巖石地基工程之一概 述沉降地基承載力的確定

巖石地基工程概述地基承載力的確定建筑物巖石地基巖石路基（自學(xué)）1、概述

巖石地基：是指建筑物以巖體作為持力層的地基。人們通常認(rèn)為：在大多數(shù)情況下，巖石相對于土體來說要堅(jiān)硬很多，具有很高的強(qiáng)度以抵抗建筑物的荷載。例如，完整的中等強(qiáng)度巖石的承載力就足以承受來自于摩天大樓或大型橋梁產(chǎn)生的荷載。因此，國內(nèi)外基礎(chǔ)工程的關(guān)注重點(diǎn)一般都在土質(zhì)地基上，對于巖石地基工程的研究相對來說就少得多，而且工程師們都傾向認(rèn)為巖石地基上的基礎(chǔ)不會存在沉降與失穩(wěn)的問題。但是：工程師們在實(shí)際工程中面對的巖石在大多數(shù)情況下都不是完整的巖塊，而是具有各種不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，包括各種斷層、節(jié)理、裂隙及其填充物的復(fù)合體，稱之為巖體。

同時巖體還可能包含有洞穴或經(jīng)歷過不同程度的風(fēng)化作用，甚至非常破碎。所有這些缺陷都有可能使表面上看起來有足夠強(qiáng)度的巖石地基發(fā)生破壞，并導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

巖石地基工程的兩大特征：

一：相對于土質(zhì)地基，巖石地基可以承擔(dān)大得多的外荷載；二：巖石中各種缺陷的存在可能導(dǎo)致巖體強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于完整巖塊的強(qiáng)度。巖體強(qiáng)度的變化范圍很大，從小于5MPa到大于200MPa都有。當(dāng)巖石強(qiáng)度較高時，一個基底面積很小的擴(kuò)展基礎(chǔ)就有可能滿足承載力的要求。然而，當(dāng)巖石中包含有一條強(qiáng)度很低且方位較為特殊的裂隙時，地基就有可能發(fā)生滑動破壞，這生動地反映了巖石地基工程的兩大特征。

為了保證建筑物或構(gòu)筑物的正常使用，巖石地基設(shè)計(jì)中需要考慮以下三個方面的內(nèi)容：(1)強(qiáng)度：基巖體需要有足夠的承載能力，以保證在上部建筑物荷載作用下不產(chǎn)生碎裂或蠕變破壞；(2)變形：在外荷載作用下，由巖石的彈性應(yīng)變和軟弱夾層的非彈性壓縮產(chǎn)生的巖石地基沉降值應(yīng)該滿足建筑物安全與正常使用的要求；(3)穩(wěn)定性：確保由交錯結(jié)構(gòu)面形成的巖石塊體在外荷載作用下不會發(fā)生滑動破壞，這種情況通常發(fā)生在高陡巖石邊坡上的基礎(chǔ)工程中。巖石地基的利用的四種主要方法：

(1)墻下無大放腳基礎(chǔ)：若巖石地基的巖石單軸抗壓強(qiáng)度較高，且裂隙不太發(fā)育，對于砌體結(jié)構(gòu)承重的建筑物，可在清除基巖表面風(fēng)化層上直接砌筑，而不必設(shè)基礎(chǔ)大放腳.

(2)預(yù)制柱直接插入巖體：以預(yù)制柱承重的建筑物，若其荷載及偏心矩均較小，且?guī)r體強(qiáng)度較高、整體性較好時，可直接在巖石地基上開鑿杯口，承插上部結(jié)構(gòu)預(yù)制柱。

(3)嵌巖樁基礎(chǔ)：當(dāng)淺層巖體的承載力不足以承擔(dān)上部建筑物荷載，或者沉降值不滿足正常使用要求時，就需要使用嵌巖樁將上部荷載直接作用到深層堅(jiān)硬巖層上。例如:在已有建筑物附近沒有空間修建擴(kuò)展基礎(chǔ)的情形時，可以考慮設(shè)置嵌巖樁，將荷載傳遞到臨近建筑物基底水平面下的堅(jiān)硬巖石上。嵌巖樁的承載力由樁側(cè)摩阻力、端部支承力和嵌固力提供。嵌巖樁可以被設(shè)計(jì)為抵抗各種不同形式的荷載，包括豎向壓力和拉力，水平荷載以及力矩.(4)錨桿基礎(chǔ)：對于承受上浮力的結(jié)構(gòu)物，當(dāng)其自身重力不足以抵抗上浮力時，需要在結(jié)構(gòu)物與巖石之間設(shè)置抗拉灌漿錨桿提供抗拔力，稱之為抗拔基礎(chǔ)。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)傳遞給基礎(chǔ)的荷載中，有較大的彎矩時，可采用錨桿基礎(chǔ)。錨桿在巖石地基的基礎(chǔ)工程中，主要承受上拔力以平衡基底可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力。

錨桿的錨孔:利用鉆機(jī)在基巖中鉆成?？讖剑碾S成孔機(jī)具及錨桿抗拔力而定。一般取3～4d(d為錨筋的直徑)，但不得小于d+50mm，以便于將砂漿或混凝上搗固密實(shí)。錨孔的間距:一般取決于基巖的情況和錨孔的直徑。對致密完整的基巖，其最小間距可取6～8D；對裂隙發(fā)育的風(fēng)化基巖，其最小間距可增大至10～12Ｄ。錨筋一般采用螺紋鋼筋，其有效長度應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算確定，并不應(yīng)小于40d，如下圖示。

錨桿基礎(chǔ)的構(gòu)造要求2巖石地地基的變形和和沉降2.1巖巖石地基中的的應(yīng)力分布大多數(shù)的巖石石表現(xiàn)出線彈彈性性質(zhì)，因因此可以利用用彈性理論計(jì)算算巖石地基中的的應(yīng)力分布。。確定巖石地基基中應(yīng)力分布布的意義：一是將地基中中的應(yīng)力水平平與巖體強(qiáng)度度比較，以判判斷是否已經(jīng)經(jīng)發(fā)生破壞;二是利用地基基中的應(yīng)力水水平計(jì)算地基基的沉降值。。1、均質(zhì)各向向同性巖石地地基的應(yīng)力分分布（1）集中荷荷載作用下對于彈性半平平面體上作用用有垂直集中中荷載的情形形，布辛奈斯克（Boussinesq）在1885年推導(dǎo)出出了任意一點(diǎn)點(diǎn)的應(yīng)力表達(dá)達(dá)式，其柱坐標(biāo)解答如下：注意：這些應(yīng)應(yīng)力表達(dá)式?jīng)]沒有考慮地基巖體的自自重，即都為附加加應(yīng)力值，如如果要用來計(jì)計(jì)算地基中的的應(yīng)力，則必必須疊加上由由自重引起的的應(yīng)力值。（2）線荷載載作用下當(dāng)荷載為線荷荷載和在二維維的情況下，，巖石地基中中的任一點(diǎn)應(yīng)應(yīng)力為：（3）均布荷荷載作用通過對集中荷荷載作用下的的應(yīng)力值進(jìn)行行積分運(yùn)算可以得到到均布荷載作作用下地基中中的應(yīng)力分布布，這與土力力學(xué)中的方法法一致。因此此，利用土力學(xué)中的角角點(diǎn)法就可以計(jì)算出出圓形、矩形形基礎(chǔ)均布荷荷載作用下的的豎向附加應(yīng)應(yīng)力。（此略略）2、雙層巖石石地基在雙層巖石地地基中，當(dāng)上層巖體較為堅(jiān)堅(jiān)硬，而下臥臥巖層較軟弱弱時，上層巖巖體將承擔(dān)大大部分的外荷荷載，同時其其內(nèi)部的應(yīng)力力水平也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于下臥臥巖層。右圖圖表示雙層巖巖石地基中，，隨著上下層層巖體模量比比的變化，其其豎向應(yīng)力分分布的變化過過程。從圖中可以看看出，當(dāng)上下下模量比為1時，即為均均質(zhì)地基的情情形，其分布布符合Boussinesq解；當(dāng)當(dāng)上下模量比比增大至100時，下臥臥軟弱巖層中中的附加應(yīng)力力就小得可以以忽略不計(jì)了了，即外荷載載全部由上部部巖層承擔(dān)。。3、橫觀各向向同性巖石地地基對于橫觀各向向同性巖石地地基，由于層層理、節(jié)理、、裂隙等結(jié)構(gòu)構(gòu)面的存在，，必須對均質(zhì)質(zhì)各向同性巖巖石地基的情情形進(jìn)行修正正得到其應(yīng)力力分布。右圖表示結(jié)構(gòu)構(gòu)面均勻分布布的半平面巖巖體有傾斜線線荷載R作用用的情形。對對于均質(zhì)各向向同性巖石地地基來說，其其壓應(yīng)力等值值線，俗稱壓力泡，應(yīng)該按圖中中的虛線圓分分布；但是這這不適用于存存在結(jié)構(gòu)面的的情形，因?yàn)闉楹蠎?yīng)力不能能與各個結(jié)構(gòu)構(gòu)面成統(tǒng)一角角度。根據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦擦角的定定義，徑向應(yīng)應(yīng)力與結(jié)結(jié)構(gòu)面法向之之間夾角的絕絕對值必定等等于或小于，，因此壓壓力泡不能超超出與結(jié)構(gòu)面面的法向成角角的AA線和BB線線以外。由于壓力泡被被限制在比均均質(zhì)各向同性性巖石地基中中更窄的范圍圍之內(nèi)，它必必定會延伸得得更深，這意意味著在同一一深度上的應(yīng)應(yīng)力水平肯定定高于各向同性巖石石的情況。隨著線荷載的的方向與結(jié)構(gòu)構(gòu)面的方位變變化，一部分分荷載也能擴(kuò)擴(kuò)散到平行于于結(jié)構(gòu)面的方方向上去，對對于圖中所示示情形，平行于結(jié)構(gòu)面面的任何應(yīng)力力增量都將是是拉應(yīng)力。注意：由于對對層間發(fā)生破破壞的情形還還是使用彈性性的Boussinesq解，因此此圖中的修正壓壓力泡形狀是是近似的。等效橫觀各向向同性介質(zhì)為了更好地研研究結(jié)構(gòu)面對對巖石地基中中應(yīng)力分布的的影響，Bray提出““等效橫觀各各向同性介質(zhì)質(zhì)”的概念進(jìn)進(jìn)行分析，即即研究考慮存存在一組結(jié)構(gòu)構(gòu)面的橫觀各各向同性巖石石地基。如右右圖所示，將將傾斜線荷載載分解到平行行和垂直于結(jié)結(jié)構(gòu)面的兩個個方向，兩個個分量分別為為X和Y，此此時巖體中的的應(yīng)力還是呈呈輻射狀分布布的，即，，徑徑向應(yīng)力為式中，h和g為描述巖體橫橫觀各向同性性性質(zhì)的無因因次量，分別別按下式計(jì)算算：式中：——巖巖石的彈性模模量和泊松比比；S—結(jié)構(gòu)面面間距；—結(jié)構(gòu)面的法法向和切向剛剛度；—徑向應(yīng)力與與結(jié)構(gòu)面之間間的夾角。利用上述方法法可以計(jì)算結(jié)結(jié)構(gòu)面呈任意意角度時巖石石地基中的應(yīng)應(yīng)力分布。2.2巖巖石地基的沉沉降根據(jù)完整巖石和結(jié)結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)質(zhì)，可以將巖石石地基的沉降降分為以下三三種類型：(1)由巖石本身的的變形、結(jié)構(gòu)構(gòu)面的閉合與與變形以及少少數(shù)粘土夾層層的壓縮三個個部分組合形形成的地基沉沉降。當(dāng)?shù)鼗鶐r體比比較完整、堅(jiān)堅(jiān)硬，且含有有的粘土夾層層較薄時（小小于幾個毫米米），則可以以認(rèn)為其沉降降是彈性的，，也就是說可可以利用彈性性理論計(jì)算地地基沉降值。。這種方法的的適用范圍包包括均質(zhì)、各各向同性巖石石地基，成層層巖石地基和和橫觀各向同同性巖石地基基。(2)由于巖石塊體體沿結(jié)構(gòu)面剪剪切滑動產(chǎn)生生的地基沉降降。絕大多數(shù)這種種情況發(fā)生在在基礎(chǔ)位于巖巖石邊坡頂部部時，且邊坡坡巖體中存在在潛在滑動的的塊體。(3)與時間有關(guān)的的地基沉降。。這種沉降主要要發(fā)生在軟弱弱巖石地基和和脆性巖石地地基中，當(dāng)?shù)氐鼗鶐r體中包包含有一定厚厚度的粘土夾夾層時，也會會有此類沉降降發(fā)生。1、彈性巖石石地基包括均質(zhì)、各各向同性巖石石地基、成層層巖石地基和和橫觀各向同同性巖石地基基（1）均質(zhì)、、各向同性巖巖石地基在被假定為均均質(zhì)、各向同同性的巖石地地基中，其地地基沉降值可可以通過簡單單地利用彈性性理論計(jì)算得得到。對于圓圓形和矩形基基礎(chǔ)，均布荷荷載作用下地地基的沉降值值可以通過下下式計(jì)算：（1）式中：q—均布的基底底壓力；B—基礎(chǔ)尺寸參參數(shù)，圓形基基礎(chǔ)為其直徑徑，矩形基礎(chǔ)礎(chǔ)為其寬度；；Cd—與基礎(chǔ)形狀狀和計(jì)算位置置相關(guān)的沉降降計(jì)算系數(shù)，，具體取值見見下頁表；E、—地地基巖體的變變形模量和泊泊松比。基礎(chǔ)形狀和計(jì)計(jì)算位置相關(guān)關(guān)的沉降計(jì)算算系數(shù)Cd形狀中心點(diǎn)角點(diǎn)短邊中間點(diǎn)長邊中間點(diǎn)平均值圓形1.000.640.640.640.85圓形（剛性）0.790.790.790.790.79方形1.120.560.760.760.95方形（剛性）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）成層巖巖石地基在成層巖石地地基中，當(dāng)上上層巖石的厚厚度較小時，，同樣可以利利用上述的彈彈性方法計(jì)算算地基沉降值值。幾種典型的成層巖巖石地基的沉降計(jì)計(jì)算方法：第一種情形：即上層地基巖體為為可壓縮性巖層，，且下臥有剛性巖巖層的情形。這種種情形的沉降計(jì)算算相當(dāng)于是可壓縮縮范圍有限的均質(zhì)質(zhì)、各向同性巖石石地基的沉降計(jì)算算，即同樣地可以以利用式（1）來來進(jìn)行計(jì)算，只是是需要對沉降計(jì)算算系數(shù)Cd進(jìn)行適適當(dāng)修正。在實(shí)際際計(jì)算過程中采取取的方法是利用系系數(shù)Cd’來替換換Cd，其具體取取值見下頁表。表表中給出了各種基基礎(chǔ)形狀下的計(jì)算算系數(shù)值，計(jì)算所所得值為基礎(chǔ)中心心點(diǎn)下的沉降值。。需要指出的是，表表中的值是在假定定上下巖層之間剪剪應(yīng)力為零且無相相對位移的前提下下得到的?；A(chǔ)形狀和計(jì)算位位置相關(guān)的沉降計(jì)計(jì)算系數(shù)Cd’H/B圓形直徑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∞第二種情形即在較為堅(jiān)硬的地地基巖體中存在有有厚度不大的可壓壓縮夾層的情形。。假定:可壓縮夾層以下的的巖體為剛性，且且無限延伸，即總總的沉降是由可壓壓縮夾層及其以上上巖體的壓縮量組組合形成的。因此此，同樣可以利用用上述第一種情形形的方法計(jì)算地基基沉降值，只是需需要將公式中的彈性常數(shù)折算為加權(quán)平均值值，查Cd’表過程中H為兩層巖體的厚度度之和（H1+H2）。利用這種方法計(jì)算算得到的地基沉降降值偏大，這是因因?yàn)樵谟?jì)算中沒有有考慮地基中附加加應(yīng)力的擴(kuò)散作用用。實(shí)際情況是，上部部堅(jiān)硬巖體承擔(dān)了了大部分的基礎(chǔ)荷荷載，可壓縮夾層層只承擔(dān)小部分的的荷載。第三種情形即上部為剛性巖層層，下部可壓縮性性巖層厚度很大，，可認(rèn)為無限延伸伸的情形?？梢酝ㄟ^對全部由由可壓縮性巖層構(gòu)構(gòu)成的地基沉降值值進(jìn)行折減求得，，計(jì)算公式如下：：式中:為折折減系數(shù),與上下下巖層的模量比和和比值有有關(guān)，為為上部剛性巖層的的厚度.折減系數(shù)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上面介紹的成層巖巖石地基都為水平層理的情形，因此都可可以通過簡化利用用彈性理論進(jìn)行計(jì)計(jì)算。在實(shí)際地質(zhì)條件中中，經(jīng)常會遇到如如右圖所示的傾斜巖層條件。對于這種情形，，就很難利用彈性性理論計(jì)算地基沉沉降值，必須考慮慮使用數(shù)值分析方法，如有限元法、有有限差分法進(jìn)行計(jì)計(jì)算。２、橫觀各向同性性巖石地基對于彈性的橫觀各各向同性巖石地基基，可以利用Gerrard和Harrison（1970），，Kulhawy（1978），，Kulhawy和Goodman（1980））提供的公式計(jì)算算沉降值。這些公式適用于圓形基礎(chǔ)下橫觀各向同性巖巖石地基的沉降計(jì)計(jì)算，且要求基礎(chǔ)礎(chǔ)荷載方向與基礎(chǔ)礎(chǔ)底面垂直。橫觀各向同性巖石的彈性參數(shù)包括豎向的、水平平的變形模量和和，豎向和和水平面之間的剪剪切模量，以以及三個方向的泊泊松比，分別為水水平應(yīng)力引起另一一方向水平應(yīng)變的的泊松比，水水平應(yīng)力引起豎向向應(yīng)變的泊松比，，豎向應(yīng)力引引起水平應(yīng)變的泊泊松比。地基沉降的計(jì)算算公式根據(jù)系數(shù)的的取值不同有以以下三個表達(dá)式：：當(dāng)時，當(dāng)時，當(dāng)時，系數(shù)由下式確確定：其中系數(shù)又又可以由下式確確定：式中：Q—作用在基礎(chǔ)上的的集中荷載；r—圓形基礎(chǔ)的半徑徑。如果基礎(chǔ)形狀為方形或矩形，可以將其折算為為一定等效半徑的圓形基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)計(jì)算。對于邊長為B的正正方形基礎(chǔ)，等效效半徑為；對于長寬分別為L和B的矩形基礎(chǔ)礎(chǔ)，等效半徑為。。３、地基承載力的的確定地基承載力：指地基單位面積積上承受荷載的能能力，一般分為極極限承載力和容許許承載力。極限承載力：地基處于極限平平衡狀態(tài)時，所能能承受的荷載即為為。設(shè)計(jì)采用的容許承承載力：在保證地基穩(wěn)定定的條件下，建筑筑物的沉降量不超超過容許值時，地地基單位面積上所所能承受的荷載。。（1）“地基規(guī)規(guī)范”提供供的承載力力經(jīng)驗(yàn)取值值表按《建筑地地基基礎(chǔ)設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》》（GBJ7-89），對對于巖石可可根據(jù)現(xiàn)場場鑒別結(jié)果果，按表8-1確定定其承載力力標(biāo)準(zhǔn)值。。其他行業(yè)(交通、水水利、港工工等)的““地基規(guī)范范”對巖石石地基承載載力也有相相應(yīng)建議值值，由于各各行業(yè)對巖巖石的劃分分稍有不同同，其推薦薦采用的承承載力也作作了相應(yīng)調(diào)調(diào)整。（2）采用用巖體現(xiàn)場場荷載試驗(yàn)驗(yàn)確定承載載力荷載試驗(yàn)方方法：對淺基礎(chǔ)采采用直徑為為30cm的圓形剛剛性承壓板板，當(dāng)巖石石埋藏深度度較深時，，可采用鋼鋼筋混凝土土樁，但樁樁周需采取取措施以消消除樁身與與土之間的的摩擦力。。在試驗(yàn)過過程中，荷荷載分級施施加，同時時量測沉降降值s;荷荷載應(yīng)增加加到不少于于設(shè)計(jì)要求求的兩倍。。由試驗(yàn)結(jié)結(jié)果繪制的的荷載與沉沉降關(guān)系曲曲線(p-s)確定定比例界限限和極限荷荷載，p-s曲線上上起始直線線段的終點(diǎn)點(diǎn)為比例極限，符合終止止加載條件件的前一級級荷載即為為極限荷載。承載力的取取值分兩種種情況:對微風(fēng)化巖及及強(qiáng)風(fēng)化巖巖，取極限荷荷載除以安安全系數(shù)(安全系數(shù)數(shù)為3);對中等風(fēng)化巖巖，需根據(jù)巖巖石裂隙發(fā)發(fā)育情況確確定，并與與比例界限限荷載比較較，取二者者中之小值值。參加統(tǒng)計(jì)的的試驗(yàn)點(diǎn)不不應(yīng)少于3個，取最最小值作為為巖石地基基承載力標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。由由于巖石地地基的破壞壞機(jī)理與土土質(zhì)地基不不同，故除除強(qiáng)風(fēng)化巖巖外，巖石石地基承載載力不進(jìn)行行深度與寬寬度修正，，標(biāo)準(zhǔn)值即即為設(shè)計(jì)值值。（3）按室室內(nèi)單軸抗抗壓強(qiáng)度確確定地基承承載力對微風(fēng)化及及中風(fēng)化的的巖石，可可根據(jù)室內(nèi)內(nèi)飽和單軸軸抗壓強(qiáng)度度確定其承承載力。作作為巖石單單軸抗壓強(qiáng)強(qiáng)度的試樣樣，其尺寸寸一般為5OmmX100mm，數(shù)量量不少于9個，并應(yīng)應(yīng)進(jìn)行飽和和處理。試試驗(yàn)時，按按500-800kPa/s的速速度加載，，直到試樣樣破壞為止止。根據(jù)參參加統(tǒng)計(jì)的的一組試樣樣的試驗(yàn)值值按正態(tài)分分布的概率率分布計(jì)算算其平均值值、、標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差，，然后按下下式計(jì)算其其飽和單軸抗抗壓強(qiáng)度的的標(biāo)準(zhǔn)值：：考慮巖石中中裂隙對巖巖石地基承承載力的影影響，裂隙隙發(fā)育時，，承載力較較低，因此此應(yīng)乘以一一個裂隙修正系系數(shù)；另外巖巖石表面坡坡度對巖石石地基承載載力也有影影響，故需需再乘以巖坡修正系