關(guān)于硬質(zhì)巖石地基承載力的確定

李光耀

摘 要：從巖石地基破壞的模式出發(fā)，根據(jù)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則及極限平衡條件，推求局部剪切破壞模式及整體剪切破壞模式下的巖石地基極限承載力，再結(jié)合安全系數(shù)法，進(jìn)而取得地基承載力特征值。其次，通過載荷試驗(yàn)及巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)手段，按規(guī)范要求，計(jì)算其地基承載力特征值，在地基邊界條件不一致時(shí)，將其互相比較，找出其差異性，以便在工程實(shí)踐中，正確合理運(yùn)用各計(jì)算公式，并確定巖石地基承載力。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)巖石地基；破壞模式；地基承載力

中圖分類號(hào)：TU471.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）32-0205-03

1 前 言

沿著人類建筑歷史長(zhǎng)河，地基承載力作為一個(gè)重要地基參數(shù)，一直是勘察設(shè)計(jì)工程師研究的重點(diǎn)方向，貴州是一個(gè)多山的省份，上覆第四系土層較薄，基巖裸露，隨著高層建筑的興建，對(duì)地基承載力的要求越來越高，如何進(jìn)一步挖掘巖石地基的承載力，并根據(jù)巖石地基的邊界條件正確運(yùn)用地基承載力公式，在工程實(shí)踐中具有極其重要的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)意義。今天，通過無數(shù)前輩的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，各行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)，加上各種的先進(jìn)的勘察手段及土工試驗(yàn)的運(yùn)用，為巖石地基承載力的挖掘和正確使用，奠定了重要的基礎(chǔ)，并指明了方向。

2 巖石地基剪切破壞的原理和模式

巖石地基破壞模式為剪切破壞。對(duì)于無孔隙、堅(jiān)硬、脆性的巖石地基，其破壞過程如下：巖石被施加至某一級(jí)荷載時(shí)，巖體內(nèi)部開始出現(xiàn)細(xì)微拉裂縫，繼續(xù)加大荷載量級(jí)，細(xì)微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，隨原裂隙周邊發(fā)育新的裂隙，將巖體切割成很多片狀體和楔形體，巖石內(nèi)部由面面接觸，轉(zhuǎn)變?yōu)槊纥c(diǎn)接觸，荷載進(jìn)一步加大至巖體屈服荷載時(shí)，巖體被壓屈和壓碎。巖石剪切破壞的原理，主要是張拉效應(yīng)和剪脹效應(yīng)發(fā)揮重要作用，在外部荷載下，巖石受剪面下出現(xiàn)微細(xì)裂縫，并逐漸向外發(fā)展，微細(xì)裂縫逐漸貫穿，形成裂縫，最終發(fā)展成為巖石的剪切破壞。由此可見，巖石地基在上部荷載作用下，將發(fā)生局部剪切破壞模式和整體剪切破壞模式。

3 局部剪切破壞模式下巖石地基極限承載力的確定（Hoek-Brown解）

在假設(shè)建筑物地基與基礎(chǔ)無限延伸、且忽略巖體自重的條件下，巖石地基在建筑物上部荷載作用下，沿基礎(chǔ)邊界線BC面，形成楔形體，產(chǎn)生擠壓破壞，（如圖1所示）。以BC面為界，將楔形體的巖體分為主動(dòng)區(qū)M和被動(dòng)區(qū)N，進(jìn)行力學(xué)極限平衡分析，對(duì)主動(dòng)區(qū)M，大主應(yīng)力為Pt，小主應(yīng)力為σ3M，對(duì)被動(dòng)區(qū)N，大主應(yīng)力為P，小主應(yīng)力為σ1N。若巖石地基處于極限平衡狀態(tài)，滑動(dòng)面上剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度值，主動(dòng)區(qū)M的大主應(yīng)力Pt為其極限荷載，基底壓力為地基極限承載力特征值。

4 整體剪切破壞模式下巖石地基極限承載力的確定

在假設(shè)建筑物地基與基礎(chǔ)無限延伸、且忽略巖體自重的條件下，巖石地基在建筑物上部荷載作用下，沿基礎(chǔ)邊界線BC面，形成楔形體ABC，沿BA面整體剪切滑動(dòng)?；A(chǔ)底面范圍內(nèi)巖石地基BCC′B′在基底壓力Pt作用下，產(chǎn)生被動(dòng)剪切破壞（如圖2）。根據(jù)庫(kù)倫-莫爾理論，破裂面與水平面夾角δ=（45+？準(zhǔn)/2）°，楔形體ABC抗被動(dòng)擠壓的大小，決定了巖石地基BCC′B′所承受的極限荷載Pt的大小。

假定滑動(dòng)極限平衡區(qū)位于樁基礎(chǔ)頂部附近，基礎(chǔ)底面以下巖石不計(jì)自重，滑動(dòng)面成漏斗形，樁基礎(chǔ)荷載Pt為大主應(yīng)力，其破裂角與水平面成δ=（45+？準(zhǔn)/2）°的角度，？準(zhǔn)為巖體內(nèi)摩擦角，τm=0，σθ=0，P為地基側(cè)面超載，fR為巖體超載P的作用面積，fn為內(nèi)聚力c的作用面積，fm為Pr0的作用面積，Pt為巖體極限承載力，δ為滑動(dòng)面AB面與水平面的夾角，c為巖體內(nèi)聚力。根據(jù)四邊形法則，將各受力投影在圖2中，其在fn方向的力平衡方程式如下：

5 巖石地基載荷試驗(yàn)

巖石地基載荷試驗(yàn)法是指在地基上部，即建筑基底標(biāo)高處，通過逐級(jí)施加豎向壓力、豎向上拔力或水平推力，對(duì)應(yīng)每級(jí)觀測(cè)地基土的相應(yīng)沉降量、上拔量或水平位移量，根據(jù)所施加荷載與所發(fā)生位移的關(guān)系判定相應(yīng)的地基承載力的一種方法。它是目前最廣泛、直接、可靠、準(zhǔn)確的地基承載力特征值的確定方法，已被列入各種規(guī)范中，其最大的優(yōu)點(diǎn)是模擬的受力條件比較接近實(shí)際情況。

地基承載力特征值按以下方法確定：

（1）取巖石地基載荷試驗(yàn)成果的比例界限的前一級(jí)荷載為極限荷載；

（2）將滿足要求的極限荷載除安全系數(shù)3；

（3）除以安全系數(shù)3的巖石地基荷載值與比例界限的荷載值比較，取小值；

（4）場(chǎng)地試驗(yàn)點(diǎn)不應(yīng)少于3個(gè)，將3個(gè)點(diǎn)中的最小值作為巖石地基承載力特征值；

（5）巖石地基承載力特征值不進(jìn)行深度和寬度修正。

6 巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)于完整、較完整和較破碎的脆性巖石地基，考慮巖石內(nèi)存在有顆粒邊界或微細(xì)裂紋，可按格里菲斯強(qiáng)度理論來求地基承載力。

7 案例分析

以貴州省貴陽(yáng)市某工程項(xiàng)目為例，該工程項(xiàng)目為高層建筑物，其地基持力層選用三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組（T2g）白云巖，灰白色，塊狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)硬性脆，發(fā)育有節(jié)理裂隙及方解石脈，巖體較破碎，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，中等風(fēng)化。該巖石的力學(xué)指標(biāo)如下：

（1）白云巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=31.5MPa；

（2）白云巖抗剪指標(biāo)為：粘聚力c=350kPa，內(nèi)摩擦角？準(zhǔn)=30°。

①按巖石地基局部破壞模式計(jì)算，即按式（7）計(jì)算。此時(shí)，巖塊單軸抗壓強(qiáng)度σc=frk=31.5MPa，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值為：mb=0.7、S=0.004，a=0.5。將上述參數(shù)代入式（3）計(jì)算得到，巖石地基極限承載力σ1M=9.90MPa，將σ1M除以安全系數(shù)K（取K=3），得巖石地基承載力設(shè)計(jì)值為3.30MPa。

②按巖石地基整體剪切破壞模式計(jì)算，即按式（16）計(jì)算。將δ=（45+？準(zhǔn)/2）°=60°，c=350kPa代入式（16），作為安全儲(chǔ)備，可忽略超載P的影響，則計(jì)算得到巖石地基的極限承載力為10.91MPa，再除以安全系數(shù)K（取K=3），得巖石地基承載力設(shè)計(jì)值為3.64MPa。

③根據(jù)室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011中式（5.2.6）確定（即fa=ψr·frk），取ψr=0.10，得巖石地基承載力特征值fa=3.15MPa。

④由計(jì)算結(jié)果可知，按巖石地基整體剪切破壞模式計(jì)算的地基承載力最大，按室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算的巖石地基承載力最小，但三者數(shù)值的差異性較小，其原因在于規(guī)范所推薦的折減系數(shù)可選范圍較大，如果取小值，其地基承載力特征值是偏安全的。

8 結(jié) 論

（1）完整、較完整及較破碎的硬質(zhì)巖石地基承載力的確定，首先推薦巖石地基載荷試驗(yàn)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是模擬的受力條件與實(shí)際情況極為接近，但其試驗(yàn)成本高，工期長(zhǎng)的缺點(diǎn)也是顯而易見的，因此，難于在工程實(shí)踐中廣泛采用。但是，該方法目前依然是我國(guó)最可靠、最準(zhǔn)確、最廣泛、最直接的地基承載力確定方法。

（2）目前，工程項(xiàng)目普遍采用巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度和折減系數(shù)法計(jì)算，主要是簡(jiǎn)單便捷。但其缺陷較為明顯。

①巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，巖石試件處于無側(cè)限的單軸受力狀態(tài)，巖石抗壓強(qiáng)度值小于巖石地基載荷試驗(yàn)值。

②巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)取巖塊做試驗(yàn)，巖石地基載荷試驗(yàn)值取巖體做試驗(yàn)，巖塊強(qiáng)度高于巖體強(qiáng)度，主要原因巖體中存在很多的隱裂隙。

③兩者可通過折減系數(shù)的取值進(jìn)行調(diào)整，折減系數(shù)可由地方經(jīng)驗(yàn)確定。若無經(jīng)驗(yàn)，則根據(jù)巖體完整性程度，查表取值計(jì)算，并將成果值與已有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，保證地基承載力特征值是安全的。

（3）硬質(zhì)巖石地基在基礎(chǔ)的外部荷載作用下，其破壞模式既有局部剪切破壞模式，又有整體剪切破壞模式，是兩種剪切破壞模式并存的。

（4）Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則按局部剪切破壞模式推導(dǎo)，極限平衡條件則按整體剪切破壞模式推導(dǎo)，從安全角度考慮，巖石地基的極限承載力取兩者數(shù)值的小值。

（5）Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中各參數(shù)及折減系數(shù)的選取，盡管確定參數(shù)及折減系數(shù)比較困難，但其理論充分，應(yīng)用起來簡(jiǎn)便快捷，有效保證巖石地基的安全性，對(duì)工程起到科學(xué)、安全、合理、節(jié)約的效果。

（6）巖石地基承載力特征值假設(shè)了一些邊界條件下推導(dǎo)出來的，但現(xiàn)實(shí)工程中，巖體受力影響因素復(fù)雜多變的，巖體裂隙發(fā)育規(guī)模、特征、大小、形態(tài)等不確定性因素太多。因此，在確定巖石地基承載力特征值時(shí)，必須考慮地基變形與強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，才能保證建筑物巖石地基不發(fā)生剪切破壞，也不發(fā)生不均勻沉降的不良地質(zhì)現(xiàn)象，保證建筑物正常安全使用。

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收稿日期：2018-9-29