巖體力學在巖基工程中的應用

1、前言巖體力學在巖基工程中的應用一、 容提要：本講主要講述巖基的基本概念、基礎下巖體的應力、基礎下巖體的變形、巖基的破壞模式以及巖基的淺基礎、深基礎的承載力計算二、重點難點：基礎下巖體的變形以及巖基的淺基礎、深基礎的承載力計算巖基的基本概念一i、巖基的基本概念高層或大型建（構）筑物，其基礎直接與巖體相接觸。我們將支承建（構）筑的巖體地基，一般稱為巖基。通常，支承一般的建（構）筑物是足夠堅固的，但是對一些大型的和特殊的建（構）筑物來說，則遠非所有情況下都能保證其穩(wěn)固。因而對于巖基的強度、變形和穩(wěn)定性都應進行綜合的考慮研究。巖石按其強度可一般劃分為硬質巖石及軟質巖石兩大類。（表 17-2-1 ）類別

2、亞類強度(MPa代表性巖石硬質巖石極硬巖石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、硅質礫巖等次硬巖石30-60軟質巖石次軟巖石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、硅質礫巖等次硬巖石30-60軟質巖石次軟巖石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、硅質礫巖等。這些巖石，具顆粒間部的連接是以剛性連結（結合）的，主要是結晶連 接的，連接的非常牢固。這些巖石在外部荷載作用下，其性

3、狀有如堅硬的彈性。巖石的飽 和單軸極限抗壓強度大于或等于 30Mpa軟質巖石，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 部的連接主要為結晶連結，也部分有膠體連結或水膠連結的。具連接的牢固程度要比硬質 巖石差些。這些巖石在外部荷載作用下其變形比硬質巖石要大得多，巖石的飽和單軸極限 抗壓強度小于30Mpa【例題11某巖石的飽和單軸極限抗壓強度大于或等于 30Mpa可以判斷該巖石屬于（） A.軟質巖石B.硬質巖石C. 極硬巖石D. 次硬巖石答案： B在選擇巖基時，一般應滿足下列要求：1 巖基的承載力必須大于建（構）筑物的荷載要求，以滿足建（構）筑物對巖基強度的要求和安全。

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

5、基工程一般從以下幾個方面，即巖基巖體的應力和應變、巖基的破壞模式以及巖基 的承載能力?！纠}2】研究巖基工程時一般需從幾個方面著手，下列各項中不包括在的是（）。A. 巖基巖體的應力和應變B. 巖基的破壞模式C. 巖基的承載力D. 基礎類型答案： D三、基礎下巖體的變形（ 沉降 ）巖基上基礎的垂直變形即基礎的沉降，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，對于重型結構或巨大結構來說，則產生變形較大。在對這類建（ 構 ） 筑物來說，巖基變形有兩個方面的影響：一個是在絕對位移或下沉量直接使基礎沉降，改變了原設計標準的要求

6、；另一個是因巖基變形各點不一，造成上部結構上各點間的相對位移，即差異沉降。【例題3】巖基上基礎的垂直變形即基礎的沉降主要是由下列哪項引起（）。A. 巖層自重B. 基礎深部軟弱夾層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計算基礎的沉降可用彈性理論解法。對于幾何形狀、材料性質和荷載分布都是不均勻的基礎，則用有限單元法分析其沉降是比較準確的。按彈性理論求解各種基礎的沉降，仍可采用布辛涅斯克解。當半無限體表面上被作用有一垂直的集中力p 時。則在半無限體表面處（z=0） 的沉降量s 為式中r一計算點至集中荷載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、矩形及條形基礎的沉降(一)圓形基礎的沉降當圓形基礎為柔性時(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，則基底反力 v。也將是均勻分布的，并等于 P0,這時外=P = 1(17-2-8)私現(xiàn)列出M點處的表面沉降式子，通過 M點作一割線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點處表面的沉降量為圖17一2

8、一6圓形基礎什算用圖因為 j dr = r = 2- Rli/中可見，侵1形柔性基配當其承受均布荷載時，其中心沉 降量為其邊綾沉降量的L57借.C17-2-9）在圓形基礎底面中心的沉降量為當R =Q時2（ 1 a，）2（1 - ft1初=2=一PE軌Fa（17-2-10）當夫=占時十在圜形基礎左面邊獴的沉降 量3電為4（ 1 產”）5. - pa （17-2/1）tE 于是也 Lg = L57s2C. s1(45* + 可見,式17-2-32最后一項的值遠小于式中其他各項，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這兩個楔體之間的邊界上以及承載面上存在翦應力，因而，上述承載能力系數(shù)要比式 (172%萬匕可按下冽三個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.這三個方程算出的系數(shù)值較為接近于精確解。對于方形或圓形的承載面來說，承戟力系數(shù) 計有顯著的變化，這時23G【例題14】對于基礎以下剪壞巖體的極限承載

10、力，可用公式qf=0.5rbNr+cNc+qNq 進行求解，式中的承載力系數(shù)Nr、Nc、Nq,是關于巖體下列哪項的函數(shù)（）。A. 粘聚力B. 摩擦角C. 單軸抗壓強度D. 裂隙發(fā)育程度答案 :B（二 ）巖基淺基礎承載力的實際確定巖基承載力系指在保證地基穩(wěn)定的條件下建（構 ）筑物的沉降量不超過容許值的地基承載能力。一般認為，目前我國規(guī)中，對于一般的工業(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度（kPa）;K均質系數(shù)（1）對一般工業(yè)民用建筑地基K 采用0.17；（2）對重型建筑物

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

12、數(shù)K值應結合裂隙情況風化帶情況而定。K值可取為（表17-2-2）:當無飽和狀態(tài)下單軸極限抗壓強度（t）時，可取干抗壓強度進行折減計算，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.當巖石風化時，可按風化程度降低25%50%.時于短期建筑物基礎式平面尺寸較小的基礎，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兼質巖有0.2014。,14心通0, JO-O.OS（1）軟質巖層（頁巖、粘土巖

13、、凝灰?guī)r、粗面巖、千枚巖等 ）8001200kPa;（2）中等均質巖層（砂巖、石灰?guī)r）12002000kPa;（3）堅硬巖層（片麻巖、花崗巖、密實的砂巖、致密石灰?guī)r ）20004000kPa;特別堅硬巖層（石英巖，細粒花崗巖）40006000kPa對于基礎底面積很大的應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%。關于巖石地基中的斷裂帶對地基承載力的影響，可認為：當斷裂帶巖層破碎，且有較多的 軟弱填充物（如斷層泥等）時，應查明其地基不均勻性；必要時可利用大面積靜力荷載試 驗，確定其軟硬不均勻地基的容許承載力。(三)建筑地基基礎設計規(guī)(GB50007-2002)方法建筑地基基礎設計

14、規(guī)(GB50007-2002)第5.2.6條對巖石地基承載力特征值的確定做以下規(guī) 定：巖石地基承載力設計值，可按巖基載荷試驗方法確定。對微風化及中等風化的巖石地基承載力設計值，也可根據飽和單軸抗壓強度按公式計算：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度標準值(kPa),可按本規(guī)附錄J確定；令一折減系數(shù)。根據巖體的完整程度以及巖體結構面間距、產狀及其組合，由地區(qū)經驗確定。無經驗時，對完整巖體可取0.5，對于較完整巖體可取0.20.5，對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化作用的延續(xù)。2對于

15、粘土質巖，在確保施工期和使用期不致遭水浸泡時，也可采用天然濕度的試樣，不進行飽和處理。【例題15】按照建筑地基基礎設計規(guī)(GB50007-2002)的規(guī)定，確定巖質地基的承載 力特征值時，其值大小與下列哪一項無關()。A. 巖石的飽和單軸抗壓強度B. 巖體的完整程度C. 巖體結構面間距、產狀和組合D. 建筑物使用后巖石風化作用的延續(xù)答案 :D六、巖基深基礎的承載力計算六、巖基深基礎的承載力計算一般當巖基上部地表土或風化巖石底的允許荷載較低時，采用打人或靜壓預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。當深基礎掩埋在地下時，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、功去擴展破壞區(qū)。澆筑的混凝土與開挖的巖石表面間將產生摩阻力，其強度可達到巖石的或棍凝土的抗剪強度中的較小值。在設計這一類深基礎時，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號及配筋，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，一種是試驗法，目前采用比較多的是樁的現(xiàn)場靜荷載試驗法。在現(xiàn)場進行樁的靜荷載抗壓試驗是非常直觀的，它可以不需考慮巖體與樁之間的端承及摩阻力，按照建（ 構 ） 筑物的要求及樁的設計承載力直接驗證樁的承載能力。但現(xiàn)場荷載試驗費用比較昂貴，

17、且由于荷載點數(shù)量少時，也不能反映整個場地有效圍承載力，并且試驗時間較長，影響工程進度。另一種方法是力學計算法，一般多采用巖體的極限平衡條件計算樁的承載力，參照淺基礎的計算公式，考慮埋深條件后，對有關力學參數(shù)進行修正考慮。由于巖體的復雜性和多樣性，因而計算其承載力有較大難度，很難給出一個通用公式。我國現(xiàn)有的規(guī)中，對于嵌巖樁的單樁豎向承載力一般采用以下公式計算：Q=QQ崔中Q時 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、嵌巖段總極限側阻力、總極限端阻力標準值；&覆蓋層第i層土的側阻力發(fā)揮系數(shù)；當樁的長徑比不

18、大（I/d30）樁端置于新鮮或微風化硬質巖體中且樁底無沉渣時，對于粘性土、粉土，取 白=0.8,對于砂土及碎石工取 &=0.7,對于其他情況取 & =1;qski一樁周第i層土的極限側阻力標準值根據沉樁工藝和各個地區(qū)的巖土情況，按表 17-2-3 取值；frc巖石飽和單軸抗壓強度；hr一樁身嵌巖深度，超過5d時。取hr=5d,當巖層表面傾斜時，以坡下方的嵌巖深度為準；4, q一嵌巖段側阻力和端阻力彳正系數(shù)，與嵌巖深度hr/d有關，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無關（）。A.巖土的總極限側阻力B.嵌巖段的總極限側阻力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,樁身嵌巖深度實際為6m,當計算嵌巖樁單樁承載力時, 嵌巖深度取值為()mA. 1B. 3C. 5D. 6答案:C候的極摩強咀力株港值* (kPa)囊17 2 3土的名稱1士的狀強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

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21、538|11673592-1101_1IW-130注:1 .對于尚未完成自重固結的填土和以生活垃圾為主的雜填土，不計算其側阻力2 .對于預制樁，根據土層埋深 h,將q k乘以下表修正系數(shù)。3 .即為含水比(aw=w/wL)。注：當嵌巖段為中等風化巖時，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建筑地基基礎設計規(guī)(GB50007-2002)方法建筑地基基礎設計規(guī)