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）1、概述

巖石地基：是指建筑物以巖體作為持力層的地基。人們通常認為：在大多數(shù)情況下，巖石相對于土體來說要堅硬很多，具有很高的強度以抵抗建筑物的荷載。例如，完整的中等強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生的荷載。因此，國內外基礎工程的關注重點一般都在土質地基上，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為巖石地基上的基礎不會存在沉降與失穩(wěn)的問題。但是：工程師們在實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結構面，包括各種斷層、節(jié)理、裂隙及其填充物的復合體，稱之為巖體。

同時巖體還可能包含有洞穴或經歷過不同程度的風化作用，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度的巖石地基發(fā)生破壞，并導致災難性的后果。

巖石地基工程的兩大特征：

一：相對于土質地基，巖石地基可以承擔大得多的外荷載；二：巖石中各種缺陷的存在可能導致巖體強度遠遠小于完整巖塊的強度。巖體強度的變化范圍很大，從小于5MPa到大于200MPa都有。當巖石強度較高時，一個基底面積很小的擴展基礎就有可能滿足承載力的要求。然而，當巖石中包含有一條強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筑物的正常使用，巖石地基設計中需要考慮以下三個方面的內容：(1)強度：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，由巖石的彈性應變和軟弱夾層的非彈性壓縮產生的巖石地基沉降值應該滿足建筑物安全與正常使用的要求；(3)穩(wěn)定性：確保由交錯結構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：若巖石地基的巖石單軸抗壓強度較高，且裂隙不太發(fā)育，對于砌體結構承重的建筑物，可在清除基巖表面風化層上直接砌筑，而不必設基礎大放腳.

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

(3)嵌巖樁基礎：當淺層巖體的承載力不足以承擔上部建筑物荷載，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硬巖層上。例如:在已有建筑物附近沒有空間修建擴展基礎的情形時，可以考慮設置嵌巖樁，將荷載傳遞到臨近建筑物基底水平面下的堅硬巖石上。嵌巖樁的承載力由樁側摩阻力、端部支承力和嵌固力提供。嵌巖樁可以被設計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：對于承受上浮力的結構物，當其自身重力不足以抵抗上浮力時，需要在結構物與巖石之間設置抗拉灌漿錨桿提供抗拔力，稱之為抗拔基礎。當上部結構傳遞給基礎的荷載中，有較大的彎矩時，可采用錨桿基礎。錨桿在巖石地基的基礎工程中，主要承受上拔力以平衡基底可能出現(xiàn)的拉應力。

錨桿的錨孔:利用鉆機在基巖中鉆成?？讖剑碾S成孔機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。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，其有效長度應根據試驗計算確定，并不應小于40d，如下圖示。

錨桿基礎的構造要求2巖石地地基的變形和和沉降2.1巖巖石地基中的的應力分布大多數(shù)的巖石石表現(xiàn)出線彈彈性性質，因因此可以利用用彈性理論計算算巖石地基中的的應力分布。。確定巖石地基基中應力分布布的意義：一是將地基中中的應力水平平與巖體強度度比較，以判判斷是否已經經發(fā)生破壞;二是利用地基基中的應力水水平計算地基基的沉降值。。1、均質各向向同性巖石地地基的應力分分布（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年推導出出了任意一點點的應力表達達式，其柱坐標解答如下：注意：這些應應力表達式沒沒有考慮地基巖體的自自重，即都為附加加應力值，如如果要用來計計算地基中的的應力，則必必須疊加上由由自重引起的的應力值。（2）線荷載載作用下當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應應力為：（3）均布荷荷載作用通過對集中荷荷載作用下的的應力值進行行積分運算可以得到到均布荷載作作用下地基中中的應力分布布，這與土力力學中的方法法一致。因此此，利用土力學中的角角點法就可以計算出出圓形、矩形形基礎均布荷荷載作用下的的豎向附加應應力。（此略略）2、雙層巖石石地基在雙層巖石地地基中，當上層巖體較為堅堅硬，而下臥臥巖層較軟弱弱時，上層巖巖體將承擔大大部分的外荷荷載，同時其其內部的應力力水平也將遠遠遠高于下臥臥巖層。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，其其豎向應力分分布的變化過過程。從圖中可以看看出，當上下下模量比為1時，即為均均質地基的情情形，其分布布符合Boussinesq解；當當上下模量比比增大至100時，下臥臥軟弱巖層中中的附加應力力就小得可以以忽略不計了了，即外荷載載全部由上部部巖層承擔。。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、、裂隙等結構構面的存在，，必須對均質質各向同性巖巖石地基的情情形進行修正正得到其應力力分布。右圖表示結構構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。對對于均質各向向同性巖石地地基來說，其其壓應力等值值線，俗稱壓力泡，應該按圖中中的虛線圓分分布；但是這這不適用于存存在結構面的的情形，因為為合應力不能能與各個結構構面成統(tǒng)一角角度。根據結結構面內摩擦擦角的定定義，徑向應應力與結結構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構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各向同性性巖石地基中中更窄的范圍圍之內，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應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構構面的方位變變化，一部分分荷載也能擴擴散到平行于于結構面的方方向上去，對對于圖中所示示情形，平行于結構面面的任何應力力增量都將是是拉應力。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為了更好地研研究結構面對對巖石地基中中應力分布的的影響，Bray提出““等效橫觀各各向同性介質質”的概念進進行分析，即即研究考慮存存在一組結構構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結構面的兩個個方向，兩個個分量分別為為X和Y，此此時巖體中的的應力還是呈呈輻射狀分布布的，即，，徑徑向應力為式中，h和g為描述巖體橫橫觀各向同性性性質的無因因次量，分別別按下式計算算：式中：——巖巖石的彈性模模量和泊松比比；S—結構面面間距；—結構面的法法向和切向剛剛度；—徑向應力與與結構面之間間的夾角。利用上述方法法可以計算結結構面呈任意意角度時巖石石地基中的應應力分布。2.2巖巖石地基的沉沉降根據完整巖石和結結構面的性質質，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、結構構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?shù)鼗鶐r體比比較完整、堅堅硬，且含有有的粘土夾層層較薄時（小小于幾個毫米米），則可以以認為其沉降降是彈性的，，也就是說可可以利用彈性性理論計算地地基沉降值。。這種方法的的適用范圍包包括均質、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構面剪剪切滑動產生生的地基沉降降。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?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、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、、各向同性巖巖石地基在被假定為均均質、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算得得到。對于圓圓形和矩形基基礎，均布荷荷載作用下地地基的沉降值值可以通過下下式計算：（1）式中：q—均布的基底底壓力；B—基礎尺寸參參數(shù)，圓形基基礎為其直徑徑，矩形基礎礎為其寬度；；Cd—與基礎形狀狀和計算位置置相關的沉降降計算系數(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?；A形狀和計計算位置相關關的沉降計算算系數(shù)Cd形狀中心點角點短邊中間點長邊中間點平均值圓形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算算地基沉降值值。幾種典型的成層巖巖石地基的沉降計計算方法：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算算相當于是可壓縮縮范圍有限的均質質、各向同性巖石石地基的沉降計算算，即同樣地可以以利用式（1）來來進行計算，只是是需要對沉降計算算系數(shù)Cd進行適適當修正。在實際際計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形狀下的計算算系數(shù)值，計算所所得值為基礎中心心點下的沉降值。。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力為零且無相相對位移的前提下下得到的?；A形狀和計算位位置相關的沉降計計算系數(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）。利用這種方法計算算得到的地基沉降降值偏大，這是因因為在計算中沒有有考慮地基中附加加應力的擴散作用用。實際情況是，上部部堅硬巖體承擔了了大部分的基礎荷荷載，可壓縮夾層層只承擔小部分的的荷載。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，，可認為無限延伸伸的情形。可以通過對全部由由可壓縮性巖層構構成的地基沉降值值進行折減求得，，計算公式如下：：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，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行計計算。在實際地質條件中中，經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、有有限差分法進行計計算。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））提供的公式計算算沉降值。這些公式適用于圓形基礎下橫觀各向同性巖巖石地基的沉降計計算，且要求基礎礎荷載方向與基礎礎底面垂直。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，分別為水水平應力引起另一一方向水平應變的的泊松比，水水平應力引起豎向向應變的泊松比，，豎向應力引引起水平應變的泊泊松比。地基沉降的計算算公式根據系數(shù)的的取值不同有以以下三個表達式：：當時，當時，當時，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—作用在基礎上的的集中荷載；r—圓形基礎的半徑徑。如果基礎形狀為方形或矩形，可以將其折算為為一定等效半徑的圓形基礎進行計計算。對于邊長為B的正正方形基礎，等效效半徑為；對于長寬分別為L和B的矩形基礎礎，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。設計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驗取值值表按《建筑地地基基礎設設計規(guī)范》》（GBJ7-89），對對于巖石可可根據現(xiàn)場場鑒別結果果，按表8-1確定定其承載力力標準值。。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調調整。（2）采用用巖體現(xiàn)場場荷載試驗驗確定承載載力荷載試驗方方法：對淺基礎采采用直徑為為30cm的圓形剛剛性承壓板板，當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;荷荷載應增加加到不少于于設計要求求的兩倍。。由試驗結結果繪制的的荷載與沉沉降關系曲曲線(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點為比例極限，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:對微風化巖及及強風化巖巖，取極限荷荷載除以安安全系數(shù)(安全系數(shù)數(shù)為3);對中等風化巖巖，需根據巖巖石裂隙發(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)計的的試驗點不不應少于3個，取最最小值作為為巖石地基基承載力標標準值。由由于巖石地地基的破壞壞機理與土土質地基不不同，故除除強風化巖巖外，巖石石地基承載載力不進行行深度與寬寬度修正，，標準值即即為設計值值。（3）按室室內單軸抗抗壓強度確確定地基承承載力對微風化及及中風化的的巖石，可可根據室內內飽和單軸軸抗壓強度度確定其承承載力。作作為巖石單單軸抗壓強強度的試樣樣，其尺寸寸一般為5OmmX100mm，數(shù)量量不少于9個，并應應進行飽和和處理。試試驗時，按按500-800kPa/s的速速度加載，，直到試樣樣破壞為止止。根據參參加統(tǒng)計的的一組試樣樣的試驗值值按正態(tài)分分布的概率率分布計算算其平均值值、、標標準差，，然后按下下式計算其其飽和單軸抗抗壓強度的的標準值：：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