了相应的模糊分析参数构造与评 价方法等问题。 一 刘铁雄嘲结合岩溶地区桩基与溶洞项扳的作用机理，运用相似理论，建立室内桩基物理模型 进行试验。通过对大量破坏性模拟试验结果的分析，得出了岩溶顶板安全厚度的验算方法和岩 溶顶板和桩基竖向极限荷载的半经验半理论公式。并给出了岩溶地区嵌岩灌注桩嵌岩深度的建 议值。他认为在岩溶发育地区，嵌岩深度的选取应综合考虑侧摩阻力和顶板结构内力，当岩面 较为平整且上覆土层较厚时，嵌岩深度宜采用0 2 d 或者不小于0 2 m 王革立研对溶洞和土洞的发育机制进行了分析。总结了定性评价含溶洞岩石地基稳定性的因 素推求了岩溶地基承载力、土洞地基沉降变形的计算公式和粱扳跨越处理岩溶塌陷时盼地基 极限承载力 近年来，随着数值计算方法的发展、计算机技术的进步以及相应的大型数值计算软件的大 量出现。数值计算方法成为分析岩土力学和工程问题的有力工具。在这个基础上。刘国喜i l q 运 用三维数值模拟软件f l a c ，对大桥桩基幕i 岩洞相互作用系统进行数值模拟。井将数值模拟计算 结果和理论计算结果相比较。在此基础上，分析了影响溶洞稳定性的因素，得到了影响溶洞稳 定性的敏感因素。 龚成中川使用有限元方法讨论了岩溶地区桩基承载力的主要影响因素，包括溶洞体积的大 小。顶板厚度以及岩性对桩基承载力的影响。通过分析数值计算结果表明岩溶地区桩基承载力 的主要影响因素中，溶洞高度对桩的极限承载力的影响较小，而溶洞顶板跨度、厚度对极限承 载力影响较大，围岩强度大小对桩基极限承载力的影响最为明显，岩体强度越高，极限承载力 就越大。 秦风荣1 1 2 1 在其硕士论文中总结了适用于岩溶地区工程勘察的方法。并用三维有限元法对溶 洞顶扳进行应力分析计算。研究了溶洞顶扳的稳定性结合多元线性回归的方法求得桩底到溶 3 东南大学硕士学位论文 洞项部的距离临界值与溶洞大小、单桩设计荷载之间的关系式。 徐华l j 3 l 在其硕士论文中结合白墅港大桥工程，进行现场试验和力学数值分析，对岩溶地段 钻孔灌注桩的旖工工艺、荷载传递机理，持力层项板厚度及嵌岩深度等方面做了一些探讨性的 研究 1 4 本课题研究的背景，目的和意义 随着国家西部丈开发的实施和深入，西部地区兴起了交通工程建设的热潮。方面，在我 国西部分布着大量的峡谷和岩溶地貌，因此在这些地区修建桥梁工程，不可避免地要将桥基落 在岩溶地质上；另一方面，我国在岩溶地区修建桥梁工程的桩基承载力计算与设计理论、桩基 检测技术还很不完善和系统，对设计与施工控制缺乏可操作性。 基于岩溶地质条件的复杂性和这种地质条件对建筑物和构筑物可能造成的巨大危害，对岩 溶地区所普遍采用的嵌岩桩进行研究就显得比较迫切，并具有重大工程上的意义和经济价值。 可见，以实体工程为依托，开展岩溶地区桥梁桩基工程地质勘察、承载能力评价与施工控制关 键技术研究，对指导岩溶地区桥梁建设，提高结构的安全性显得尤为重要。本论文的研究依托 交通部西部课题“岩溶地区桩基承载特性的研究”来展开，该西部课题的提出主要因为岩溶的 危害在交通工程建设中不断出现，桥梁基础特别是桩基勘探和施工方面需要整套比较完善的 先进技术，能针对不同岩溶发育特点类型提出适用的技术指导，以有效预防、减少篪工中各类 病害的发生本文研究的主要内容如下： 一 ( 1 ) 在收集国内外相关资料的基础上，总结了岩溶地区有关课题的研究现状，并对岩溶地 区岩石材料的力学参数取值进行了研究 ( 2 ) 利用a b a q u s 有限元软件对岩溶地区影响桩基承载力特性的各种因素进行数值模拟 分析研究的影响因素主要有溶洞的半径、溶洞在岩层的分布位置、溶洞的高度、桩的嵌岩深 度等。计算了组合各种影响因素后形成的4 5 种不同工况通过对计算结果的分析比较，得到了 各种因素对桩承载力特性的影响程度和一般的影响规律 、 ( 3 ) 结合湖南常吉高速公路来溪一号桥工程，采用自平衡方法对岩溶地区嵌岩桩进行静载 荷试验，并在桩身中埋置内力测试元件对桩身的内力进行了检测，对桩侧摩阻力和桩端阻力进 行了分析根据试验结果研究了经过压浆处理后的溶洞内碎石( 士) 层对嵌岩桩承载力的贡献 4 第二章岩溶地区岩石的物理力学特性 第二章岩溶地区岩石的物理力学特性 2 1 概述 岩溶产生的最基本条件是该地区具有可溶性的岩层所以研究岩溶地区桩的承载力特性首 先要对作为桩持力层的岩石材料有一个深入的了解岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天 然地质作用的产物。一般情况下，大部分新鲜岩石具有质地坚硬致密、空隙小、抗水性强、透 水性弱、力学强度高等特点。地质学中通常把构成地壳的坚硬材料称为岩石。岩石是构成岩体 的基本组成单元。岩石力学中广义的岩石是岩块和岩体的泛称。而狭义的岩石才专指岩块或岩 石材料。 从上面对岩石的描述可知岩石不仅为一般材料，而且是一种地质结构体，它具有非均质、 非连续、非线形，以及复杂的加卸载条件和边界条件，这使得岩石力学问题通常无法用解析方 法简单求解。目前主要采用数值分析与物理模拟试验两种手段和方法来研究其力学变形特性 数值分析主要借助高速发展的计算机技术来解决繁琐的数值运算问题，它能较好地模拟材料的 各向异性、非均质特性、不连续性、复杂边界条件及其随时间变化的复杂工程条件。所以它不 仅能模拟岩体的复杂力学与缔构特性，也可很方便地分析各种边值问题和施工过程r 并对工程 进行预测和预报，己成为解决岩土工程问题的有力工具。数值分析的方法一般分为两类：第一 类是连续介质力学的数值分析方法，如有限差分法、有腰单元法和边界单元法；第二类是非连 续介质力学的数值分析方法，如离散单元法、块体理论法，不连续变形分析法和数值流形法等 2 2 岩体的性质及分类 近年来人们认识到，数值计算的结果是定量的，但对模型的量化分析并不等于是对原型的 定量描述，数值计算的结果是否具有真正的定量意义取决于研究者对原型研究的程度和对模型 力学参数取值的可靠性对原型的研究程度和对模型力学参数取值的可靠性，归根结底取决于 对岩石或岩体的认知能力其中岩石或岩体的基本构成和基本分类尤为重要。它将从根本上影 响岩石的物理性质和力学性质，是岩石力学计算模型的根本 岩体是指天然埋藏条件下大范围分布的，由岩块和软弱网络组成的地质体。岩体抵抗外力 作用的能力称为岩体力学性质。它包括岩体的稳定性特征、强度特征和变形特征它是由组成 岩体的岩石、结构面和赋存条件决定的。在岩体内存在各种地质界面，它包括物质分异面和不 连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层理、节理和片理等。这些不同成因、不同特性的 她质界面统称为结构面( 弱面) ，它在横向延展上具有面的几何特性，常充填有一定物质，具有一 定厚度。被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体。结构体有块状、柱状、板状及菱形、 楔形和锥形体等。如果风化强烈或挤压破碎严重，也可形成碎屑状，颗粒状和鳞片状等结构 面和结构体是岩体结构单元的两种基本要素。结构面分软弱结构面和坚硬结构面两类。结构体 按力学作用可归并为块状结构体和板状结构体两大类。它们在岩体内组合、排列构成不同类型 的岩体结构。根据一定的划分方法所划分的岩体结构类型有：完整结构岩体、块裂结构岩体、 板裂结构岩体、碎裂结构岩体、断续结构岩体和i 散体结构岩体。 由于岩体内普遍存在着结构面和软弱结构面等地质特征使岩石具有了不连续性、不均匀 5 东南大学硕士学位论文 性、和各向异性等特点。各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性 不均匀性是指天然岩体的物理，力学性质随空间位置不同而异的特性因为岩体的不连续性、 不均匀性和各向异性，致使岩体力学性质相当复杂。为了在工程设计与施工中能区分出岩体质 量的好坏和表现在稳定性上的差别。需要对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数的重要 依据目前岩石分级的方法较多，我国工程岩体分级标准i “j ( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) 中认为岩石的 坚硬程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量。岩体质量好则稳定性好，反之稳定性差。标准 使用岩体完整性系数作为岩体完整程度的划分标准i ，如式( 2 - 1 ) 。岩石完整程度划分如表2 1 ， 岩石坚硬程度划分见表2 - 2 i l ” 墨= ( ) 2 ( 2 1 ) 其中k 为岩体弹性级波速度( k n d s ) ，为岩石弹性纵波速度( k i n s ) 表2 - 1 岩石完整程度划分表 l 岩体完整性系数k o 7 50 7 5 0 5 50 5 5 0 3 50 3 5 o 1 5 6 06 0 3 03 0 1 51 5 5 i 坚硬程度坚硬岩 较坚硬岩较软岩软岩极软岩 而岩体的质量则根据质量指标b q 来划分，如式( 2 - 2 ) 所示 bq=90+3rc+250kv(2-2) 其中r c 为岩石单轴( 饱水 抗压强度( m p a ) ；k v 岩体完整性系数。根据质量指标b q 划 分岩体质量的依据如表2 - 3 所示1 ，而风化程度的划分依据则如表2 4 所示【 表2 - 3 岩体质量分级表 基本质 岩体基本质量指 岩体质置的定性特征 正级别 标( b q ) i坚硬岩 5 5 0 n坚硬岩，岩体较完整：较坚硬岩，岩体完整 5 5 叫5 0 坚硬岩。岩体较破碎；较坚硬岩或软、硬岩互层，岩俸较完整；较软岩，岩体 l 4 5 0 - 3 5 1 完整 坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩岩体较破碎或破碎；较软岩或较硬岩互层，且 3 5 0 甾l 以软岩为主，岩体鞍完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整 v 较软岩，岩体破碎；软岩。岩体较破碎或破碎：全部极软岩及全部扳破j f f i 岩 2 5 0 表2 - 4 岩石风化程度的划分 名称风化特征 朱风化结构构造朱变 微风化 结构构造、矿物色泽基本来变，部分裂隙面有铁锰质渲染 6 第二章岩溶地区岩石的物理力学特性 续表2 ，4 弱风化结构构造部分破坏，矿物色泽较明显变化，裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层 强风化结构构造丈部分破坏，矿物色泽明显变化，长石，云母等多风化成次生矿物 l 全风化 结构构造全部破坏，矿物成分除石英外大部分风化成土状 2 3 岩石的强度特性 岩石根据不同成因分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三类。不同的岩石具有不同的力学特性 岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力称为岩石的强度。岩石的强度一般 包括岩石的抗压强度，抗拉强度、抗剪强度。抗压强度是单轴压缩荷裁作用下岩石达到破坏前 所能承受的最大压应力。用式( 2 - 3 ) 计算岩石的抗压强度以 p 盯= i ( 2 - 3 ) 。 p 为破坏时的极限荷载( 1 洲) ，a 为垂直于加载方向的试样平均截面积( m 2 ) 抗拉强度是岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力用式( 2 - 4 ) 计 算岩石的抗拉强度仉 p 0 5 = 二上 ( 2 - 4 ) 。 4 一 b 为破坏时的极限荷载( j 洲) ，a 为垂直于加载方向的试样平均截面积( m 2 ) 。 抗剪强度是岩石在剪切作用下达到破坏时所能承受的最大剪应力是岩石最重要的力学指 标之常用直剪试验或三轴试验测定用式( 2 - 5 ) 计算岩石的抗剪强度f f ：垒( 2 5 ) 4 q 为作用在剪切面上的剪切荷载( k n ) ，a 为剪切面积( m 2 ) 。 根据直剪试验( 图2 - i ) 绘制f 仃曲线( 圈2 - 2 ) ，可以获得岩石的粘聚力c 和内摩擦角p 这两个抗剪强度参数。f 一仃的关系如式( 2 - 6 ) f = 仃t a i l 口+ c( 2 6 ) p 图2 - 1 岩石直剪试验 多数岩石的变形都具有不同程度的弹性性质， 7 陶2 - 2 岩石直剪试验f 仃关系图 由于工程实践中建筑物作用于岩石的压应力 查壅查堂堡主堂竺丝苎 水平较低，医此可将岩石视为准弹性体，这时采用弹性系数表征其变形性能是有一定现实意义 的。弹性模量是指单轴受力时正应力仃与弹性正应变。之比，如式( 2 - 7 ) 所示 e ；旦 ( 2 7 ) t 对于弹塑性类岩石的弹性模量，取盯一占曲线起始段直线的斜率( 即正切模量) 。但试验表 明，直线段大致与卸载曲线的割线相平行。所以弹塑性类岩石的弹性模量往往可取卸载曲线 d 7 p 的斜率，如图2 3 所示 圈2 3 岩石盯g 曲线图 岩石的变形模量是以正应力盯与总应变占( 包括弹性应变f 。与塑性应变占。之和) 的值 e ：! ： ! s t - i - 8 p 岩石的横向应变q 与纵向应变s ，之间的比值称为泊松比，即： ( 2 - 8 ) i ，：量 ( 2 9 ) s y 在岩石的弹性工作范围内。y 般为常数，但超越弹性范围后，y 随应力的增大而增大， 直到矿= 0 5 为止。 根据试验资料统计的岩溶地区常见岩石的强度参数如表2 - 5 所示 根据岩溶地区常见岩石力学参数分布表2 - 5 和岩石坚硬程度划分表2 - 2 中的划分依据可以看 出对于主要的可溶性岩石石灰岩，其一般属于较坚硬类和坚硬类岩石。白云岩和石英岩为坚硬 类岩石。而砂岩、砾岩有部分情况属于软岩类所以在数值分析时。把坚硬类岩石作为桩的持 力层材料来选取建模计算参数。 8 第二章岩溶地区岩石的物理力学特性 表2 - 5 岩溶地区常见岩石力学参数分布表 岩石种类抗压强度( m p a )抗拉强度( m p a )e ( 1 0 4 m p a ) y c ( m p a ) 口( 。) 石灰岩2 9 2 4 52 9 4 92 4 0 5 s 2 9 6o i l 8 o 3 59 8 - 4 9 3 s s o 白云岩 8 0 - 2 5 0 1 5 2 5描 0 2 - 0 3 52 0 5 03 0 - 5 0 石英岩1 4 7 _ 2 9 46 ，8 6 8 8 31 7 9 4 6 - 6 9 3 7 40 1 2 - o 2 71 9 6 - 5 8 85 0 - 6 0 砂岩 2 0 0 4 - 2 5t 1 0o 2 以38 柏 3 5 - 5 0 砾岩 1 0 - 1 5 0 2 1 5猢0 加3 57 8 5 3 9 ，2 3 5 - 5 0 2 4 岩石的强度理论 当应力达到材料的某一极限状态时材料将会破坏。这种因强度不足而丧失承载能力的现 象，称为强度失效。经过长期的生产实践和试验分析，发现材料失效是有一定规律的在静载 荷作用下，因材料强度不足而造成失效的形式大致有两种：一种是脆性断裂，是指材料经过弹 性变形后只发生很小塑性变形或无塑性变形就突然断裂的现象；一种是塑性屈服，是指材料经 过弹性变形后发生显著的塑性变形，使构筑物的变形超过容许的变形范围。 岩石的变形和强度试验表明，岩石在破坏前后的应力应变关系比金属材料复杂得多。岩石 是属于脆性材料还是塑性材料。不仅取决于岩性，且受应力状态、地温、受荷时问等多种因素 的影响其破坏形式比较复杂，一般分为三大类。首先是脆性破坏，多数的岩石在荷载作用下 呈现脆性破坏的特征。即岩石在荷载作用下，尚未出现十分明显的变形就破坏了，其应力一应变 曲线很陡，直接用强度极值表示其破坏时的强度指标，其拉伸强度极低，但压缩强度很高。其 次是塑性破坏，岩石在两向或者三向应力状态下，超过弹性极限后则呈现较大的塑性变形，但 没有明显的屈服极限。其应力应变曲线比较平缓。第三类破坏形式是软弱面剪切破坏，当岩体 中存在许多软弱结构面、细微裂隙弱面时，在荷载作用下弱面上的剪应力超过弱面的抗剪强度， 岩体将沿弱面剪切破坏，致使岩体产生滑移。 岩石强度理论是研究岩石在各种应力状态下强度准则的理论。强度准则又称为破坏准则。 它表征岩石在极限应力状态下( 破坏条件) 的应力状态和岩石强度参数之间的关系岩石力学 分析常采用的强度准则一般有m o h r - c o u l o m b 强度理论、g r i f f i t h 强度理论和d r u c k e r - p r a g e r 准则。 2 4 1g r i f f i t h 强度理论 g r i f f i h ( 1 9 2 0 ) 认为脆性物体的破坏是由物体内部存在的裂隙所决定的。由于物体内微小 裂隙的存在，在裂隙尖端存在应力集中的现象，从而使裂隙扩展，以致破坏研究发现，当裂 纹扩展时满足式( 2 一】o ) 的条件 盯( 2 1 0 ) 式中盯为作用在单位厚扳上的均匀单轴拉伸应力( k p a ) ；a 为裂纹表面单位面积的表面能 ( n m ) ；e 为1 # 破裂材料的弹性模量( m p a ) ：c 为裂纹的长度参数( m ) 。 g d f f i t h ( 1 9 2 4 ) 将理论推广，应用于压缩试验。在不考虑摩擦对压缩下闭合裂纹的影响和 假定椭圆裂纹将从最大拉应力集中点开始扩展的情况下，获得g r i f f i t h 强度准则。 9 东南大学硕士学位论文 o r l - - 0 3 y ：8 qi a + 3 c r 3 o ) g r i + 已( 2 1 1 ) c r 3 = 一o t ( 乃+ 3 0 3 o ) 式中仃、盯，为平面内主应力( k p a ) ，仃，为材料的单轴抗拉强度( k p a ) 。由方程确定的 g r i f f i t h 强度准则在q c r 3 坐标中的强度曲线如图2 - 4 所示 盯= _ 3 。 j ， 8cy， ，1 ：盯， q | ，7 78 0 , ， 一 卜7 盯i 图2 - 4g r i f f i t h 强度曲线 从图中可以看出材料的单轴抗压强度是抗拉强度的8 倍，反映了脆性材料的基本力学特征 该理论认为不论何种应力状态，材料都是因裂纹尖端附近达到极限拉应力而断裂并开始扩展的， 即材料的破坏是拉伸破坏。因为该理论主要是研究脆性材料提出的，所以对于脆性岩石比较适 用，对于一般的岩石则适用性较差。 2 4 2m o h r - c o u l o m b 准则 c o u l o m b 认为岩石的破坏主要是剪切破坏。岩石的强度即抗剪切强度等于岩石本身抗剪 切摩擦的粘聚力和剪切面上法向力产生的摩擦力之和，如式( 2 1 2 ) 所示 i d = c + o t a n 9 ( 2 1 2 ) 其中f 为剪切面上的剪应力( k p a ) ，盯为剪切面上的正应力( k p a ) ，c 为粘结力( k p a ) ，妒 为内摩擦角( ) 由方程确定的强度曲线如图2 - 5 所示 f c一 彳 o ” o 1 0 盯 c、 圈2 - 5m o k r - c o u l o m b 强度曲线 m o h r ( 1 9 0 0 ) 把c o u l o m b 准则推广到考虑三向应力状态，认识到材料性质本身是应力的函 1 0 第二章岩溶地区岩石的物理力学特性 数。用曲线( 如双曲线、抛物线、摆线等) 表示矿值随盯值的增加而变化，把c o u l o m b 准则推 广到更一般的情况。当m o h r 准则包络线为斜直线时与c o u l o m b 准则基本一致，所以c o u l o m b 准则是m o h r 准则的一个特例。因此把式( 2 - 1 2 ) 称为m o h r - c o u l o m b 屈服条件m o h r - c o u l o m b 强度理论指出到极限状态时，滑动平面上的剪应力达到一个取决于正应力与材料性质的最大值 m o h r - c o u l o m b 理论实质上是一种剪应力强度理论一般认为该理论比较全面地反映了岩石的强 度特征。它既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切破坏。同时也反映了岩石抗拉强度远小 于抗压强度这特征，并能解释岩石在三向等拉时会破坏而在三向等压时不会破坏的特点。缺 点是忽略了中间主应力的影响 m o h r - c o u l o m b 屈服条件还可以用平面内的主应力仉、以表示，如式( 2 1 3 ) 所示。 ( 口i o ，) = c c o s94 - ( o i4 - o ，) s i n p ( 2 1 3 ) 在z 平面上，m o h r - c o u l o m b 屈服条件是一个不等角的等边六边形，如图2 - 6 所示在主应 力空问，m o h r - c o u l o m b 屈服条件的屈服面是一个棱锥面，中心轴线与等倾线重合。m o h r c o u l o m b 屈服条件在三维应力空间的表达式如式( 2 - 1 4 ) 所示 f i s i n 矿+ 佤s 叩+ 争+ 等咧口+ 争i n p 以。s 矿= o ( 2 - 1 4 ) 式中： 目一由c o s 3 0 = 2 以矗定义，气为八面体剪应力。 i i 一应力张量第一不变量； j 2 应力偏张量第二不变量： j 厂瘟力偏张量第三不变量： 图2 _ 6m o h r - e o u l o m b 屈服面 2 4 3d r u c k e r - p r a g e r 准则 d r u e k e r - p r a g e r 准则是在m o h r - - c o u l o m b 准则和塑性力学中的v o nm i s e s 准则的基础上扩展 和推广得到的。d r u c k e r - p r a g e r 屈服准则适用于混凝土，岩石等颗粒状材料。这些材料的受压屈 服强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时会引起体积膨胀，常用的y o nm i s e s 屈服准则不适合 这类材料，d r u c k e r - p m g e r 屈服准则能够准确地描述这种材料。 东南大学l 页士学位论文 使用d - p 准则时霈要三个参数，分别为材料的粘聚力c ，内摩擦角妒、膨胀角妒，。膨胀角 被用来控制体积膨胀的大小。对压实的颗粒材料，当材料受剪时，颗粒将会膨胀，如膨胀角为0 ， 则不会发生膨胀。如果尹，= 伊，将会发生严重的体积膨胀。一般来说9 ，- - - - 0 是一种保守的方法。 d r u c k * p m 咎r 准则计入了中间主应力的影响，而且考虑了静水压力的作用，克服了 m o h r - c o u l o m b 的主要弱点t 在岩土力学和工程的数值计算中获得了广泛的应用。d r u c k e r - p r a g e r 屈服准则如式( 2 - 1 5 ) ，式( 2 1 6 ) 所示，在主应力空间上d r u c k c r - p r a g e r 屈服准则如图2 - 7 所 示 ， f = 吐+ 佤一k = 0 ( 2 - 1 5 ) 口：= 墅竺t ：一3 c c o s 9 ( 2