论文部分内容阅读
摘 要：从岩石地基破坏的模式出发，根据Hoek-Brown强度准则及极限平衡条件，推求局部剪切破坏模式及整体剪切破坏模式下的岩石地基极限承载力，再结合安全系数法，进而取得地基承载力特征值。其次，通过载荷试验及岩石饱和单轴抗压强度的试验手段，按规范要求，计算其地基承载力特征值，在地基边界条件不一致时，将其互相比较，找出其差异性，以便在工程实践中，正确合理运用各计算公式，并确定岩石地基承载力。
关键词：硬质岩石地基；破坏模式；地基承载力
中图分类号：TU471.6 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）32-0205-03
1 前 言
沿着人类建筑历史长河，地基承载力作为一个重要地基参数，一直是勘察设计工程师研究的重点方向，贵州是一个多山的省份，上覆第四系土层较薄，基岩裸露，随着高层建筑的兴建，对地基承载力的要求越来越高，如何进一步挖掘岩石地基的承载力，并根据岩石地基的边界条件正确运用地基承载力公式，在工程实践中具有极其重要的经济及社會意义。今天，通过无数前辈的经验总结，各行业规范标准的学习，加上各种的先进的勘察手段及土工试验的运用，为岩石地基承载力的挖掘和正确使用，奠定了重要的基础，并指明了方向。
2 岩石地基剪切破坏的原理和模式
岩石地基破坏模式为剪切破坏。对于无孔隙、坚硬、脆性的岩石地基，其破坏过程如下：岩石被施加至某一级荷载时，岩体内部开始出现细微拉裂缝，继续加大荷载量级，细微裂缝进一步扩展，随原裂隙周边发育新的裂隙，将岩体切割成很多片状体和楔形体，岩石内部由面面接触，转变为面点接触，荷载进一步加大至岩体屈服荷载时，岩体被压屈和压碎。岩石剪切破坏的原理，主要是张拉效应和剪胀效应发挥重要作用，在外部荷载下，岩石受剪面下出现微细裂缝，并逐渐向外发展，微细裂缝逐渐贯穿，形成裂缝，最终发展成为岩石的剪切破坏。由此可见，岩石地基在上部荷载作用下，将发生局部剪切破坏模式和整体剪切破坏模式。
3 局部剪切破坏模式下岩石地基极限承载力的确定（Hoek-Brown解）
在假设建筑物地基与基础无限延伸、且忽略岩体自重的条件下，岩石地基在建筑物上部荷载作用下，沿基础边界线BC面，形成楔形体，产生挤压破坏，（如图1所示）。以BC面为界，将楔形体的岩体分为主动区M和被动区N，进行力学极限平衡分析，对主动区M，大主应力为Pt，小主应力为σ3M，对被动区N，大主应力为P，小主应力为σ1N。若岩石地基处于极限平衡状态，滑动面上剪应力达到其抗剪强度值，主动区M的大主应力Pt为其极限荷载，基底压力为地基极限承载力特征值。
4 整体剪切破坏模式下岩石地基极限承载力的确定
在假设建筑物地基与基础无限延伸、且忽略岩体自重的条件下，岩石地基在建筑物上部荷载作用下，沿基础边界线BC面，形成楔形体ABC，沿BA面整体剪切滑动。基础底面范围内岩石地基BCC′B′在基底压力Pt作用下，产生被动剪切破坏（如图2）。根据库伦-莫尔理论，破裂面与水平面夹角δ=（45+？准/2）°，楔形体ABC抗被动挤压的大小，决定了岩石地基BCC′B′所承受的极限荷载Pt的大小。
假定滑动极限平衡区位于桩基础顶部附近，基础底面以下岩石不计自重，滑动面成漏斗形，桩基础荷载Pt为大主应力，其破裂角与水平面成δ=（45+？准/2）°的角度，？准为岩体内摩擦角，τm=0，σθ=0，P为地基侧面超载，fR为岩体超载P的作用面积，fn为内聚力c的作用面积，fm为Pr0的作用面积，Pt为岩体极限承载力，δ为滑动面AB面与水平面的夹角，c为岩体内聚力。根据四边形法则，将各受力投影在图2中，其在fn方向的力平衡方程式如下：
5 岩石地基载荷试验
岩石地基载荷试验法是指在地基上部，即建筑基底标高处，通过逐级施加竖向压力、竖向上拔力或水平推力，对应每级观测地基土的相应沉降量、上拔量或水平位移量，根据所施加荷载与所发生位移的关系判定相应的地基承载力的一种方法。它是目前最广泛、直接、可靠、准确的地基承载力特征值的确定方法，已被列入各种规范中，其最大的优点是模拟的受力条件比较接近实际情况。
地基承载力特征值按以下方法确定：
（1）取岩石地基载荷试验成果的比例界限的前一级荷载为极限荷载；
（2）将满足要求的极限荷载除安全系数3；
（3）除以安全系数3的岩石地基荷载值与比例界限的荷载值比较，取小值；
（4）场地试验点不应少于3个，将3个点中的最小值作为岩石地基承载力特征值；
（5）岩石地基承载力特征值不进行深度和宽度修正。
6 岩石饱和单轴抗压强度试验
对于完整、较完整和较破碎的脆性岩石地基，考虑岩石内存在有颗粒边界或微细裂纹，可按格里菲斯强度理论来求地基承载力。
7 案例分析
以贵州省贵阳市某工程项目为例，该工程项目为高层建筑物，其地基持力层选用三叠系中统关岭组（T2g）白云岩，灰白色，块状结构，质硬性脆，发育有节理裂隙及方解石脉，岩体较破碎，岩体质量等级为Ⅳ级，中等风化。该岩石的力学指标如下：
（1）白云岩饱和单轴抗压强度标准值frk=31.5MPa；
（2）白云岩抗剪指标为：粘聚力c=350kPa，内摩擦角？准=30°。
①按岩石地基局部破坏模式计算，即按式（7）计算。此时，岩块单轴抗压强度σc=frk=31.5MPa，经验系数取值为：mb=0.7、S=0.004，a=0.5。将上述参数代入式（3）计算得到，岩石地基极限承载力σ1M=9.90MPa，将σ1M除以安全系数K（取K=3），得岩石地基承载力设计值为3.30MPa。
②按岩石地基整体剪切破坏模式计算，即按式（16）计算。将δ=（45+？准/2）°=60°，c=350kPa代入式（16），作为安全储备，可忽略超载P的影响，则计算得到岩石地基的极限承载力为10.91MPa，再除以安全系数K（取K=3），得岩石地基承载力设计值为3.64MPa。 ③根据室内饱和单轴抗压强度，按《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中式（5.2.6）确定（即fa=ψr·frk），取ψr=0.10，得岩石地基承载力特征值fa=3.15MPa。
④由计算结果可知，按岩石地基整体剪切破坏模式计算的地基承载力最大，按室内饱和单轴抗压强度计算的岩石地基承载力最小，但三者数值的差异性较小，其原因在于规范所推荐的折减系数可选范围较大，如果取小值，其地基承载力特征值是偏安全的。
8 结 论
（1）完整、较完整及较破碎的硬质岩石地基承载力的确定，首先推荐岩石地基载荷试验，其最大的优点是模拟的受力條件与实际情况极为接近，但其试验成本高，工期长的缺点也是显而易见的，因此，难于在工程实践中广泛采用。但是，该方法目前依然是我国最可靠、最准确、最广泛、最直接的地基承载力确定方法。
（2）目前，工程项目普遍采用岩石饱和单轴抗压强度和折减系数法计算，主要是简单便捷。但其缺陷较为明显。
①岩石饱和单轴抗压强度试验，岩石试件处于无侧限的单轴受力状态，岩石抗压强度值小于岩石地基载荷试验值。
②岩石饱和单轴抗压强度试验取岩块做试验，岩石地基载荷试验值取岩体做试验，岩块强度高于岩体强度，主要原因岩体中存在很多的隐裂隙。
③两者可通过折减系数的取值进行调整，折减系数可由地方经验确定。若无经验，则根据岩体完整性程度，查表取值计算，并将成果值与已有的经验数值进行对比，保证地基承载力特征值是安全的。
（3）硬质岩石地基在基础的外部荷载作用下，其破坏模式既有局部剪切破坏模式，又有整体剪切破坏模式，是两种剪切破坏模式并存的。
（4）Hoek-Brown强度准则按局部剪切破坏模式推导，极限平衡条件则按整体剪切破坏模式推导，从安全角度考虑，岩石地基的极限承载力取两者数值的小值。
（5）Hoek-Brown强度准则中各参数及折减系数的选取，尽管确定参数及折减系数比较困难，但其理论充分，应用起来简便快捷，有效保证岩石地基的安全性，对工程起到科学、安全、合理、节约的效果。
（6）岩石地基承载力特征值假设了一些边界条件下推导出来的，但现实工程中，岩体受力影响因素复杂多变的，岩体裂隙发育规模、特征、大小、形态等不确定性因素太多。因此，在确定岩石地基承载力特征值时，必须考虑地基变形与强度两个指标满足规范要求，才能保证建筑物岩石地基不发生剪切破坏，也不发生不均匀沉降的不良地质现象，保证建筑物正常安全使用。
参考文献
[1]工程地质手册编委会.《工程地质手册》（第四版）.北京：中国建筑工业出版社，2007，2.
[2]宋建波，于远忠，刘汉超.用Hoek-Brown强度准则确定岩石地基极限承载力.地质灾害与环境，1999，10（4）.
[3]刘之葵，曹 平.岩溶区岩石地基承载力的确定.湖南科技大学学报（自然科学版）.2006，12，21（4）.
[4]中华人民共和国建设部.《岩土工程勘察规范（2009版本）》（GB50021-2001）.北京：中国建筑工业出版社，2001.
[5]中华人民共和国建设部.《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）.北京：中国建筑工业出版社，2002.
[6]贵州省建筑设计研究院.《贵州建筑岩土工程技规范》（DB22/46-2004）.贵阳：贵州省建设厅，2004，12.
[7]贵州省建筑设计研究院.《贵州建筑地基基础设计规范》（DB22/45-2004）.贵阳：贵州省建设厅，2004，12.
[8]同济大学，重庆建筑工程学院.岩体力学，1979.
收稿日期：2018-9-29
关键词：硬质岩石地基；破坏模式；地基承载力
中图分类号：TU471.6 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）32-0205-03
1 前 言
沿着人类建筑历史长河，地基承载力作为一个重要地基参数，一直是勘察设计工程师研究的重点方向，贵州是一个多山的省份，上覆第四系土层较薄，基岩裸露，随着高层建筑的兴建，对地基承载力的要求越来越高，如何进一步挖掘岩石地基的承载力，并根据岩石地基的边界条件正确运用地基承载力公式，在工程实践中具有极其重要的经济及社會意义。今天，通过无数前辈的经验总结，各行业规范标准的学习，加上各种的先进的勘察手段及土工试验的运用，为岩石地基承载力的挖掘和正确使用，奠定了重要的基础，并指明了方向。
2 岩石地基剪切破坏的原理和模式
岩石地基破坏模式为剪切破坏。对于无孔隙、坚硬、脆性的岩石地基，其破坏过程如下：岩石被施加至某一级荷载时，岩体内部开始出现细微拉裂缝，继续加大荷载量级，细微裂缝进一步扩展，随原裂隙周边发育新的裂隙，将岩体切割成很多片状体和楔形体，岩石内部由面面接触，转变为面点接触，荷载进一步加大至岩体屈服荷载时，岩体被压屈和压碎。岩石剪切破坏的原理，主要是张拉效应和剪胀效应发挥重要作用，在外部荷载下，岩石受剪面下出现微细裂缝，并逐渐向外发展，微细裂缝逐渐贯穿，形成裂缝，最终发展成为岩石的剪切破坏。由此可见，岩石地基在上部荷载作用下，将发生局部剪切破坏模式和整体剪切破坏模式。
3 局部剪切破坏模式下岩石地基极限承载力的确定（Hoek-Brown解）
在假设建筑物地基与基础无限延伸、且忽略岩体自重的条件下，岩石地基在建筑物上部荷载作用下，沿基础边界线BC面，形成楔形体，产生挤压破坏，（如图1所示）。以BC面为界，将楔形体的岩体分为主动区M和被动区N，进行力学极限平衡分析，对主动区M，大主应力为Pt，小主应力为σ3M，对被动区N，大主应力为P，小主应力为σ1N。若岩石地基处于极限平衡状态，滑动面上剪应力达到其抗剪强度值，主动区M的大主应力Pt为其极限荷载，基底压力为地基极限承载力特征值。
4 整体剪切破坏模式下岩石地基极限承载力的确定
在假设建筑物地基与基础无限延伸、且忽略岩体自重的条件下，岩石地基在建筑物上部荷载作用下，沿基础边界线BC面，形成楔形体ABC，沿BA面整体剪切滑动。基础底面范围内岩石地基BCC′B′在基底压力Pt作用下，产生被动剪切破坏（如图2）。根据库伦-莫尔理论，破裂面与水平面夹角δ=（45+？准/2）°，楔形体ABC抗被动挤压的大小，决定了岩石地基BCC′B′所承受的极限荷载Pt的大小。
假定滑动极限平衡区位于桩基础顶部附近，基础底面以下岩石不计自重，滑动面成漏斗形，桩基础荷载Pt为大主应力，其破裂角与水平面成δ=（45+？准/2）°的角度，？准为岩体内摩擦角，τm=0，σθ=0，P为地基侧面超载，fR为岩体超载P的作用面积，fn为内聚力c的作用面积，fm为Pr0的作用面积，Pt为岩体极限承载力，δ为滑动面AB面与水平面的夹角，c为岩体内聚力。根据四边形法则，将各受力投影在图2中，其在fn方向的力平衡方程式如下：
5 岩石地基载荷试验
岩石地基载荷试验法是指在地基上部，即建筑基底标高处，通过逐级施加竖向压力、竖向上拔力或水平推力，对应每级观测地基土的相应沉降量、上拔量或水平位移量，根据所施加荷载与所发生位移的关系判定相应的地基承载力的一种方法。它是目前最广泛、直接、可靠、准确的地基承载力特征值的确定方法，已被列入各种规范中，其最大的优点是模拟的受力条件比较接近实际情况。
地基承载力特征值按以下方法确定：
（1）取岩石地基载荷试验成果的比例界限的前一级荷载为极限荷载；
（2）将满足要求的极限荷载除安全系数3；
（3）除以安全系数3的岩石地基荷载值与比例界限的荷载值比较，取小值；
（4）场地试验点不应少于3个，将3个点中的最小值作为岩石地基承载力特征值；
（5）岩石地基承载力特征值不进行深度和宽度修正。
6 岩石饱和单轴抗压强度试验
对于完整、较完整和较破碎的脆性岩石地基，考虑岩石内存在有颗粒边界或微细裂纹，可按格里菲斯强度理论来求地基承载力。
7 案例分析
以贵州省贵阳市某工程项目为例，该工程项目为高层建筑物，其地基持力层选用三叠系中统关岭组（T2g）白云岩，灰白色，块状结构，质硬性脆，发育有节理裂隙及方解石脉，岩体较破碎，岩体质量等级为Ⅳ级，中等风化。该岩石的力学指标如下：
（1）白云岩饱和单轴抗压强度标准值frk=31.5MPa；
（2）白云岩抗剪指标为：粘聚力c=350kPa，内摩擦角？准=30°。
①按岩石地基局部破坏模式计算，即按式（7）计算。此时，岩块单轴抗压强度σc=frk=31.5MPa，经验系数取值为：mb=0.7、S=0.004，a=0.5。将上述参数代入式（3）计算得到，岩石地基极限承载力σ1M=9.90MPa，将σ1M除以安全系数K（取K=3），得岩石地基承载力设计值为3.30MPa。
②按岩石地基整体剪切破坏模式计算，即按式（16）计算。将δ=（45+？准/2）°=60°，c=350kPa代入式（16），作为安全储备，可忽略超载P的影响，则计算得到岩石地基的极限承载力为10.91MPa，再除以安全系数K（取K=3），得岩石地基承载力设计值为3.64MPa。 ③根据室内饱和单轴抗压强度，按《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中式（5.2.6）确定（即fa=ψr·frk），取ψr=0.10，得岩石地基承载力特征值fa=3.15MPa。
④由计算结果可知，按岩石地基整体剪切破坏模式计算的地基承载力最大，按室内饱和单轴抗压强度计算的岩石地基承载力最小，但三者数值的差异性较小，其原因在于规范所推荐的折减系数可选范围较大，如果取小值，其地基承载力特征值是偏安全的。
8 结 论
（1）完整、较完整及较破碎的硬质岩石地基承载力的确定，首先推荐岩石地基载荷试验，其最大的优点是模拟的受力條件与实际情况极为接近，但其试验成本高，工期长的缺点也是显而易见的，因此，难于在工程实践中广泛采用。但是，该方法目前依然是我国最可靠、最准确、最广泛、最直接的地基承载力确定方法。
（2）目前，工程项目普遍采用岩石饱和单轴抗压强度和折减系数法计算，主要是简单便捷。但其缺陷较为明显。
①岩石饱和单轴抗压强度试验，岩石试件处于无侧限的单轴受力状态，岩石抗压强度值小于岩石地基载荷试验值。
②岩石饱和单轴抗压强度试验取岩块做试验，岩石地基载荷试验值取岩体做试验，岩块强度高于岩体强度，主要原因岩体中存在很多的隐裂隙。
③两者可通过折减系数的取值进行调整，折减系数可由地方经验确定。若无经验，则根据岩体完整性程度，查表取值计算，并将成果值与已有的经验数值进行对比，保证地基承载力特征值是安全的。
（3）硬质岩石地基在基础的外部荷载作用下，其破坏模式既有局部剪切破坏模式，又有整体剪切破坏模式，是两种剪切破坏模式并存的。
（4）Hoek-Brown强度准则按局部剪切破坏模式推导，极限平衡条件则按整体剪切破坏模式推导，从安全角度考虑，岩石地基的极限承载力取两者数值的小值。
（5）Hoek-Brown强度准则中各参数及折减系数的选取，尽管确定参数及折减系数比较困难，但其理论充分，应用起来简便快捷，有效保证岩石地基的安全性，对工程起到科学、安全、合理、节约的效果。
（6）岩石地基承载力特征值假设了一些边界条件下推导出来的，但现实工程中，岩体受力影响因素复杂多变的，岩体裂隙发育规模、特征、大小、形态等不确定性因素太多。因此，在确定岩石地基承载力特征值时，必须考虑地基变形与强度两个指标满足规范要求，才能保证建筑物岩石地基不发生剪切破坏，也不发生不均匀沉降的不良地质现象，保证建筑物正常安全使用。
参考文献
[1]工程地质手册编委会.《工程地质手册》（第四版）.北京：中国建筑工业出版社，2007，2.
[2]宋建波，于远忠，刘汉超.用Hoek-Brown强度准则确定岩石地基极限承载力.地质灾害与环境，1999，10（4）.
[3]刘之葵，曹 平.岩溶区岩石地基承载力的确定.湖南科技大学学报（自然科学版）.2006，12，21（4）.
[4]中华人民共和国建设部.《岩土工程勘察规范（2009版本）》（GB50021-2001）.北京：中国建筑工业出版社，2001.
[5]中华人民共和国建设部.《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）.北京：中国建筑工业出版社，2002.
[6]贵州省建筑设计研究院.《贵州建筑岩土工程技规范》（DB22/46-2004）.贵阳：贵州省建设厅，2004，12.
[7]贵州省建筑设计研究院.《贵州建筑地基基础设计规范》（DB22/45-2004）.贵阳：贵州省建设厅，2004，12.
[8]同济大学，重庆建筑工程学院.岩体力学，1979.
收稿日期：2018-9-29