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1、前言前言岩体力学在岩基工程中的应用岩体力学在岩基工程中的应用一、一、 内容提要内容提要：本讲主要讲述岩基的基本概念、基础下岩体的应力、基础下岩体的变形、岩基的破坏模式以及岩基的浅基础、深基础的承载力计算二、重点难点：二、重点难点：基础下岩体的变形以及岩基的浅基础、深基础的承载力计算岩基的基本概念岩基的基本概念一、岩基的基本概念一、岩基的基本概念高层或大型建(构)筑物，其基础直接与岩体相接触。我们将支承建（构）筑的岩体地基，一般称为岩基。通常，支承一般的建（构）筑物是足够坚固的，但是对一些大型的和特殊的建（构）筑物来说，则远非所有情况下都能保证其稳固。因而对于岩基的强度、变形和稳定性都应进行综合
2、的考虑研究。岩石按其强度可一般划分为硬质岩石及软质岩石两大类。（表 17-2-1）类别亚类强度（MPa）代表性岩石极硬岩石60硬质岩石 次硬岩石30-60花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、大理岩、硅质砾岩等次软岩石5-30 软质岩石 极软岩石60硬质岩石 次硬岩石30-60花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、大理岩、硅质砾岩等次软岩石5-30 软质岩石 极软岩石s2C. s1S2D. 无法判断答案：C对于矩形的柔性基础，当其承受中心均布荷载 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 b、长度为 a
3、 时，基底中心的沉降量可按下式求得：Kc 值列于表 17-1 中。对于边长为 a 的正方形柔性基础，其中心处的沉降量为边角沉降量的两倍。从上式可见，方形柔性基础底面中心的沉降量。0 为对于柔性基础承受中心荷载时的平均沉降量为Km 为基础平均沉降系数，见表 17-2-1。各种基础的沉降系数 K 值表 表 17-2-1四、岩基的破坏模式四、岩基的破坏模式四、岩基的破坏模式四、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。在自然界中，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
4、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 17-2-8)。图 17-2-8(a)-(c)h 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，当沉降达到使岩基的弹性极限时，岩基从基脚处开始产生裂缝。此时，岩基开裂，裂缝向深部发展图 17-2-8(a)当基础底面荷载继续作用，岩基就进入岩体压碎破坏阶段图 17-2-8(b)，压碎范围随着基底深部距离加大而减少，据试验观测，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出现斜裂缝，并向更深部延伸，这时，进入劈
5、裂破坏阶段图 17-2-3(c)。由于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 17-2-8(d)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受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。有时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(图 17-2-9)。图 17-2-8
6、(e)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、粘土岩地基和粉土岩地基等。这种破坏常常在基础底面下的岩体出现有压实楔，而在其两侧岩体有弧线的或直线的滑面，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(图 17-2-10)，这时，剪切面切断风化岩块。当岩基内有两组近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(图 17-2-11)。这也是较常见的剪切破坏模式。【例题 9】在下列各项中，不属于岩基破坏模式的是（）。A. 开裂B. 压碎C. 剪切D. 挤压答案：D五、岩基浅基础的承载力计算五、岩基浅基础的承载
7、力计算五、岩基浅基础的承载力计算岩基应力即使在弹性应力范围内，也能使岩基发生一定量的变形。实际工程中，岩基的变形不仅由弹性变形组成，而且由岩石本身的塑性变形或节理裂隙的张开和闭合，甚至沿节理裂隙发生剪切破坏而引起较大的剪切滑移组成。因此，这些不同的组合导致建(构)筑物基础不同程度的沉降。为此，岩基的承载能力是岩基工程最需要的参数。(一)岩基的允许承载力计算地基岩体的允许压力取决于岩基的变形和稳定(极限平衡)以及与基础混凝土的允许应力所相对应的岩体表面上的最大压力。对于大的荷载或较坚硬的节理岩体，稳定可能成为设计的控制因素。但就一般岩体来说，对基础下岩体的变形的限制常常比对稳定的控制有更高的要求
8、。各类建(构)筑物的沉降量和差异沉降的大小都有一定的限制值，基础下岩体的变形应满足这种限制的要求。【例题 10】下列哪些不属于地基岩体允许压力的取决条件（）。A. 岩基的变形B. 岩基的稳定（极限平衡）C. 混凝土抗压强度D. 基础混凝土的允许应力所相对应的岩体表面上的最大压力答案：C确定岩基的允许承载力有两种比较可靠的方法，一种是试验法，目前采用比较多的是现场荷载试验法。在现场进行岩体的静荷载抗压试验是非常有实用价值的，它可以不需对岩体的结构和物理性质分别进行估计，按照建(构)筑物的要求及当地的地质构造条件就可直接确定允许承载力。但是，现场荷载试验费用比较昂贵，且由于荷载点数量少时，因地质环
9、境条件的不同就不能代表整个地基有效范围内岩体的承载力。另一种方法是力学计算法，一般多采用基础下岩体的极限平衡条件计算其承载力。但是，由于基础下岩体的破坏模式的复杂性和多样性，因而计算其承载力有较大难度，很难给出一个通用公式。【例题 11】常用的确定岩基的允许承载力的可靠方法是（）。A. 点载荷试验法B. 静载荷试验法C. 动力触探法D. 室内试验法答案：B1基础下压碎岩体的承载力哥德曼(REGoodman)对图 17-2-8 中各种基脚岩体破坏模式的岩基承载力计算，确定出了一个计算原则。他认为图 17-2-8(a)发展至图 17-2-8(c)的破坏模式，在条形基础下破碎岩石区图 17-2-12
10、(b)内的侧向膨胀引起其任一侧的岩体内发生辐射状裂缝。基础下岩体己遭到破坏后的破碎岩石强度可如图 17-2-12(a)中的破坏包络线 1 所示。而破坏较少的邻近区图 17-2-12(b)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，由于岩体破裂和侧向扩容，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 Pn，它可由相邻岩体(B 区)的单轴抗压强度来确定。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 17-2-12(a)可知，根据B 区的强度包络线可确定 Pn 的大小。进而，根据破碎岩体的强度包络线，也就能求得承载
11、力 qf 的大小。从图 17-2-12 的破坏模式可认为，均质不连续岩体的承载力不会小于基脚周围岩体的单轴抗压强度。而且，可以把单轴抗压强度取为承载力的下限。若已知岩体的内摩擦角 和单轴抗压强度 qu，则承载力 qf 可按 17-2-27 和 17-2-28 确定。【例题 12】某高层建筑基础位于基岩上，已知基岩的单轴抗压强度为 30Mpa，混凝土强度满足要求，则基础下压碎岩体的承载力的下限取值为（）Mpa 。A. 10B. 15 C. 30D. 60答案:C【例题 13】已知某岩体的内摩擦角为 30，其饱和单轴抗压强度为 30Mpa，则该岩体的压碎承载力为（）Mpa。A. 15B. 30C.
12、 60D. 120答案:D2基础下剪坏岩体的承载力在图 17-2-10、图 17-2-11 和图 17-2-8(c)，(e)等图中，基础下的岩体存在剪切破坏面，使岩基出现楔形滑体。剪切面可为弧面和直平面，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，一般采用平直剪切面的楔体进行稳定分析。设在半无限体上作用着 b 宽度的条形均布荷载 qf(图 17-2-13)，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(即 qf 作用的平面)上不存在剪力；对于每个楔体，可以采用平均的体积力。我们将图 17-2-13
13、(a)的岩基分为两个楔体，即 x 楔和 y 楔体图 17-2-13(b)及(c)。在 x 楔体上，由于 y 楔体因受破坏应力 qf的作用，产生一水平正应力 1，作用于 x 楔体，这是 x楔体的最大主应力。3是由于重力而产生的作用在 x 楔体上的体积应力，这是最小主应力。在与该楔体最大主平面成 或(4502)角的破坏平面上，有应力分量 x和 z。如果在该平面上只存在摩擦阻力，当产生破坏时，那就意味着 x和 z之间的关系为 可见， 式 17-2-32 最后一项的值远小于式中其他各项，可以将其略去。如果在承载压力分附近的表面上还作用有一个附加压力 q，即在 x 楔体上作用的 3为【例题 14】对于基
14、础以下剪坏岩体的极限承载力，可用公式 qf=0.5rbNr+cNc+qNq 进行求解，式中的承载力系数 Nr、Nc、Nq，是关于岩体下列哪项的函数（）。A. 粘聚力B. 内摩擦角C. 单轴抗压强度D. 裂隙发育程度答案:B(二)岩基浅基础承载力的实际确定岩基承载力系指在保证地基稳定的条件下建(构)筑物的沉降量不超过容许值的地基承载能力。一般认为，目前我国规范中，对于一般的工业民用建筑，岩石地基的承载力通常不考虑基础埋置深度和基底底面尺寸，并按下式确定其承载力：R=KRc，(17-2-37)式中 Rc饱和状态下岩石的单轴抗压极限强度(kPa)；K均质系数(1)对一般工业民用建筑地基 K 采用 0
15、.17；(2)对重型建筑物地基，K 采用 0.200.04；关于 K 值的规定问题由于岩石的小试件的抗压强度不能反映出岩石地基状态的强度，天然状态下岩石地基的不均匀性和裂隙性将会大大降低岩石地基的承重能力，对愈是坚硬的岩石，这种影响愈大。再者，岩石地基的实际受力状态不是单向的，而是三向的，同时岩石地基受力的边界条件也很复杂，因此岩石地基实际承载力大有潜力可挖。根据目前我国有关单位研究结果，认为岩石地基采用饱和状态下单轴受压时的极限强度笼统乘以一均质系数 0.17，或 0.20.04，不尽完全合理。各种岩石地基强度不但与岩石生成条件有关，而且与岩石性质、节理裂隙发育程度，软化特点和风化程度等密切
16、相关。铁道部第二设计院提出均质系数 K 值应结合裂隙情况风化带情况而定。K 值可取为(表 17-2-2):(1)软质岩层(页岩、粘土岩、凝灰岩、粗面岩、千枚岩等)8001200kPa；(2)中等均质岩层(砂岩、石灰岩)12002000kPa；(3)坚硬岩层(片麻岩、花岗岩、密实的砂岩、致密石灰岩)20004000kPa；(4)特别坚硬岩层(石英岩，细粒花岗岩)40006000kPa。对于基础底面积很大的应力变化不太大的岩石地基；其容许承载力可按上列数值提高25。关于岩石地基中的断裂带对地基承载力的影响，可认为：当断裂带岩层破碎，且有较多的软弱填充物(如断层泥等)时，应查明其地基不均匀性；必要时可利用大面积静力荷载试验，确定其软硬不均匀地基的容许承载力。(三)建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)方法建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)第 5.2.6 条对岩石地基承载力特征值的确定做以下规定：岩石地基承载力设计值，可按岩基载荷试验方法确定。对微风化及中等风化的岩
