岩体力学与岩体工程（十）（新版）

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页三、岩基上基础的沉降岩基上基础的沉降主要是因为岩基内岩层承载后浮上的变形引起的。对于普通的中小型工程来说，因为岩体的变形模量较大，所以引起的沉降变形较小。但是，对于重型结构或庞大结构来说，则产生变形较大。在对这类建（构）筑物来说，岩基变形有两个方面的影响：一个是在绝对位移或下沉量直接使基础沉降，改变了原设计水准的要求；另一个是因岩基变形各点不一，造成结构上各点间的相对位移。计算基础的沉降可用弹性理论解法。对于几何形状、材料性质和荷载分布都是不匀称的基础，则用有限元法能比较确切地分析其沉降。按弹性理论求解各种基础的沉降，仍采用布辛涅斯克的解来求之。当半无限体表面上被作用有一垂直的扩散力P时，则在半无限体表面处(z-0)的沉降量s为式中：r计算点至扩散荷载P处之间的距离；E、u分离为岩基的变形模量和泊松比。倘若半无限体表面上有分布荷载作用时，则可按积分法求出表面上任一点处的沉降量。（一）圆形基础的沉降当圆形基础为柔性时（见图19-89），倘若其上作用有均布荷载p和在基底接触面上没有任何摩擦力时，则基底反力也将是匀称分布的，并等于p，这时，总荷载引起m点处表面的总沉降量为在圆形基础地面中央(R-O)的沉降量So为由此可见，圆形柔性基础当其承受均布荷载时，其中央沉降量为其边缘沉降量的1.57倍。对于圆形刚性基础（见图19-90），当作用有荷载P时，基底的沉降将是一个常量，但基底接触压力不是常量。也就是说，基础中央下岩基变形大于边缘处，形成一个下降漏斗，造成了荷载扩散在基础边缘处的岩层上。圆形刚性基础的沉降量可按下式计算在受荷面以外各点的垂直位移可用下式计算(二)矩形基础的沉降对于矩形的绝对刚性基础，当其承受中央荷载P时，基础底面上的各点皆有相同的沉降量，但是沿着地基的压力是不等的。设p为匀称分布的外荷载，当基础的底面宽度为6，长度为以时，沉降量为K为用于计算绝对刚性基础承受中央荷载时沉降值的系数，K=f(n/6)，可见表19-35。倘若边长为a的方形刚性基础，则其沉降值为倘若条形刚性基础，当其边宽度为a时，其沉降量为对于矩形的柔性基础，当其承受中央均布荷载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6、长度为n时，基底中央的沉降量可按下式计算式中：K0a,b的函数，其计算公式为K。值列于表19-35。当矩形柔性基础承受均布荷载时，其基底角点的沉降量为式中，Kc值列于表19-34中。对于边长为a的正方形柔性基础，其中央处的沉降量为角点处的沉降量为从上式可见，方形柔性基础底面中央的沉降量为边角沉降量的2倍。对于柔性基础承受中央荷载时的平均沉降量为式中：Km——基础平均沉降系数，见表19-35。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作用。在天然界中，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19-91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（见图19-91a）。当基础底面荷载继续作用，岩基就进入岩体压碎破坏阶段(见图19-91b)，压碎范围随着基底深部距离加大而减少，据实验观测，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浮上斜裂缝，并向更深部延伸，这时，进入劈裂破坏阶段（见图19-91e）。因为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19-91d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遇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。偶尔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（见图19-92）。图19-91e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、粘土岩地基等。这种破坏常常在基础底面下的岩体处浮上有压实楔体，而在其两侧岩体有弧线或直线的滑面，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(见图19-93)，这时，剪切面切断风化岩块。当岩基内有两组等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(见图19-93)。这也是较常见的剪切破坏模式。图19-92张开竖节理的风化沉积岩的冲切破坏图19-93闭合竖节理的风化岩的剪切破坏P荷载；F一断裂位移岩块P-荷载五、岩基的承载能力岩基承载力特征值是指静载实验测定的岩基变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值。影响地基岩体承载力的因素无数。它不仅受岩体自身物质组成、结构构造、岩体的风化破碎程度、物理力学性质的影响，而且还会受到建造物的基础类型与尺寸、荷载大小与作用方式等因素的影响。地基岩体的基本特点是强度高、抗变形能力强，其承载力值普通远高于土体，因而，在通常情况下采用天然地基岩体即能满意地基的承载力要求。但是，因为岩体中存在着各种结构面，导致其结构的不均一，进而又使其强度与变形性能不均一和强度弱化，导致某些部位的承载力不能满意要求而引起一系列不良的岩体力知识题，如岩基的不匀称沉降、应力扩散引起的局部破坏、沿某些刚强结构面或夹层的剪切滑移等，在实际工作中一定要引起注重。《建造地基基础设计规范》(GB50007-2011)规定，决定岩基承载力特征值的主意为岩基载荷实验主意或按照室内岩石饱和单轴抗压强度计算的主意。另外，按照岩基破坏模式，也可通过理论计算决定，不过，这种主意具有很大的误差，只能用于初步设计阶段。比较确切的岩基承载力应通过实验决定。（一）按现场荷载实验决定岩基承力《建造地基基础设计规范》(GB50007-2011)规定，岩石地基承载力特征值可以按岩基载荷实验主意决定。载荷板采用圆柱形承压板，直径为300mm。当岩石埋藏深度较大时，可采用钢筋混凝土桩，但桩周需采取措施以消除桩身与土之间的摩擦力。加载方式采用单循环加载，荷载逐级递增直到破坏，然后分级卸载。荷载分级为：第一级加载值为预估设计荷载的1/5，以后每级为1/10。加载后赶紧测读沉降量，以后每10min读数一次。当延续三次读数之差均不大于0.01mm时，可视为达到稳定标准，可加下一级荷载。当浮上下述现象之一时，即可终止加载：①沉降量读数不断变化，在24h内，沉降速率有增大的趋势；②压力加不上或勉强加上而不能保持稳定。卸载时，每级卸载为加载时的2倍，如为奇数，第一级可为3倍。每级卸载后，隔l0min测读一次，测读三次后可卸下一级荷载。所有卸载后，当测读到半小时回弹量小于0.01min时，即认为达到稳定。岩体承载力特征值fn按以下步骤决定对应于ps曲线上起始直线段的尽头为比例界限。符合终止加载条件的前一级荷载为极限荷载。将极限荷载安全系数3，所得值与对应于比例界限的荷载想比较，取小值。每个场地荷载实验的数量不应少于3个，取最小值作为岩基承载力特征值。岩基承载力特征值不需要举行基础埋深和宽度的修正。荷载分级施加，同时量测沉降值，荷载应增强到不少于设计要求的2倍。由实验结果绘制的荷载与沉降关系曲线决定比例界限和极限荷载，曲线上起始直线段的尽头为比例极限，符合终止加载条件的前一级荷载即为极限荷载。对于破碎、极破碎的岩基承载力特征值，可按照地区经验取值，无地区经验时，可按照相宜土层的平板载荷实验决定。（二）按室内单轴抗压强度决定地基承载力《建造地基基础设计规范》（GB50007-2011）规定，对于残破、较残破和较破碎的岩石地基承载力特征值，可按照室内饱和单轴抗压强度按下式计算：式中：Fn岩石承载力特征值；f——岩石饱和单轴抗压强度标准值；φr——折减系数，按照岩体残破程度以及结构面的间距、宽度、产状和组合，由地区经验决定，无经验时，对残破岩体可取0.5，对较残破岩体可取0.2～0.5，对较破碎岩体可取0.1～0.2。上述折减系数值未考虑施工因素及建造物使用后风化作用的继续。对于粘土质岩，在确保施工期及使用期不致遭水浸泡时，也可采用天然湿度的试件，不举行饱和处理。岩石饱和单轴抗压强度标准值，。计算中，岩样数量不应少于6个，并举行饱和处理，由以下公式统计决定式中：（三）岩基承栽力的理论计算主意地基岩体承载力的决定要考虑岩体在荷载作用下的变形破坏机理。岩基的变形不仅由岩体的弹性变形和塑性变形引起，而且还会沿某些结构面发生剪切破坏而引起较大的基础沉陷或基础滑移。因此，岩基在荷载作用下其变形量的大小或破坏的方式受岩体自身结构条件、力学性质及受力情况等多方面因素制约。所以，针对不同的情况决定地基岩体承载力的主意也有所不同。下面推荐的几种计算主意都是比较近似的主意，因此计算结果只能作为参考。1．由岩体强度决定岩基极限承载力古德曼(R.E.Goodman)曾对图19-94中各种基脚岩体破坏模式的岩基承载力的决定给出了计算原则。他认为图19-91a）发展至图19-91c)的破坏模式，在条形基脚下破碎岩石区（见图19-94b）内的侧向膨胀引起其任一侧的岩体内发生辐射状裂缝。基脚岩体已遭到破坏后的破碎岩石强度如图l9-94a）中的破坏包络线1所示。而破坏较少的邻近区图19-94b）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，因为岩体破碎和侧向扩容，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Ph，它可由相邻岩体（B区）的无侧限抗压强度来决定。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19-94a)可知，按照B区的强度包络线可决定Ph的大小。进而，按照破碎岩体的强度包络线，也就能求得承载力qf的大小。从图19-94的破坏模式可认为，均质不延续岩体的承载力不会小于基脚周围岩体的无侧限抗压强度。而且可以把无侧限抗压强度取为承载力的下限。若已知岩体的内摩擦角和无侧限抗压强度，则承载力qf可按下式决定2．由极限平衡理论决定岩基的极限承载力如前所述，基脚下的岩体存在剪切破坏面，使岩基浮上楔形滑体。剪切面可为弧面和平直面，而在岩体中，大多数为近平直面形。因而在计算极限承载力时，皆采用平直剪切面的楔体举行稳定分析。设在半无限体上作用着宽度为b的条形均布荷载qf(见图119-95)，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