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岩石地基的变形和沉降

2.1岩石地基中的应力分布大多数的岩石表现出线弹性性质，因此可以利用弹性理论计算岩石地基中的应力分布。确定岩石地基中应力分布的意义：一是将地基中的应力水平与岩体强度比较，以判断是否已经发生破坏;二是利用地基中的应力水平计算地基的沉降值。1、均质各向同性岩石地基的应力分布（1）集中荷载作用下

对于弹性半平面体上作用有垂直集中荷载的情形，布辛奈斯克（Boussinesq）在1885年推导出了任意一点的应力表达式，其柱坐标解答如下：

注意：这些应力表达式没有考虑地基岩体的自重，即都为附加应力值，如果要用来计算地基中的应力，则必须叠加上由自重引起的应力值。（2）线荷载作用下

当荷载为线荷载和在二维的情况下，岩石地基中的任一点应力为：（3）均布荷载作用

通过对集中荷载作用下的应力值进行积分运算可以得到均布荷载作用下地基中的应力分布，这与土力学中的方法一致。因此，利用土力学中的角点法就可以计算出圆形、矩形基础均布荷载作用下的竖向附加应力。（此略）2、双层岩石地基

在双层岩石地基中，当上层岩体较为坚硬，而下卧岩层较软弱时，上层岩体将承担大部分的外荷载，同时其内部的应力水平也将远远高于下卧岩层。右图表示双层岩石地基中，随着上下层岩体模量比的变化，其竖向应力分布的变化过程。从图中可以看出，当上下模量比为1时，即为均质地基的情形，其分布符合Boussinesq解；当上下模量比增大至100时，下卧软弱岩层中的附加应力就小得可以忽略不计了，即外荷载全部由上部岩层承担。3、横观各向同性岩石地基

对于横观各向同性岩石地基，由于层理、节理、裂隙等结构面的存在，必须对均质各向同性岩石地基的情形进行修正得到其应力分布。

右图表示结构面均匀分布的半平面岩体有倾斜线荷载R作用的情形。对于均质各向同性岩石地基来说，其压应力等值线，俗称压力泡，应该按图中的虚线圆分布；但是这不适用于存在结构面的情形，因为合应力不能与各个结构面成统一角度。根据结构面内摩擦角的定义，径向应力与结构面法向之间夹角的绝对值必定等于或小于，因此压力泡不能超出与结构面的法向成角的AA线和BB线以外。由于压力泡被限制在比均质各向同性岩石地基中更窄的范围之内，它必定会延伸得更深，这意味着在同一深度上的应力水平肯定高于各向同性岩石的情况。随着线荷载的方向与结构面的方位变化，一部分荷载也能扩散到平行于结构面的方向上去，对于图中所示情形，平行于结构面的任何应力增量都将是拉应力。注意：由于对层间发生破坏的情形还是使用弹性的Boussinesq解，因此图中的修正压力泡形状是近似的。等效横观各向同性介质

为了更好地研究结构面对岩石地基中应力分布的影响，Bray提出“等效横观各向同性介质”的概念进行分析，即研究考虑存在一组结构面的横观各向同性岩石地基。如右图所示，将倾斜线荷载分解到平行和垂直于结构面的两个方向，两个分量分别为X和Y，此时岩体中的应力还是呈辐射状分布的，即，径向应力为

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