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1、242第7章 岩石地基工程7.1 概 述所谓岩石地基，是指建筑物以岩体作为持力层的地基。人们通常认为在土质地基上修建建筑物比在岩石地基上更具有挑战性，这是因为在大多数情况下，岩石相对于土体来说要坚硬很多，具有很高的强度以抵抗建筑物的荷载。例如，完整的中等强度岩石的承载力就足以承受来自于摩天大楼或大型桥梁产生的荷载。因此，国内外基础工程的关注重点一般都在土质地基上，对于岩石地基工程的研究相对来说就少得多，而且工程师们都倾向认为岩石地基上的基础不会存在沉降与失稳的问题。然而，工程师们在实际工程中面对的岩石在大多数情况下都不是完整的岩块，而是具有各种不良地质结构面，包括各种断层、节理、裂隙及其填充物
2、的复合体，称之为岩体。同时岩体还可能包含有洞穴或经历过不同程度的风化作用，甚至非常破碎。所有这些缺陷都有可能使表面上看起来有足够强度的岩石地基发生破坏，并导致灾难性的后果。由此，我们可以总结出岩石地基工程的两大特征：第一，相对于土质地基，岩石地基可以承担大得多的外荷载；第二，岩石中各种缺陷的存在可能导致岩体强度远远小于完整岩块的强度。岩体强度的变化范围很大，从小于5MPa到大于200MPa都有。当岩石强度较高时，一个基底面积很小的扩展基础就有可能满足承载力的要求。然而，当岩石中包含有一条强度很低且方位较为特殊的裂隙时，地基就有可能发生滑动破坏，这生动地反映了岩石地基工程的两大特征。由于岩石具有
3、比土体更高的抗压、抗拉和抗剪强度，因此相对于土质地基，可以在岩石地基上修建更多类型的结构物，比如会产生倾斜荷载的大坝和拱桥，需要提供抗拔力的悬索桥，以及同时具有抗压和抗拉性能的嵌岩桩基础。为了保证建筑物或构筑物的正常使用，对于支撑整个建筑荷载的岩石地基，设计中需要考虑以下三个方面的内容：(1)基岩体需要有足够的承载能力，以保证在上部建筑物荷载作用下不产生碎裂或蠕变破坏；(2)在外荷载作用下，由岩石的弹性应变和软弱夹层的非弹性压缩产生的岩石地基沉降值应该满足建筑物安全与正常使用的要求；(3)确保由交错结构面形成的岩石块体在外荷载作用下不会发生滑动破坏，这种情况通常发生在高陡岩石边坡上的基础工程中
4、。与一般土体中的基础工程相比，岩石地基除了应该满足前两点，即强度和变形方面的要求外，还应该满足第三点，即地基岩石块体稳定性方面的要求，这也是由岩石地基工程的重要特征地基岩体中包含各种结构面决定的。由于岩石地基具有承载力高和变形小等特点，因此岩石地基上的基础形式一般较为简单。根据上部建筑荷载的大小和方向，以及工程地质条件，在岩石上可以采取多种基础型式。目前对岩石地基的利用，主要有以下几种方法：(1)墙下无大放脚基础：若岩石地基的岩石单轴抗压强度较高，且裂隙不太发育，对于砌体结构承重的建筑物，可在清除基岩表面风化层上直接砌筑，而不必设基础大放脚（图7-1（a）(a)墙下无大放脚基础 (b)预制柱的
5、岩石杯口 (c)锚杆基础 (d)嵌岩桩基础图7-1 岩石地基上的基础类型(2)预制柱直接插入岩体：以预制柱承重的建筑物，若其荷载及偏心矩均较小，且岩体强度较高、整体性较好时，可直接在岩石地基上开凿杯口，承插上部结构预制柱（图7-1（b）。(3)锚杆基础：对于承受上浮力的结构物，当其自身重力不足以抵抗上浮力时，需要在结构物与岩石之间设置抗拉灌浆锚杆提供抗拔力，称之为抗拔基础。当上部结构传递给基础的荷载中，有较大的弯矩时，可采用锚杆基础。锚杆在岩石地基的基础工程中，主要承受上拔力以平衡基底可能出现的拉应力（图7-1（c）。锚杆的锚孔是利用钻机在基岩中钻成。其孔径随成孔机具及锚杆抗拔力而定。一般取3
6、4d(d为锚筋的直径)，但不得小于d+50mm，以便于将砂浆或混凝上捣固密实。锚孔的间距，一般取决于基岩的情况和锚孔的直径。对致密完整的基岩，其最小间距可取68D；对裂隙发育的风化基岩，其最小间距可增大至1012。锚筋一般采用螺纹钢筋，其有效长度应根据试验计算确定，并不应小于40d，如图7-2。图7-2 锚杆基础的构造要求(4)嵌岩桩基础：当浅层岩体的承载力不足以承担上部建筑物荷载，或者沉降值不满足正常使用要求时，就需要使用嵌岩桩将上部荷载直接作用到深层坚硬岩层上。例如，在已有建筑物附近没有空间修建扩展基础的情形时，可以考虑设置嵌岩桩，将荷载传递到临近建筑物基底水平面下的坚硬岩石上。嵌岩桩的承
7、载力由桩侧摩阻力、端部支承力和嵌固力提供。嵌岩桩可以被设计为抵抗各种不同形式的荷载，包括竖向压力和拉力，水平荷载以及力矩（图7-1（d）。本章的主要内容是，结合扩展浅基础讨论岩石地基的承载力、沉降计算及应力分布，以及岩石地基的稳定性和处理方法。7.2 岩石地基的变形和沉降7.2.1 岩石地基中的应力分布由于大多数的岩石表现出线弹性性质，因此可以利用弹性理论计算岩石地基中的应力分布。确定岩石地基中应力分布的意义主要在于两个方面：一是将地基中的应力水平与岩体强度比较，以判断是否已经发生破坏，二是利用地基中的应力水平计算地基的沉降值。下面介绍几种不同地质条件下岩石地基中的应力分布。1. 均质各向同性
8、岩石地基（1） 集中荷载作用下对于弹性半平面体上作用有垂直集中荷载的情形，布辛奈斯克（Boussinesq）在1885年推导出了任意一点的应力表达式，其柱坐标解答如下： （7-1）式中，为泊松比，的意义如图7-3。值得注意的是，这些应力表达式没有考虑地基岩体的自重，即都为附加应力值，如果要用来计算地基中的应力，则必须叠加上由自重引起的应力值。图7-3 集中荷载作用下弹性半平面体中的应力计算（2） 线荷载作用下当荷载为线荷载和在二维的情况下（如图7-4），岩石地基中的任一点应力为： （7-2）图7-4 线荷载作用下弹性半平面体中的应力计算（3） 均布荷载作用通过对集中荷载作用下的应力值进行积分运
9、算可以得到均布荷载作用下地基中的应力分布，这与土力学中的方法一致。因此，利用土力学中的角点法就可以计算出圆形、矩形基础均布荷载作用下的竖向附加应力，在此不作详细叙述。2. 双层岩石地基在双层岩石地基中，当上层岩体较为坚硬，而下卧岩层较软弱时，上层岩体将承担大部分的外荷载，同时其内部的应力水平也将远远高于下卧岩层。图7-5表示双层岩石地基中，随着上下层岩体模量比的变化，其竖向应力分布的变化过程。从图中可以看出，当上下模量比为1时，即为均质地基的情形，其分布符合Boussinesq解；当上下模量比增大至100时，下卧软弱岩层中的附加应力就小得可以忽略不计了，即外荷载全部由上部岩层承担。图7-5 双
10、层岩石地基中的应力分布3. 横观各向同性岩石地基对于横观各向同性岩石地基，由于层理、节理、裂隙等结构面的存在，必须对均质各向同性岩石地基的情形进行修正得到其应力分布。图7-6 节理岩体中的压力泡图7-6表示结构面均匀分布的半平面岩体有倾斜线荷载R作用的情形。对于均质各向同性岩石地基来说，其压应力等值线，俗称压力泡，应该按图中的虚线圆分布；但是这不适用于存在结构面的情形，因为合应力不能与各个结构面成统一角度。根据结构面内摩擦角的定义，径向应力与结构面法向之间夹角的绝对值必定等于或小于，因此压力泡不能超出与结构面的法向成角的AA线和BB线以外（与图7-6相比）。由于压力泡被限制在比均质各向同性岩石
11、地基中更窄的范围之内，它必定会延伸得更深，这意味着在同一深度上的应力水平肯定高于各向同性岩石的情况。随着线荷载的方向与结构面的方位变化，一部分荷载也能扩散到平行于结构面的方向上去，对于图中所示情形，平行于结构面的任何应力增量都将是拉应力。值得注意的是，由于对层间发生破坏的情形还是使用弹性的Boussinesq解，因此图中的修正压力泡形状是近似的。为了更好地研究结构面对岩石地基中应力分布的影响，Bray提出“等效横观各向同性介质”的概念进行分析，即研究考虑存在一组结构面的横观各向同性岩石地基。如图7-6所示，将倾斜线荷载分解到平行和垂直于结构面的两个方向，两个分量分别为X和Y，此时岩体中的应力还
12、是呈辐射状分布的，即，径向应力为： （7-3）式中，h和g为描述岩体横观各向同性性质的无因次量，分别按下式计算： （7-4） （7-5）式中， 岩石的弹性模量和泊松比；S结构面间距；结构面的法向和切向刚度；径向应力与结构面之间的夹角。利用上述方法可以计算结构面呈任意角度时岩石地基中的应力分布。7.2.2 岩石地基的沉降对于许多岩石地基工程而言，可以将岩石看作是一种各向同性的弹性材料，当有上部建筑物荷载作用时，地基沉降瞬时完成，即没有时间效应。在这种条件下，可以利用弹性理论计算地基的沉降值。根据完整岩石和结构面的性质，可以将岩石地基的沉降分为以下三种类型：(1)由岩石本身的变形、结构面的闭合与变
13、形以及少数粘土夹层的压缩三个部分组合形成的地基沉降。当地基岩体比较完整、坚硬，且含有的粘土夹层较薄时（小于几个毫米），则可以认为其沉降是弹性的，也就是说可以利用弹性理论计算地基沉降值。这种方法的适用范围包括均质、各向同性岩石地基，成层岩石地基和横观各向同性岩石地基。(2)由于岩石块体沿结构面剪切滑动产生的地基沉降。绝大多数这种情况发生在基础位于岩石边坡顶部时，且边坡岩体中存在潜在滑动的块体。(3)与时间有关的地基沉降。这种沉降主要发生在软弱岩石地基和脆性岩石地基中，当地基岩体中包含有一定厚度的粘土夹层时，也会有此类沉降发生。下面将介绍不同地质条件下岩石地基沉降的计算方法，对于较为复杂的地质条件
14、，当下述方法都不适用时，则必须考虑使用数值计算方法。1. 弹性岩石地基利用弹性理论可以计算几种不同地质条件下的岩石地基沉降，这些地质条件包括均质、各向同性岩石地基、成层岩石地基和横观各向同性岩石地基。在计算之前，需要收集以下一些参数，包括各层岩体的变形模量和泊松比，岩层的分布情况和厚度，以及所采用的基础型式和基底压力。利用下面介绍的方法计算岩石地基的沉降值时，建议进行敏感性分析以了解岩层的分布情况和岩体的弹性参数对结果的影响。通常情况下地基岩体的变形模量很难准确地测定，因此还需要根据现场岩体变形模量的变化范围计算确定地基沉降的可能变化范围。（1）均质、各向同性岩石地基在被假定为均质、各向同性的
15、岩石地基中，其地基沉降值可以通过简单地利用弹性理论计算得到。对于圆形和矩形基础，均布荷载作用下地基的沉降值可以通过下式（7-6）计算： （7-6）式中，q均布的基底压力；B基础尺寸参数，圆形基础为其直径，矩形基础为其宽度；Cd与基础形状和计算位置相关的沉降计算系数，具体取值见表7-1；E、地基岩体的变形模量和泊松比。基础形状和计算位置相关的沉降计算系数Cd 表7-1形状中心点角点短边中间点长边中间点平均值圆形1.000.640.640.640.85圆形（刚性）0.790.790.790.790.79方形1.120.560.760.760.95方形（刚性）0.990.990.990.990.99矩形：l/b1.51.360.670.890.971.1521.520.760.981.121.3031.78
