岩体力学在岩基工程中的应用

前言岩体力学在岩基工程中的应用一、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：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）代表性岩石硬质岩石极硬岩石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、硅质砾岩等次硬岩石30-60软质岩石次软岩石5-30粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石岩、云母片岩等极软岩石5硬质岩石，主要有花岗岩、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。这些岩石，其颗粒间内部的连接是以刚性连结（结合）的，主要是结晶连接的，连接的非常牢固。这些岩石在外部荷载作用下，其性状有如坚硬的弹性。岩石的饱和单轴极限抗压强度大于或等于30Mpa。软质岩石，主要有页岩、粘土岩、千枚岩、绿泥石岩、云母片岩等；这些岩石，其颗粒间内部的连接主要为结晶连结，也部分有胶体连结或水胶连结的。其连接的牢固程度要比硬质岩石差些。这些岩石在外部荷载作用下其变形比硬质岩石要大得多，岩石的饱和单轴极限抗压强度小于30Mpa。【例题1】某岩石的饱和单轴极限抗压强度大于或等于30Mpa，可以判断该岩石属于（）。A.软质岩石B.硬质岩石C.极硬岩石D.次硬岩石答案：B在选择岩基时，一般应满足下列要求：1．岩基的承载力必须大于建（构）筑物的荷载要求，以满足建（构）筑物对岩基强度的要求和安全。2．岩基的最大沉降和差异沉降都必须比建（构）筑物要求的要小，以保证建（构）筑物不致因基础位移而损坏。3．岩基中的不良地质现象应该对建（构）筑影响小，并易于处理的，以保证建（构）筑物的稳定和正常使用。4．必须评价建（构）筑物在施工过程中产生的不良工程地质现象，以及这些现象对邻近建（构）筑物的影响，并要有措施来处理的可能。5．对建（构）筑物有潜在威胁或直接危害的不良地质现象地段，一般不允许选作建筑场地。当因特殊需要必须使用这类场地时，应采取可靠的整治措施。总之，岩基工程的总体规划，应根据使用要求，地形地质条件合理布置。主体建筑的设置应保证在较好的地基上，尽量使地基条件与上部结构的要求相适应。研究岩基工程一般从以下几个方面，即岩基岩体的应力和应变、岩基的破坏模式以及岩基的承载能力。【例题2】研究岩基工程时一般需从几个方面着手，下列各项中不包括在内的是（）。A.岩基岩体的应力和应变B.岩基的破坏模式C.岩基的承载力D.基础类型答案：D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）代表性岩石硬质岩石极硬岩石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、硅质砾岩等次硬岩石30-60软质岩石次软岩石5-30粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石岩、云母片岩等极软岩石5硬质岩石，主要有花岗岩、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。这些岩石，其颗粒间内部的连接是以刚性连结（结合）的，主要是结晶连接的，连接的非常牢固。这些岩石在外部荷载作用下，其性状有如坚硬的弹性。岩石的饱和单轴极限抗压强度大于或等于30Mpa。软质岩石，主要有页岩、粘土岩、千枚岩、绿泥石岩、云母片岩等；这些岩石，其颗粒间内部的连接主要为结晶连结，也部分有胶体连结或水胶连结的。其连接的牢固程度要比硬质岩石差些。这些岩石在外部荷载作用下其变形比硬质岩石要大得多，岩石的饱和单轴极限抗压强度小于30Mpa。【例题1】某岩石的饱和单轴极限抗压强度大于或等于30Mpa，可以判断该岩石属于（）。A.软质岩石B.硬质岩石C.极硬岩石D.次硬岩石答案：B在选择岩基时，一般应满足下列要求：1．岩基的承载力必须大于建（构）筑物的荷载要求，以满足建（构）筑物对岩基强度的要求和安全。2．岩基的最大沉降和差异沉降都必须比建（构）筑物要求的要小，以保证建（构）筑物不致因基础位移而损坏。3．岩基中的不良地质现象应该对建（构）筑影响小，并易于处理的，以保证建（构）筑物的稳定和正常使用。4．必须评价建（构）筑物在施工过程中产生的不良工程地质现象，以及这些现象对邻近建（构）筑物的影响，并要有措施来处理的可能。5．对建（构）筑物有潜在威胁或直接危害的不良地质现象地段，一般不允许选作建筑场地。当因特殊需要必须使用这类场地时，应采取可靠的整治措施。总之，岩基工程的总体规划，应根据使用要求，地形地质条件合理布置。主体建筑的设置应保证在较好的地基上，尽量使地基条件与上部结构的要求相适应。研究岩基工程一般从以下几个方面，即岩基岩体的应力和应变、岩基的破坏模式以及岩基的承载能力。【例题2】研究岩基工程时一般需从几个方面着手，下列各项中不包括在内的是（）。A.岩基岩体的应力和应变B.岩基的破坏模式C.岩基的承载力D.基础类型答案：D三、基础下岩体的变形(沉降)岩基上基础的垂直变形即基础的沉降，主要是由于岩基内岩层承载后出现的变形引起的。对于一般的中小型工程来说，由于岩体的变形模量较大，所以引起的沉降变形较小。但是，对于重型结构或巨大结构来说，则产生变形较大。在对这类建(构)筑物来说，岩基变形有两个方面的影响：一个是在绝对位移或下沉量直接使基础沉降，改变了原设计标准的要求；另一个是因岩基变形各点不一，造成上部结构上各点间的相对位移，即差异沉降。【例题3】岩基上基础的垂直变形即基础的沉降主要是由下列哪项引起（）。A.岩层自重B.基础深部软弱夹层C.岩层自重以及附加荷载D.岩基内岩层承载后出现的变形答案：D计算基础的沉降可用弹性理论解法。对于几何形状、材料性质和荷载分布都是不均匀的基础，则用有限单元法分析其沉降是比较准确的。按弹性理论求解各种基础的沉降，仍可采用布辛涅斯克解。当半无限体表面上被作用有一垂直的集中力p时。则在半无限体表面处(z=0)的沉降量s为式中r—计算点至集中荷载p处之间的距离。如果半无限体表面上，分布有荷载作用（图17-2-5），则可按积分法求出表面上任一点M（x,y）处的沉降量sxy。下面介绍用弹性理论求解圆形基础、矩形及条形基础的沉降（一）圆形基础的沉降当圆形基础为柔性时（图17-2-6），如果其上作用有均布荷载p和在基底接触面上没有任何摩擦力时，则基底反力v。也将是均匀分布的，并等于p0，这时现列出M点处的表面沉降式子，通过M点作一割线nm，再作一无限接近的另一割线n1m,定出微面积dF=rdψdr，可得到：dp=pdF=prdψdr按式（17-2-6）可得总荷载引起m点处表面的沉降量为对于圆形刚性基础（图17-2-7）。当作用有荷载p时，基底的沉降将是一个常量，但基底接触压力v。不是常量。这时可用式（17-2-13）解得：上式说明在基础边缘上的接触压力为无限大。这是由于假设基础是完全刚性体，使得基础中心下岩基变形大于边缘处，形成一个下降漏斗，造成了荷载集中在基础边缘处的岩层上。当然，这种无限大的压力实际上不会出现，因为基础结构并非完全刚性，而且纯粹的弹性理论也与岩基的实际情况不完全符合。因而，在基础边缘的岩层处，岩层会产生塑性屈服，使边缘处的压力重新调整。【例题5】对于矩形刚性基础而言，其沉降量与下列哪一项无关（）。A.基础宽度B.基础长度C.地基土的变形模量D.土的内聚力和摩擦角答案：D【例题6】对于条形刚性基础而言，其沉降量与下列哪一项无关（）。A.基础宽度B.基础长度C.地基土的变形模量D.土的泊松比答案：B【例题7】对于边长为a的方形基础和宽度为a的条形基础，当其承受的中心荷载均为p时，关于方形基础中心沉降量s1和条形基础的中心沉降量s2，下列哪一项是正确的（）。A.s1=s2B.s1s2C.s1S2 D.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(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