考慮各向異性影響之巖基承載力特征值的確定方法

摘要：本文針對均質(zhì)各向同性條件下巖基承載力特征值的解法，考慮巖體各向異性影響修正或改進(jìn)來確定巖基承載力特征值。巖體的各向異性系數(shù)，可根據(jù)巖體的橫波速與縱波速之比，根據(jù)不同的巖體情況確定，巖體的各向異性系數(shù)是橫波速與縱波速之比的n次方，本文研究n=0～3，不同的計(jì)算方法n值取值不同。通過計(jì)算分析比較，巖體完整性越好，四種方法確定的承載力特征值越接近，巖體完整性越差，抗剪強(qiáng)度參數(shù)法解、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則法解計(jì)算值較工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)公式法和建筑地基基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算值總體偏小。四種方法確定的巖基承載力特征值均可作為地質(zhì)建議值。

Abstract： Aimed at the solution of bearing capacity characteristic value in the homogeneous isotropic conditions， this paper considers the anisotropy effect correction of the rock mass to determine or improve the batholith bearing capacity characteristic value. The anisotropy coefficient of rock mass can be determined by the ratio of transverse wave velocity and longitudinal wave velocity of the rock mass and the different rock mass conditions. The anisotropy coefficient of rock mass is nth-power of the ratio of transverse wave velocity and longitudinal wave velocity. This paper studies n=0～3， the values of n are different for the different calculation methods. Through the calculation analysis and comparison， the better the rock mass integrity， the closer the bearing capacity characteristic values determined by the four methods. If the rock mass integrity is worse， the calculated values of the calculation method of shear strength parameters and calculation method of Hoek Brown strength criterion will smaller than those of the engineering geological survey and empirical formula method and building foundation empirical formula method. The batholith bearing capacity characteristic value determined by the four methods can be as geological recommended values.

關(guān)鍵詞：巖基承載力特征值；各向異性系數(shù)；巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

Key words： batholith characteristic value of the bearing capacity；anisotropy coefficient；rock standard value of saturated uniaxial compressive strength

中圖分類號：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0208-03

1 緒言

巖基承載力特征值嚴(yán)重受巖體各向異性影響，巖體各向異性影響主要受巖體所處溫度、應(yīng)力狀態(tài)，巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，巖體內(nèi)地下水的發(fā)育程度和規(guī)模，巖體的水理性等因素控制。研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)波動理論，巖體的各向異性影響系數(shù)可用巖體的橫波速和縱波速之比來反映，根據(jù)不同的巖體情況，根據(jù)巖體的橫波速與縱波速之比采用不同的各向異性系數(shù)，各向異性系數(shù)是波速比的n次方，本文研究n=0～3。

2 未考慮各向異性影響巖基承載力特征值的確定方法

根據(jù)三軸壓縮原理、廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則及格里菲斯強(qiáng)度理論，基于均質(zhì)各向同性巖體之巖基承載力特征值的確定公式[1]：

①巖體的摩擦角和凝聚力法解（抗剪強(qiáng)度參數(shù)法）。

式中：Kv為巖體的完整性系數(shù)；De為開挖擾動系數(shù)，De=1-Kv；η為巖體的軟化系數(shù)；frk為巖塊的單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）。

改進(jìn)后的規(guī)范法解、抗剪強(qiáng)度參數(shù)法、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則法，雖然彌補(bǔ)了規(guī)范中不適用于破碎巖體的缺陷，但仍然未考慮巖體各向異性因素的影響。

3 考慮各向異性影響巖基承載力特征值的確定方法

研究發(fā)現(xiàn)，巖體的各向異性影響因素，根據(jù)波動理論可采用巖體的橫波速與縱波速之比分不同巖體情況確定。設(shè)巖體的橫波速與縱波速之比為δ，根據(jù)波動理論：

式中μm為巖體的泊松比，可按如下方法確定：①對于硬質(zhì)巖及較軟巖，巖體的泊松比μm=0.42-0.2219（Kv）1/2或μm=0.4-0.05log（Em/2），其中Kv為巖體的完整性系數(shù)，Em為巖體的變形模量（MPa）②對于軟巖及極軟巖巖體的泊松比μm=tan（45°-？準(zhǔn)m/2）/[1+tan（45°-？準(zhǔn)m/2）]，其中？準(zhǔn)m為巖體的內(nèi)摩擦角（°）。

建筑地基基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)公式法：

抗剪強(qiáng)度參數(shù)法可按如下改進(jìn)或修正確定巖基承載力特征值：

通過工程實(shí)踐計(jì)算檢驗(yàn)，改進(jìn)后的各種解法所求巖基承載力特征值與現(xiàn)場荷載試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)結(jié)果懸殊不大，而且與《中小型水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（DL/T5410—2009）所給巖基承載力特征值的經(jīng)驗(yàn)值很接近。

4 確定巖基承載力特征值的規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法

《中小型水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（DL/T5410—2009）和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）給出的壩基巖體允許承載力基本一致，是根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育程度做相應(yīng)的折減后確定地質(zhì)建議值，暫且稱之為工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)公式法，見表1。

根據(jù)表1可以通過數(shù)學(xué)擬合的方法擬合出巖體完整性系數(shù)Kv與節(jié)理間距d（m）、確定巖體允許承載力的綜合折減系數(shù)ζ之間的關(guān)系，最終得出巖體允許承載力R（MPa）與巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc（MPa）的表達(dá)式，見表2。

5 巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的確定

各方法中，巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的確定至為關(guān)鍵。巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值是巖土工程設(shè)計(jì)的基本代表值，是巖土參數(shù)的可靠性估值。單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk應(yīng)根據(jù)規(guī)范按場地的工程地質(zhì)單元和層位分別統(tǒng)計(jì)，按下列公式計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：Rm為巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值（MPa）；Ri為試樣的巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度（MPa）；σf為巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差（MPa）；δ為巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度值的變異系數(shù)；γs為統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)，式中正負(fù)號的選用取決于指標(biāo)的性質(zhì)，如對抗剪強(qiáng)度應(yīng)取負(fù)號；Rk為巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）。

6 四種方法確定的巖基承載力特征值比較

通過工程實(shí)踐計(jì)算檢驗(yàn)，并與相關(guān)規(guī)范規(guī)程所給的巖基承載力特征值的經(jīng)驗(yàn)值比較，抗剪強(qiáng)度參數(shù)法、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則法計(jì)算值懸殊不大，工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)公式法和建筑地基基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算值懸殊不大，巖體完整性越好，四種方法確定的承載力特征值越接近，巖體完整性越差，抗剪強(qiáng)度參數(shù)法、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則法計(jì)算值較工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)公式法和建筑地基基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算值總體偏小。四種方法確定的巖基承載力特征值均可作為地質(zhì)建議值，建議將大值作為上限，小值作為下限，符合規(guī)范要求，但在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)以規(guī)范法為準(zhǔn)。

工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)公式法，已考慮了各種影響，其折減系數(shù)本文稱其為綜合折減系數(shù)ζ，已包含了巖體的各向異性影響，是立足于規(guī)范通過數(shù)學(xué)擬合的方法而總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式法，更具可靠性。

7 工程實(shí)例

某建筑場地地基基礎(chǔ)為白堊系上統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖，微風(fēng)化，巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為8.9MPa。在基礎(chǔ)高程位置，通過直徑為300mm的淺層圓形剛性壓板試驗(yàn)，試驗(yàn)荷載為承載力設(shè)計(jì)值的3倍，最大試驗(yàn)荷載為580kN。通過測試巖體的變形模量為610MPa，巖體的完整性系數(shù)Kv=0.31，較破碎，最終確定的巖基承載力特征值為0.82MPa。本文方法計(jì)算確定驗(yàn)證如下：抗剪強(qiáng)度參數(shù)法計(jì)算，承載力特征值為1.01MPa；Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則法計(jì)算，承載力特征值為0.95MPa；建筑地基基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算，承載力特征值為0.76MPa；工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算，承載力特征值為0.78MPa。從計(jì)算結(jié)果可看出，建筑地基基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)公式法、工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)公式法與實(shí)驗(yàn)值相比，偏??；抗剪強(qiáng)度參數(shù)法、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則法與實(shí)驗(yàn)值相比，偏大，但總體上偏離不大，均滿足設(shè)計(jì)精度要求，規(guī)范法偏安全。

上述分析知，本文4中方法確定的巖體承載力特征值均可作為地質(zhì)建議值。

8 結(jié)論

①巖體的各向異性系數(shù)，可根據(jù)巖體的橫波速與縱波速之比，根據(jù)不同的巖體情況確定，巖體的各向異性系數(shù)是橫波速與縱波速之比的n次方，本文研究n=0～3。工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)公式法中的綜合折減系數(shù)ζ已包含巖體的各向異性影響。

②通過計(jì)算分析比較，巖體完整性越好，四種方法確定的承載力特征值越接近，巖體完整性越差，抗剪強(qiáng)度參數(shù)法、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則法計(jì)算值較工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)公式法和建筑地基基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算值總體偏小。四種方法確定的巖基承載力特征值均可作為地質(zhì)建議值。

參考文獻(xiàn)：

[1]菊存全.巖基承載力特征值的確定研究，科技傳播，2014.

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