岩石地基工程之一概 述沉降地基承载力的确定

岩石地基工程概述地基承载力的确定建筑物岩石地基岩石路基（自学）1、概述

岩石地基：是指建筑物以岩体作为持力层的地基。人们通常认为：在大多数情况下，岩石相对于土体来说要坚硬很多，具有很高的强度以抵抗建筑物的荷载。例如，完整的中等强度岩石的承载力就足以承受来自于摩天大楼或大型桥梁产生的荷载。因此，国内外基础工程的关注重点一般都在土质地基上，对于岩石地基工程的研究相对来说就少得多，而且工程师们都倾向认为岩石地基上的基础不会存在沉降与失稳的问题。但是：工程师们在实际工程中面对的岩石在大多数情况下都不是完整的岩块，而是具有各种不良地质结构面，包括各种断层、节理、裂隙及其填充物的复合体，称之为岩体。

同时岩体还可能包含有洞穴或经历过不同程度的风化作用，甚至非常破碎。所有这些缺陷都有可能使表面上看起来有足够强度的岩石地基发生破坏，并导致灾难性的后果。

岩石地基工程的两大特征：

一：相对于土质地基，岩石地基可以承担大得多的外荷载；二：岩石中各种缺陷的存在可能导致岩体强度远远小于完整岩块的强度。岩体强度的变化范围很大，从小于5MPa到大于200MPa都有。当岩石强度较高时，一个基底面积很小的扩展基础就有可能满足承载力的要求。然而，当岩石中包含有一条强度很低且方位较为特殊的裂隙时，地基就有可能发生滑动破坏，这生动地反映了岩石地基工程的两大特征。

为了保证建筑物或构筑物的正常使用，岩石地基设计中需要考虑以下三个方面的内容：(1)强度：基岩体需要有足够的承载能力，以保证在上部建筑物荷载作用下不产生碎裂或蠕变破坏；(2)变形：在外荷载作用下，由岩石的弹性应变和软弱夹层的非弹性压缩产生的岩石地基沉降值应该满足建筑物安全与正常使用的要求；(3)稳定性：确保由交错结构面形成的岩石块体在外荷载作用下不会发生滑动破坏，这种情况通常发生在高陡岩石边坡上的基础工程中。岩石地基的利用的四种主要方法：

(1)墙下无大放脚基础：若岩石地基的岩石单轴抗压强度较高，且裂隙不太发育，对于砌体结构承重的建筑物，可在清除基岩表面风化层上直接砌筑，而不必设基础大放脚.

(2)预制柱直接插入岩体：以预制柱承重的建筑物，若其荷载及偏心矩均较小，且岩体强度较高、整体性较好时，可直接在岩石地基上开凿杯口，承插上部结构预制柱。

(3)嵌岩桩基础：当浅层岩体的承载力不足以承担上部建筑物荷载，或者沉降值不满足正常使用要求时，就需要使用嵌岩桩将上部荷载直接作用到深层坚硬岩层上。例如:在已有建筑物附近没有空间修建扩展基础的情形时，可以考虑设置嵌岩桩，将荷载传递到临近建筑物基底水平面下的坚硬岩石上。嵌岩桩的承载力由桩侧摩阻力、端部支承力和嵌固力提供。嵌岩桩可以被设计为抵抗各种不同形式的荷载，包括竖向压力和拉力，水平荷载以及力矩.(4)锚杆基础：对于承受上浮力的结构物，当其自身重力不足以抵抗上浮力时，需要在结构物与岩石之间设置抗拉灌浆锚杆提供抗拔力，称之为抗拔基础。当上部结构传递给基础的荷载中，有较大的弯矩时，可采用锚杆基础。锚杆在岩石地基的基础工程中，主要承受上拔力以平衡基底可能出现的拉应力。

锚杆的锚孔:利用钻机在基岩中钻成。孔径Ｄ随成孔机具及锚杆抗拔力而定。一般取3～4d(d为锚筋的直径)，但不得小于d+50mm，以便于将砂浆或混凝上捣固密实。锚孔的间距:一般取决于基岩的情况和锚孔的直径。对致密完整的基岩，其最小间距可取6～8D；对裂隙发育的风化基岩，其最小间距可增大至10～12Ｄ。锚筋一般采用螺纹钢筋，其有效长度应根据试验计算确定，并不应小于40d，如下图示。

锚杆基础的构造要求2岩石地地基的变形和和沉降2.1岩岩石地基中的的应力分布大多数的岩石石表现出线弹弹性性质，因因此可以利用用弹性理论计算算岩石地基中的的应力分布。。确定岩石地基基中应力分布布的意义：一是将地基中中的应力水平平与岩体强度度比较，以判判断是否已经经发生破坏;二是利用地基基中的应力水水平计算地基基的沉降值。。1、均质各向向同性岩石地地基的应力分分布（1）集中荷荷载作用下对于弹性半平平面体上作用用有垂直集中中荷载的情形形，布辛奈斯克（Boussinesq）在1885年推导出出了任意一点点的应力表达达式，其柱坐标解答如下：注意：这些应应力表达式没没有考虑地基岩体的自自重，即都为附加加应力值，如如果要用来计计算地基中的的应力，则必必须叠加上由由自重引起的的应力值。（2）线荷载载作用下当荷载为线荷荷载和在二维维的情况下，，岩石地基中中的任一点应应力为：（3）均布荷荷载作用通过对集中荷荷载作用下的的应力值进行行积分运算可以得到到均布荷载作作用下地基中中的应力分布布，这与土力力学中的方法法一致。因此此，利用土力学中的角角点法就可以计算出出圆形、矩形形基础均布荷荷载作用下的的竖向附加应应力。（此略略）2、双层岩石石地基在双层岩石地地基中，当上层岩体较为坚坚硬，而下卧卧岩层较软弱弱时，上层岩岩体将承担大大部分的外荷荷载，同时其其内部的应力力水平也将远远远高于下卧卧岩层。右图图表示双层岩岩石地基中，，随着上下层层岩体模量比比的变化，其其竖向应力分分布的变化过过程。从图中可以看看出，当上下下模量比为1时，即为均均质地基的情情形，其分布布符合Boussinesq解；当当上下模量比比增大至100时，下卧卧软弱岩层中中的附加应力力就小得可以以忽略不计了了，即外荷载载全部由上部部岩层承担。。3、横观各向向同性岩石地地基对于横观各向向同性岩石地地基，由于层层理、节理、、裂隙等结构构面的存在，，必须对均质质各向同性岩岩石地基的情情形进行修正正得到其应力力分布。右图表示结构构面均匀分布布的半平面岩岩体有倾斜线线荷载R作用用的情形。对对于均质各向向同性岩石地地基来说，其其压应力等值值线，俗称压力泡，应该按图中中的虚线圆分分布；但是这这不适用于存存在结构面的的情形，因为为合应力不能能与各个结构构面成统一角角度。根据结结构面内摩擦擦角的定定义，径向应应力与结结构面法向之之间夹角的绝绝对值必定等等于或小于，，因此压压力泡不能超超出与结构面面的法向成角角的AA线和BB线线以外。由于压力泡被被限制在比均均质各向同性性岩石地基中中更窄的范围围之内，它必必定会延伸得得更深，这意意味着在同一一深度上的应应力水平肯定定高于各向同性岩石石的情况。随着线荷载的的方向与结构构面的方位变变化，一部分分荷载也能扩扩散到平行于于结构面的方方向上去，对对于图中所示示情形，平行于结构面面的任何应力力增量都将是是拉应力。注意：由于对对层间发生破破坏的情形还还是使用弹性性的Boussinesq解，因此此图中的修正压压力泡形状是是近似的。等效横观各向向同性介质为了更好地研研究结构面对对岩石地基中中应力分布的的影响，Bray提出““等效横观各各向同性介质质”的概念进进行分析，即即研究考虑存存在一组结构构面的横观各各向同性岩石石地基。如右右图所示，将将倾斜线荷载载分解到平行行和垂直于结结构面的两个个方向，两个个分量分别为为X和Y，此此时岩体中的的应力还是呈呈辐射状分布布的，即，，径径向应力为式中，h和g为描述岩体横横观各向同性性性质的无因因次量，分别别按下式计算算：式中：——岩岩石的弹性模模量和泊松比比；S—结构面面间距；—结构面的法法向和切向刚刚度；—径向应力与与结构面之间间的夹角。利用上述方法法可以计算结结构面呈任意意角度时岩石石地基中的应应力分布。2.2岩岩石地基的沉沉降根据完整岩石和结结构面的性质质，可以将岩石石地基的沉降降分为以下三三种类型：(1)由岩石本身的的变形、结构构面的闭合与与变形以及少少数粘土夹层层的压缩三个个部分组合形形成的地基沉沉降。当地基岩体比比较完整、坚坚硬，且含有有的粘土夹层层较薄时（小小于几个毫米米），则可以以认为其沉降降是弹性的，，也就是说可可以利用弹性性理论计算地地基沉降值。。这种方法的的适用范围包包括均质、各各向同性岩石石地基，成层层岩石地基和和横观各向同同性岩石地基基。(2)由于岩石块体体沿结构面剪剪切滑动产生生的地基沉降降。绝大多数这种种情况发生在在基础位于岩岩石边坡顶部部时，且边坡坡岩体中存在在潜在滑动的的块体。(3)与时间有关的的地基沉降。。这种沉降主要要发生在软弱弱岩石地基和和脆性岩石地地基中，当地地基岩体中包包含有一定厚厚度的粘土夹夹层时，也会会有此类沉降降发生。1、弹性岩石石地基包括均质、各各向同性岩石石地基、成层层岩石地基和和横观各向同同性岩石地基基（1）均质、、各向同性岩岩石地基在被假定为均均质、各向同同性的岩石地地基中，其地地基沉降值可可以通过简单单地利用弹性性理论计算得得到。对于圆圆形和矩形基基础，均布荷荷载作用下地地基的沉降值值可以通过下下式计算：（1）式中：q—均布的基底底压力；B—基础尺寸参参数，圆形基基础为其直径径，矩形基础础为其宽度；；Cd—与基础形状状和计算位置置相关的沉降降计算系数，，具体取值见见下页表；E、—地地基岩体的变变形模量和泊泊松比。基础形状和计计算位置相关关的沉降计算算系数Cd形状中心点角点短边中间点长边中间点平均值圆形1.000.640.640.640.85圆形（刚性）0.790.790.790.790.79方形1.120.560.760.760.95方形（刚性）0.990.990.990.990.99矩形：l/b1.51.360.670.890.971.1521.520.760.981.121.3031.780.881.111.351.5252.101.051.271.681.83102.531.261.492.122.251004.002.002.203.603.7010005.472.752.945.035.15100006.903.503.706.506.60（2）成层岩岩石地基在成层岩石地地基中，当上上层岩石的厚厚度较小时，，同样可以利利用上述的弹弹性方法计算算地基沉降值值。几种典型的成层岩岩石地基的沉降计计算方法：第一种情形：即上层地基岩体为为可压缩性岩层，，且下卧有刚性岩岩层的情形。这种种情形的沉降计算算相当于是可压缩缩范围有限的均质质、各向同性岩石石地基的沉降计算算，即同样地可以以利用式（1）来来进行计算，只是是需要对沉降计算算系数Cd进行适适当修正。在实际际计算过程中采取取的方法是利用系系数Cd’来替换换Cd，其具体取取值见下页表。表表中给出了各种基基础形状下的计算算系数值，计算所所得值为基础中心心点下的沉降值。。需要指出的是，表表中的值是在假定定上下岩层之间剪剪应力为零且无相相对位移的前提下下得到的。基础形状和计算位位置相关的沉降计计算系数Cd’H/B圆形直径B矩形L/B=1L/B=1.5L/B=2L/B=3L/B=5L/B=10L/B=∞0.10.090.090.090.090.090.090.090.090.250.240.240.230.230.230.230.230.230.50.480.480.470.470.470.470.470.471.00.700.750.810.830.830.830.830.831.50.800.860.971.031.071.081.081.082.50.880.971.121.221.331.391.401.403.50.911.011.191.311.451.561.591.605.00.941.051.241.381.551.721.821.83∞1.001.121.361.521.782.102.53∞第二种情形即在较为坚硬的地地基岩体中存在有有厚度不大的可压压缩夹层的情形。。假定:可压缩夹层以下的的岩体为刚性，且且无限延伸，即总总的沉降是由可压压缩夹层及其以上上岩体的压缩量组组合形成的。因此此，同样可以利用用上述第一种情形形的方法计算地基基沉降值，只是需需要将公式中的弹性常数折算为加权平均值值，查Cd’表过程中H为两层岩体的厚度度之和（H1+H2）。利用这种方法计算算得到的地基沉降降值偏大，这是因因为在计算中没有有考虑地基中附加加应力的扩散作用用。实际情况是，上部部坚硬岩体承担了了大部分的基础荷荷载，可压缩夹层层只承担小部分的的荷载。第三种情形即上部为刚性岩层层，下部可压缩性性岩层厚度很大，，可认为无限延伸伸的情形。可以通过对全部由由可压缩性岩层构构成的地基沉降值值进行折减求得，，计算公式如下：：式中:为折折减系数,与上下下岩层的模量比和和比值有有关，为为上部刚性岩层的的厚度.折减系数H/BE1/E21251010001.01.001.001.001.000.11.00.9720.9430.9230.760.251.00.8850.7790.6990.4310.51.00.7470.5660.4630.2281.01.00.6270.3990.2870.1212.51.00.550.2740.1750.0585.01.00.5250.2380.1360.036∞1.00.5000.2000.1000.010上面介绍的成层岩岩石地基都为水平层理的情形，因此都可可以通过简化利用用弹性理论进行计计算。在实际地质条件中中，经常会遇到如如右图所示的倾斜岩层条件。对于这种情形，，就很难利用弹性性理论计算地基沉沉降值，必须考虑虑使用数值分析方法，如有限元法、有有限差分法进行计计算。２、横观各向同性性岩石地基对于弹性的横观各各向同性岩石地基基，可以利用Gerrard和Harrison（1970），，Kulhawy（1978），，Kulhawy和Goodman（1980））提供的公式计算算沉降值。这些公式适用于圆形基础下横观各向同性岩岩石地基的沉降计计算，且要求基础础荷载方向与基础础底面垂直。横观各向同性岩石的弹性参数包括竖向的、水平平的变形模量和和，竖向和和水平面之间的剪剪切模量，以以及三个方向的泊泊松比，分别为水水平应力引起另一一方向水平应变的的泊松比，水水平应力引起竖向向应变的泊松比，，竖向应力引引起水平应变的泊泊松比。地基沉降的计算算公式根据系数的的取值不同有以以下三个表达式：：当时，当时，当时，系数由下式确确定：其中系数又又可以由下式确确定：式中：Q—作用在基础上的的集中荷载；r—圆形基础的半径径。如果基础形状为方形或矩形，可以将其折算为为一定等效半径的圆形基础进行计计算。对于边长为B的正正方形基础，等效效半径为；对于长宽分别为L和B的矩形基础础，等效半径为。。３、地基承载力的的确定地基承载力：指地基单位面积积上承受荷载的能能力，一般分为极极限承载力和容许许承载力。极限承载力：地基处于极限平平衡状态时，所能能承受的荷载即为为。设计采用的容许承承载力：在保证地基稳定定的条件下，建筑筑物的沉降量不超超过容许值时，地地基单位面积上所所能承受的荷载。。（1）“地基规规范”提供供的承载力力经验取值值表按《建筑地地基基础设设计规范》》（GBJ7-89），对对于岩石可可根据现场场鉴别结果果，按表8-1确定定其承载力力标准值。。其他行业(交通、水水利、港工工等)的““地基规范范”对岩石石地基承载载力也有相相应建议值值，由于各各行业对岩岩石的划分分稍有不同同，其推荐荐采用的承承载力也作作了相应调调整。（2）采用用岩体现场场荷载试验验确定承载载力荷载试验方方法：对浅基础采采用直径为为30cm的圆形刚刚性承压板板，当岩石石埋藏深度度较深时，，可采用钢钢筋混凝土土桩，但桩桩周需采取取措施以消消除桩身与与土之间的的摩擦力。。在试验过过程中，荷荷载分级施施加，同时时量测沉降降值s;荷荷载应增加加到不少于于设计要求求的两倍。。由试验结结果绘制的的荷载与沉沉降关系曲曲线(p-s)确定定比例界限限和极限荷荷载，p-s曲线上上起始直线线段的终点点为比例极限，符合终止止加载条件件的前一级级荷载即为为极限荷载。承载力的取取值分两种种情况:对微风化岩及及强风化岩岩，取极限荷荷载除以安安全系数(安全系数数为3);对中等风化岩岩，需根据岩岩石裂隙发发育情况确确定，并与与比例界限限荷载比较较，取二者者中之小值值。参加统计的的试验点不不应少于3个，取最最小值作为为岩石地基基承载力标标准值。由由于岩石地地基的破坏坏机理与土土质地基不不同，故除除强风化岩岩外，岩石石地基承载载力不进行行深度与宽宽度修正，，标准值即即为设计值值。（3）按室室内单轴抗抗压强度确确定地基承承载力对微风化及及中风化的的岩石，可可根据室内内饱和单轴轴抗压强度度确定其承承载力。作作为岩石单单轴抗压强强度的试样样，其尺寸寸一般为5OmmX100mm，数量量不少于9个，并应应进行饱和和处理。试试验时，按按500-800kPa/s的速速度加载，，直到试样样破坏为止止。根据参参加统计的的一组试样样的试验值值按正态分分布的概率率分布计算算其平均值值、、标标准差，，然后按下下式计算其其饱和单轴抗抗压强度的的标准值：：考虑岩石中中裂隙对岩岩石地基承承载力的影影响，裂隙隙发育时，，承载力较较低，因此此应乘以一一个裂隙修正系系数；另外岩岩石表面坡坡度对岩石石地基承载载力也有影影响，故需需再乘以岩坡修正系