巖體力學(xué)在巖基工程中的應(yīng)用

1、前言巖體力學(xué)在巖基工程中的應(yīng)用一、 容提要：本講主要講述巖基的基本概念、基礎(chǔ)下巖體的應(yīng)力、基礎(chǔ)下巖體的變形、巖基的破壞模式以及巖基的淺基礎(chǔ)、深基礎(chǔ)的承載力計(jì)算二、重點(diǎn)難點(diǎn)：基礎(chǔ)下巖體的變形以及巖基的淺基礎(chǔ)、深基礎(chǔ)的承載力計(jì)算巖基的基本概念一i、巖基的基本概念高層或大型建（構(gòu)）筑物，其基礎(chǔ)直接與巖體相接觸。我們將支承建（構(gòu)）筑的巖體地基，一般稱為巖基。通常，支承一般的建（構(gòu)）筑物是足夠堅(jiān)固的，但是對(duì)一些大型的和特殊的建（構(gòu)）筑物來說，則遠(yuǎn)非所有情況下都能保證其穩(wěn)固。因而對(duì)于巖基的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性都應(yīng)進(jìn)行綜合的考慮研究。巖石按其強(qiáng)度可一般劃分為硬質(zhì)巖石及軟質(zhì)巖石兩大類。（表 17-2-1 ）類別

2、亞類強(qiáng)度(MPa代表性巖石硬質(zhì)巖石極硬巖石60花崗巖、花崗片麻巖、閃長巖、玄武巖、石灰?guī)r、石英砂巖、石英巖、巖、硅質(zhì)礫巖等次硬巖石30-60軟質(zhì)巖石次軟巖石5-30粘土巖、頁巖、千枚巖、綠泥右?guī)r、玄母片巖等極軟巖石60花崗巖、花崗片麻巖、閃長巖、玄武巖、石灰?guī)r、石英砂巖、石英巖、巖、硅質(zhì)礫巖等次硬巖石30-60軟質(zhì)巖石次軟巖石5-30粘土巖、頁巖、千枚巖、綠泥右?guī)r、玄母片巖等極軟巖石5硬質(zhì)巖石，主要有花崗巖、花崗片麻巖、閃長巖、玄武巖、石灰?guī)r、石英砂巖、石英巖、 巖、硅質(zhì)礫巖等。這些巖石，具顆粒間部的連接是以剛性連結(jié)（結(jié)合）的，主要是結(jié)晶連 接的，連接的非常牢固。這些巖石在外部荷載作用下，其性

3、狀有如堅(jiān)硬的彈性。巖石的飽 和單軸極限抗壓強(qiáng)度大于或等于 30Mpa軟質(zhì)巖石，主要有頁巖、粘土巖、千枚巖、綠泥石巖、云母片巖等；這些巖石，具顆粒間 部的連接主要為結(jié)晶連結(jié)，也部分有膠體連結(jié)或水膠連結(jié)的。具連接的牢固程度要比硬質(zhì) 巖石差些。這些巖石在外部荷載作用下其變形比硬質(zhì)巖石要大得多，巖石的飽和單軸極限 抗壓強(qiáng)度小于30Mpa【例題11某巖石的飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度大于或等于 30Mpa可以判斷該巖石屬于（） A.軟質(zhì)巖石B.硬質(zhì)巖石C. 極硬巖石D. 次硬巖石答案： B在選擇巖基時(shí)，一般應(yīng)滿足下列要求：1 巖基的承載力必須大于建（構(gòu)）筑物的荷載要求，以滿足建（構(gòu)）筑物對(duì)巖基強(qiáng)度的要求和安全。

4、2 巖基的最大沉降和差異沉降都必須比建（構(gòu)）筑物要求的要小，以保證建（構(gòu)）筑物不致因基礎(chǔ)位移而損壞。3 巖基中的不良地質(zhì)現(xiàn)象應(yīng)該對(duì)建（構(gòu)）筑影響小，并易于處理的，以保證建（構(gòu)）筑物的穩(wěn)定和正常使用。4 必須評(píng)價(jià)建（構(gòu)）筑物在施工過程中產(chǎn)生的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，以及這些現(xiàn)象對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的影響，并要有措施來處理的可能。5 對(duì)建（構(gòu)）筑物有潛在威脅或直接危害的不良地質(zhì)現(xiàn)象地段，一般不允許選作建筑場地。當(dāng)因特殊需要必須使用這類場地時(shí)，應(yīng)采取可靠的整治措施?？傊瑤r基工程的總體規(guī)劃，應(yīng)根據(jù)使用要求，地形地質(zhì)條件合理布置。主體建筑的設(shè)置應(yīng)保證在較好的地基上，盡量使地基條件與上部結(jié)構(gòu)的要求相適應(yīng)。研究巖

5、基工程一般從以下幾個(gè)方面，即巖基巖體的應(yīng)力和應(yīng)變、巖基的破壞模式以及巖基 的承載能力?！纠}2】研究巖基工程時(shí)一般需從幾個(gè)方面著手，下列各項(xiàng)中不包括在的是（）。A. 巖基巖體的應(yīng)力和應(yīng)變B. 巖基的破壞模式C. 巖基的承載力D. 基礎(chǔ)類型答案： D三、基礎(chǔ)下巖體的變形（ 沉降 ）巖基上基礎(chǔ)的垂直變形即基礎(chǔ)的沉降，主要是由于巖基巖層承載后出現(xiàn)的變形引起的。對(duì)于一般的中小型工程來說，由于巖體的變形模量較大，所以引起的沉降變形較小。但是，對(duì)于重型結(jié)構(gòu)或巨大結(jié)構(gòu)來說，則產(chǎn)生變形較大。在對(duì)這類建（ 構(gòu) ） 筑物來說，巖基變形有兩個(gè)方面的影響：一個(gè)是在絕對(duì)位移或下沉量直接使基礎(chǔ)沉降，改變了原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求

6、；另一個(gè)是因巖基變形各點(diǎn)不一，造成上部結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)間的相對(duì)位移，即差異沉降?！纠}3】巖基上基礎(chǔ)的垂直變形即基礎(chǔ)的沉降主要是由下列哪項(xiàng)引起（）。A. 巖層自重B. 基礎(chǔ)深部軟弱夾層C. 巖層自重以及附加荷載D. 巖基巖層承載后出現(xiàn)的變形答案： D計(jì)算基礎(chǔ)的沉降可用彈性理論解法。對(duì)于幾何形狀、材料性質(zhì)和荷載分布都是不均勻的基礎(chǔ)，則用有限單元法分析其沉降是比較準(zhǔn)確的。按彈性理論求解各種基礎(chǔ)的沉降，仍可采用布辛涅斯克解。當(dāng)半無限體表面上被作用有一垂直的集中力p 時(shí)。則在半無限體表面處（z=0） 的沉降量s 為式中r一計(jì)算點(diǎn)至集中荷載p處之間的距離如果半無限體表面上，分布有荷載作用(圖17-2-5),則

7、可按積分法求出表面上任一點(diǎn)M圖172一5半無限體賽面的離A(x,y)處的沉降量Sy。1 - ir 儀匕杷汕；P - H Ji 二F面介紹用彈性理論求解圓形基礎(chǔ)、矩形及條形基礎(chǔ)的沉降(一)圓形基礎(chǔ)的沉降當(dāng)圓形基礎(chǔ)為柔性時(shí)(圖17-2-6),如果其上作用有均布荷載 p和在基底接觸面上沒有任何摩擦力時(shí)，則基底反力 v。也將是均勻分布的，并等于 P0,這時(shí)外=P = 1(17-2-8)私現(xiàn)列出M點(diǎn)處的表面沉降式子，通過 M點(diǎn)作一割線nm,再作一無限接近的另一割線 nim,定出微面積dF=rd6dr,可得至U： dp=pdF=p rd少dr按式(17-2-6)可得總荷載引起m點(diǎn)處表面的沉降量為圖17一2

8、一6圓形基礎(chǔ)什算用圖因?yàn)?j dr = r = 2- Rli/中可見，侵1形柔性基配當(dāng)其承受均布荷載時(shí)，其中心沉 降量為其邊綾沉降量的L57借.C17-2-9）在圓形基礎(chǔ)底面中心的沉降量為當(dāng)R =Q時(shí)2（ 1 a，）2（1 - ft1初=2=一PE軌Fa（17-2-10）當(dāng)夫=占時(shí)十在圜形基礎(chǔ)左面邊獴的沉降 量3電為4（ 1 產(chǎn)”）5. - pa （17-2/1）tE 于是也 Lg = L57s2C. s1(45* + 可見,式17-2-32最后一項(xiàng)的值遠(yuǎn)小于式中其他各項(xiàng)，可以將其略去。如果在承載壓力分附近的表面上還作用有一個(gè)附加壓力q,即在x楔體上作用的0 3為0r5yitan545-1 A

9、anp t gtauJ 45* + f(17-2-33)這就是榔艮承載能力的精確解，可寫成crO.WcNt+qH(17-2-34)式中 旦.以及%承我能力系數(shù)，朋們都是中的函數(shù). 由于破壞而是彎曲的,在二和y這兩個(gè)楔體之間的邊界上以及承載面上存在翦應(yīng)力，因而，上述承載能力系數(shù)要比式 (172%萬匕可按下冽三個(gè)方程來確定承載能力系數(shù)二M -誨i? 45 + y j(17235)N, = 5tan445* 十-N. = tan145T在由,中的皰圍內(nèi).這三個(gè)方程算出的系數(shù)值較為接近于精確解。對(duì)于方形或圓形的承載面來說，承戟力系數(shù) 計(jì)有顯著的變化，這時(shí)23G【例題14】對(duì)于基礎(chǔ)以下剪壞巖體的極限承載

10、力，可用公式qf=0.5rbNr+cNc+qNq 進(jìn)行求解，式中的承載力系數(shù)Nr、Nc、Nq,是關(guān)于巖體下列哪項(xiàng)的函數(shù)（）。A. 粘聚力B. 摩擦角C. 單軸抗壓強(qiáng)度D. 裂隙發(fā)育程度答案 :B（二 ）巖基淺基礎(chǔ)承載力的實(shí)際確定巖基承載力系指在保證地基穩(wěn)定的條件下建（構(gòu) ）筑物的沉降量不超過容許值的地基承載能力。一般認(rèn)為，目前我國規(guī)中，對(duì)于一般的工業(yè)民用建筑，巖石地基的承載力通常不考慮基礎(chǔ)埋置深度和基底底面尺寸，并按下式確定其承載力：R=K Rc, （17-2-37）式中Rc一飽和狀態(tài)下巖石的單軸抗壓極限強(qiáng)度（kPa）;K均質(zhì)系數(shù)（1）對(duì)一般工業(yè)民用建筑地基K 采用0.17；（2）對(duì)重型建筑物

11、地基，K 采用0.20 0.04；關(guān)于 K 值的規(guī)定問題由于巖石的小試件的抗壓強(qiáng)度不能反映出巖石地基狀態(tài)的強(qiáng)度，天然狀態(tài)下巖石地基的不均勻性和裂隙性將會(huì)大大降低巖石地基的承重能力，對(duì)愈是堅(jiān)硬的巖石，這種影響愈大。再者，巖石地基的實(shí)際受力狀態(tài)不是單向的，而是三向的，同時(shí)巖石地基受力的邊界條件也很復(fù)雜，因此巖石地基實(shí)際承載力大有潛力可挖。根據(jù)目前我國有關(guān)單位研究結(jié)果，認(rèn)為巖石地基采用飽和狀態(tài)下單軸受壓時(shí)的極限強(qiáng)度籠統(tǒng)乘以一均質(zhì)系 數(shù)0.17,或0.20.04,不盡完全合理。各種巖石地基強(qiáng)度不但與巖石生成條件有關(guān)，而且 與巖石性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度，軟化特點(diǎn)和風(fēng)化程度等密切相關(guān)。鐵道部第二提出均質(zhì)系

12、數(shù)K值應(yīng)結(jié)合裂隙情況風(fēng)化帶情況而定。K值可取為（表17-2-2）:當(dāng)無飽和狀態(tài)下單軸極限抗壓強(qiáng)度（t）時(shí)，可取干抗壓強(qiáng)度進(jìn)行折減計(jì)算，泥灰?guī)r、砂巖、循灰?guī)r取弓!3 2-i1 3-4花岡巖1閃長巖取一一】石灰?guī)r取一口2 45當(dāng)只有壬裝荷載.K取上限值；若不利情況較大，則笈取下限值.當(dāng)巖石風(fēng)化時(shí)，可按風(fēng)化程度降低25%50%.時(shí)于短期建筑物基礎(chǔ)式平面尺寸較小的基礎(chǔ)，可參考下列敬值采用1* 的整方法 17.2-2巖石類別巖石完th稍有置悚1翼片中裳貴陽臺(tái)狀，斑石帶霸麻做為發(fā)育.藁彈, 辟塊狀鵬被巖石必一如那0.第一 38兼質(zhì)巖有0.2014。,14心通0, JO-O.OS（1）軟質(zhì)巖層（頁巖、粘土巖

13、、凝灰?guī)r、粗面巖、千枚巖等 ）8001200kPa;（2）中等均質(zhì)巖層（砂巖、石灰?guī)r）12002000kPa;（3）堅(jiān)硬巖層（片麻巖、花崗巖、密實(shí)的砂巖、致密石灰?guī)r ）20004000kPa;特別堅(jiān)硬巖層（石英巖，細(xì)?；◢弾r）40006000kPa對(duì)于基礎(chǔ)底面積很大的應(yīng)力變化不太大的巖石地基；其容許承載力可按上列數(shù)值提高25%。關(guān)于巖石地基中的斷裂帶對(duì)地基承載力的影響，可認(rèn)為：當(dāng)斷裂帶巖層破碎，且有較多的 軟弱填充物（如斷層泥等）時(shí)，應(yīng)查明其地基不均勻性；必要時(shí)可利用大面積靜力荷載試 驗(yàn)，確定其軟硬不均勻地基的容許承載力。(三)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)(GB50007-2002)方法建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

14、規(guī)(GB50007-2002)第5.2.6條對(duì)巖石地基承載力特征值的確定做以下規(guī) 定：巖石地基承載力設(shè)計(jì)值，可按巖基載荷試驗(yàn)方法確定。對(duì)微風(fēng)化及中等風(fēng)化的巖石地基承載力設(shè)計(jì)值，也可根據(jù)飽和單軸抗壓強(qiáng)度按公式計(jì)算：fa= frk(17-3-38)式中fa巖石地基承載力特征值(kPa)frk巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa),可按本規(guī)附錄J確定；令一折減系數(shù)。根據(jù)巖體的完整程度以及巖體結(jié)構(gòu)面間距、產(chǎn)狀及其組合，由地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。無經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對(duì)完整巖體可取0.5，對(duì)于較完整巖體可取0.20.5，對(duì)于較破碎的巖體可取 0.10.2。注： 1上述折減系數(shù)值未考慮施工因素及建筑物使用后風(fēng)化作用的延續(xù)。2對(duì)于

15、粘土質(zhì)巖，在確保施工期和使用期不致遭水浸泡時(shí)，也可采用天然濕度的試樣，不進(jìn)行飽和處理?！纠}15】按照建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)(GB50007-2002)的規(guī)定，確定巖質(zhì)地基的承載 力特征值時(shí)，其值大小與下列哪一項(xiàng)無關(guān)()。A. 巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度B. 巖體的完整程度C. 巖體結(jié)構(gòu)面間距、產(chǎn)狀和組合D. 建筑物使用后巖石風(fēng)化作用的延續(xù)答案 :D六、巖基深基礎(chǔ)的承載力計(jì)算六、巖基深基礎(chǔ)的承載力計(jì)算一般當(dāng)巖基上部地表土或風(fēng)化巖石底的允許荷載較低時(shí)，采用打人或靜壓預(yù)制樁以及鉆孔灌注樁等方法將建筑物荷載傳遞到深部的巖基上。當(dāng)深基礎(chǔ)掩埋在地下時(shí)，其承載力將增加。這是由于為了克服加大了的巖石壓力，需要附加的

16、功去擴(kuò)展破壞區(qū)。澆筑的混凝土與開挖的巖石表面間將產(chǎn)生摩阻力，其強(qiáng)度可達(dá)到巖石的或棍凝土的抗剪強(qiáng)度中的較小值。在設(shè)計(jì)這一類深基礎(chǔ)時(shí)，必須考慮在樁底或樁周邊的這種摩阻力力與它們的端支承力之間荷載是如何分配的。樁的長度和直徑以及樁底混凝土標(biāo)號(hào)及配筋，可以按照摩阻力和支承壓力均不超過允許值，并使兩者均衡發(fā)揮作用的原則來選定。確定嵌巖樁（ 墩 ）基的允許承載力一般有兩種方法，一種是試驗(yàn)法，目前采用比較多的是樁的現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)法。在現(xiàn)場進(jìn)行樁的靜荷載抗壓試驗(yàn)是非常直觀的，它可以不需考慮巖體與樁之間的端承及摩阻力，按照建（ 構(gòu) ） 筑物的要求及樁的設(shè)計(jì)承載力直接驗(yàn)證樁的承載能力。但現(xiàn)場荷載試驗(yàn)費(fèi)用比較昂貴，

17、且由于荷載點(diǎn)數(shù)量少時(shí)，也不能反映整個(gè)場地有效圍承載力，并且試驗(yàn)時(shí)間較長，影響工程進(jìn)度。另一種方法是力學(xué)計(jì)算法，一般多采用巖體的極限平衡條件計(jì)算樁的承載力，參照淺基礎(chǔ)的計(jì)算公式，考慮埋深條件后，對(duì)有關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修正考慮。由于巖體的復(fù)雜性和多樣性，因而計(jì)算其承載力有較大難度，很難給出一個(gè)通用公式。我國現(xiàn)有的規(guī)中，對(duì)于嵌巖樁的單樁豎向承載力一般采用以下公式計(jì)算：Q=QQ崔中Q時(shí) 其中;17-2490A =叱&q排 2=1。京況工占比12Pt ipXrc-p式中Qsk, Qrk, Qpk一分別為巖土的總極限阻力、嵌巖段總極限側(cè)阻力、總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；&覆蓋層第i層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)；當(dāng)樁的長徑比不

18、大（I/d30）樁端置于新鮮或微風(fēng)化硬質(zhì)巖體中且樁底無沉渣時(shí)，對(duì)于粘性土、粉土，取 白=0.8,對(duì)于砂土及碎石工取 &=0.7,對(duì)于其他情況取 & =1;qski一樁周第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)沉樁工藝和各個(gè)地區(qū)的巖土情況，按表 17-2-3 取值；frc巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度；hr一樁身嵌巖深度，超過5d時(shí)。取hr=5d,當(dāng)巖層表面傾斜時(shí)，以坡下方的嵌巖深度為準(zhǔn)；4, q一嵌巖段側(cè)阻力和端阻力彳正系數(shù)，與嵌巖深度hr/d有關(guān)，可按表17-2-4取值?！纠}16】嵌巖樁的單樁承載力與下列哪一項(xiàng)無關(guān)（）。A.巖土的總極限側(cè)阻力B.嵌巖段的總極限側(cè)阻力C.嵌巖段的極限端阻力D.總極限端阻力答案:

19、C【例題17】某嵌巖樁樁徑為1m,樁身嵌巖深度實(shí)際為6m,當(dāng)計(jì)算嵌巖樁單樁承載力時(shí), 嵌巖深度取值為()mA. 1B. 3C. 5D. 6答案:C候的極摩強(qiáng)咀力株港值* (kPa)囊17 2 3土的名稱1士的狀強(qiáng)固置土演稿槌水下鉆(沖)孔林況管凈注株千作業(yè)鉆孔枕填士20 2818-2615-22*36除混11-1710- 1。91310-1620-28_ 18-2615-Z218-26人)121-3612 口*16-281 a34Q 75c JUC136-50弘48Z8-4034-43Jlil *電SOVk40.T550664S6440-52148-52lj_0.25 父WO.5貓，屋64“抬

20、52-61鼠一 76。匚40反&2-91WT露63-7%T6八3“un88-然72-80我外fr th +07a0.522rM120-40163220-40w。門4區(qū)o.y42石44”60321%40一班Ya:MB56080州-67M-&0稍密工工、4222-401632黑一 40sw中富4”出4D-60j32勵(lì)噸一60_括實(shí)63-5516C-801_ 卻 Y?6080小sn?中密54-741507&T850-70tt-I密實(shí)兩75T2-9Q58- j利加中密74-9S74-955$-7S7(1 我1田協(xié)需實(shí) _ _ _ 94-11695-11675-9290*110麻砂1中密.宙實(shí)11(5

21、538|11673592-1101_1IW-130注:1 .對(duì)于尚未完成自重固結(jié)的填土和以生活垃圾為主的雜填土，不計(jì)算其側(cè)阻力2 .對(duì)于預(yù)制樁，根據(jù)土層埋深 h,將q k乘以下表修正系數(shù)。3 .即為含水比(aw=w/wL)。注：當(dāng)嵌巖段為中等風(fēng)化巖時(shí)，表中數(shù)值乘以 0.8折減。一短碗W2030修正系敦。3roi.i1.2嫌巖贛韶阻力和靠阻力慘正鬃數(shù)裹17-2-4曝巖深愧比/d0123485闡is力盤送敢工，Q_0_025 _0.055O,G700.06Sk區(qū)2 10.050珀阻力建正融嫩人 10.50。,可0-400,300.20fl.100建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)(GB50007-2002)方法建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)