巖石地基承載能力修正探討

摘要：針對巖石地基的特性，在系統(tǒng)分析巖基承載力影響因素及破壞模式的基礎上，對《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（2007）中除強風化和全風化巖石外，其他種類巖石需否考慮對地基承載力進行深度修正進行了分析探討。

關鍵詞：巖石地基 承載力 修正

地基承載能力是結構設計中首要考慮的問題之一，因為它不僅影響結構的安全，而且對結構設計的合理性及工程經(jīng)濟性都具有重要意義。土質地基是自然界普遍存在的，因此幾個世紀以來工程界做了大量的試驗研究，使得土質地基承載力計算理論相對比較完善。而巖石由于受構造及形成成因、地質變遷等各種因素影響，再加上人們對巖石地基研究的較晚以及對巖石力學特性認識的局限性，造成了巖石地基承載力理論發(fā)展較晚以至于目前尚未有一個明確的理論支撐。

1 問題提出

目前，隨著橋梁結構設計理論的快速發(fā)展，大跨度、新結構橋梁層出不窮，這些橋梁基礎基本均深入微風化或新鮮巖層中。但設計過程中發(fā)現(xiàn)，當按《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》以下簡稱《橋規(guī)》所提供的巖石承載力深寬修正進行設計時，摩擦樁往往要深入巖層幾十米，而按嵌巖樁設計時，往往只需幾米，若將巖層視為全風化或強風化時樁長反而變短，甚至不如在粘土中，這種極不協(xié)調的原因就在于對樁端巖石地基承載力修正與否的差異。

有的學者認為既然全風化和強風化巖石需要修正，那么微風化或新鮮的巖石強度更高更應該修正，以提高巖石地基承載能力，減小基礎的規(guī)模。便也有的學者認為因為土是一種大變形、粘聚性材料，土質地基可以容許出現(xiàn)局部的塑性變形，通過容許出現(xiàn)一定程度的變形而獲得更高的地基承載力，而這種“一定程度的變形”可以通過基礎埋深兩側的土進行限制，而基礎埋置越深兩側土對這種“一定程度的變形”越能有效限制，所以土質地基需要深寬修正；而巖石地基主要表現(xiàn)為彈性變形，且?guī)r層、巖體的強度主要受巖體裂隙控制，因此當巖體出現(xiàn)微小變形即已經(jīng)達到塑性變形了，巖石已經(jīng)破壞，因此巖石地基一般不做深寬修正。

2 土質地基承載力及破壞模式

土體地基的破壞模式為：地基土體失穩(wěn)破壞，既當?shù)鼗休d力不足時導致基礎底部的土地先是沉降變形，達到塑性發(fā)生剪切破壞，之后在一定范圍內土體破壞后相連形成滑動面，最后導致基底土體失穩(wěn)，地面土體隆起，所以也叫剪切破壞。

地基承載力由三個部分組成，第一部分為由土的內聚力提供的承載能力，第二部分是由基礎側面超載產生的埋深項分量，第三項為地基土的體積力產生的分量。第二分項的大小與超載成正比，這就是承載力的深度效應；第三分量與滑動土體的體積力成正比，基礎寬度越大，這部分承載力的分量就越大，就是地基承載力的寬度效應。

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再加上載荷試驗的埋置深度為零，所測定的承載力沒有包含深度的影響；同時由于載荷試驗尺寸比基礎的尺寸小很多，因此需要進行深、寬修正。

承載力公式同樣由三部份組成，第一項為基本承載力，第二項為寬度修正，第三項為深度修正。

因此，土質地基的深寬修正與土的破壞機理緊密相關。土是散顆粒結構受壓后，將會在其最不利剪切面上發(fā)生剪切滑移破壞，主要有整體剪切破壞和局部剪破壞。

3 巖石地基承載力及破壞模式

3.1 巖石地基的破壞模式

巖石的成分、構造、形成以及埋藏條件復雜多變。傳統(tǒng)觀念認為巖石的破壞與土一樣，也是剪切破壞。這方面比較有代表的如：勒單尼[1]通過對均質硬巖地基地破壞模式研究后認為：當基礎底面荷載作用在巖基上時，基礎發(fā)生沉降，當沉降達到巖基的彈性極限時，巖基從基腳處開始產生裂縫，裂縫逐漸向縱深發(fā)展。當荷載繼續(xù)作用，巖基就進入巖體壓碎（張裂）破壞階段；當荷載繼續(xù)增大，巖基的豎向裂縫加密且出現(xiàn)斜裂縫，并向深部延伸，這時，進入劈裂破壞階段，由于巖體張裂使巖基兩側產生擴容現(xiàn)象，導致基腳附近的巖體發(fā)生剪切滑移，這將使基腳附近地面變形而破壞。哥德曼依據(jù)這一破壞模式給出了條形巖基的確定方法。

BELL[2]認為巖基承載力與巖體結構密切相關，破壞模式較多但剪切破壞是最為常見的，常常發(fā)生在完整巖體、節(jié)理巖體、破裂巖體和軟弱巖體中。這方面比較有代表性的理論計算公式為Hoek-Brown強度準則[3]，Hoek-

Brown準則將節(jié)理化巖體視為均勻連續(xù)介質。

但近年來各行業(yè)的快速發(fā)展使得對巖石的理解更加透徹，越來越多的學者認為，巖石的破壞和巖石形成的本質-沉積巖相和成巖后生作用密切相關，形成于不同的沉積巖相和成巖后生作用的巖層具有不同的結構構造特征，相同或相似的巖體破壞模式，只存在于那些具有相同或相似的結構構造特征的巖體之間。巖石沒有均質的。這方面比較有代表性的為Griffith脆性破壞準則[4]，研究認為天然巖石均含有裂隙，宏觀的和微觀裂隙，只是不同巖石裂縫大小和密集程度不同而已，沒有裂隙的巖石是不存在的。當巖石中裂隙的間距相對工程結構尺寸來說相當大時，才稱為整體結構巖體，這時，它不可能出現(xiàn)沿裂隙面的破壞，只可能是通過巖石內部破壞。巖石如同玻璃一樣的脆隆材料，由于其內部存在著微裂隙，即使在壓力作用下，也會在微裂隙端部產生拉應力集中，當拉應力大于該處的抗拉強時，就會產生拉伸破壞，從而使裂隙開展或擴展，同時當拉伸破裂使各相鄰裂隙相繼貫通時，則形成宏觀破裂面，然后在剪應力繼續(xù)作用下產生沿破裂面的滑移，這樣就在宏觀上造成“剪切”破壞的假象，其實巖石破裂的真正原因是“拉伸”而非“剪切”。國內外一些專家通過分析研究證明了該理論的合理性。

3.2 巖石地基的承載能力修正探討

從以上分析可知，巖石地基的破壞模式和土質地基既有共性，又有根本的不同之處，巖石地基是先從局部微裂隙端部產生拉應力集中，繼而產生貫通性裂縫，最后表現(xiàn)為沿裂縫滑移破壞；而土質地基只有一個過程，即土體沿裂隙面發(fā)生剪切滑移破壞。

因為兩者相似的滑移破壞，因此，從理論上講土質地基的深度修正也適用于巖石地基。但由于巖石地基的承載能力很高，特別是無風化巖石，其強度和混凝土相當，巖體由于深度產生的側壓與其強度相比不會很大。因此，修正的系數(shù)不會像土體一樣很大。如日本“國鐵基準”中規(guī)定：基礎埋入巖石中超過一定深度時其容許承載力隨著埋深的增加可逐步提高，但不能超過容許承載力的2倍。英國“土木工程師協(xié)會實用規(guī)范”也有類似規(guī)定，但同樣要求修正不超過地表承載能力的2倍。而我國對巖石地基論證較少，僅重慶地方規(guī)范[5]有類似修正條文。

3 結論

綜上所述，作者認為對于軟巖石或強度較低的巖石地基，應進行深度修正，但修正不宜過高。對于強度較高的硬質巖石可不進行深度修正。

參考文獻：

[1]沈明榮.巖體力學[M].上海：同濟大學出版社，1999：191-193.

[2]BELL F G.Engineering in RockM asses[M].New York：Butterworth-Heinemann，1994.

[3]WYLLIE D C.Foundations on Rock[M].London：EFNSpon，1992.

[4]范景偉.巖石的脆性裂理論[J].四川水力發(fā)電，1984（1）：107-

115.

[5]重慶市建設委員會.DBJ50-047-2006vfh建筑地基基礎設計規(guī)范[S].重慶：重慶市建設委員會，2006：45-47.