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來確定巖基承載力特征值。巖體的各向異性系數，可根據巖體的橫波速與縱波速之比，根據不同的巖體情況確定，巖體的各向異性系數是橫波速與縱波速之比的n次方，本文研究n=0～3，不同的計算方法n值取值不同。通過計算分析比較，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，抗剪強度參數法解、Hoek-Brown強度準則法解計算值較工程地質勘察經驗公式法和建筑地基基礎經驗公式法計算值總體偏小。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.

關鍵詞：巖基承載力特征值；各向異性系數；巖塊單軸飽和抗壓強度標準值

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 文獻標識碼：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、應力狀態，巖體結構面的發育程度，巖體內地下水的發育程度和規模，巖體的水理性等因素控制。研究發現，根據波動理論，巖體的各向異性影響系數可用巖體的橫波速和縱波速之比來反映，根據不同的巖體情況，根據巖體的橫波速與縱波速之比采用不同的各向異性系數，各向異性系數是波速比的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

根據三軸壓縮原理、廣義Hoek-Brown強度準則及格里菲斯強度理論，基于均質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（抗剪強度參數法）。

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

改進后的規范法解、抗剪強度參數法、Hoek-Brown強度準則法，雖然彌補了規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

研究發現，巖體的各向異性影響因素，根據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。設巖體的橫波速與縱波速之比為δ，根據波動理論：

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，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m/2）/[1+tan（45°-？準m/2）]，其中？準m為巖體的內摩擦角（°）。

建筑地基基礎經驗公式法：

抗剪強度參數法可按如下改進或修正確定巖基承載力特征值：

通過工程實踐計算檢驗，改進后的各種解法所求巖基承載力特征值與現場荷載試驗、旁壓試驗結果懸殊不大，而且與《中小型水利發電工程地質勘察規范》（DL/T5410—2009）所給巖基承載力特征值的經驗值很接近。

4 確定巖基承載力特征值的規范經驗公式法

《中小型水利發電工程地質勘察規范》（DL/T5410—2009）和《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008）給出的壩基巖體允許承載力基本一致，是根據巖石單軸飽和抗壓強度，結合巖體結構、裂隙發育程度做相應的折減后確定地質建議值，暫且稱之為工程地質勘察經驗公式法，見表1。

根據表1可以通過數學擬合的方法擬合出巖體完整性系數Kv與節理間距d（m）、確定巖體允許承載力的綜合折減系數ζ之間的關系，最終得出巖體允許承載力R（MPa）與巖體單軸飽和抗壓強度Rc（MPa）的表達式，見表2。

5 巖塊單軸飽和抗壓強度標準值的確定

各方法中，巖塊單軸飽和抗壓強度標準值的確定至為關鍵。巖土參數的標準值是巖土工程設計的基本代表值，是巖土參數的可靠性估值。單軸飽和抗壓強度標準值frk應根據規范按場地的工程地質單元和層位分別統計，按下列公式計算平均值、標準差和變異系數、標準值：

式中：Rm為巖塊單軸飽和抗壓強度平均值（MPa）；Ri為試樣的巖塊單軸飽和抗壓強度（MPa）；σf為巖塊單軸飽和抗壓強度標準差（MPa）；δ為巖塊單軸飽和抗壓強度值的變異系數；γs為統計修正系數，式中正負號的選用取決于指標的性質，如對抗剪強度應取負號；Rk為巖塊單軸飽和抗壓強度標準值（MPa）。

6 四種方法確定的巖基承載力特征值比較

通過工程實踐計算檢驗，并與相關規范規程所給的巖基承載力特征值的經驗值比較，抗剪強度參數法、Hoek-Brown強度準則法計算值懸殊不大，工程地質勘察經驗公式法和建筑地基基礎經驗公式法計算值懸殊不大，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，抗剪強度參數法、Hoek-Brown強度準則法計算值較工程地質勘察經驗公式法和建筑地基基礎經驗公式法計算值總體偏小。四種方法確定的巖基承載力特征值均可作為地質建議值，建議將大值作為上限，小值作為下限，符合規范要求，但在工程實際應用時，應以規范法為準。

工程地質勘察經驗公式法，已考慮了各種影響，其折減系數本文稱其為綜合折減系數ζ，已包含了巖體的各向異性影響，是立足于規范通過數學擬合的方法而總結出的經驗公式法，更具可靠性。

7 工程實例

某建筑場地地基基礎為白堊系上統泥質粉砂巖，微風化，巖塊單軸飽和抗壓強度標準值為8.9MPa。在基礎高程位置，通過直徑為300mm的淺層圓形剛性壓板試驗，試驗荷載為承載力設計值的3倍，最大試驗荷載為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。本文方法計算確定驗證如下：抗剪強度參數法計算，承載力特征值為1.01MPa；Hoek-Brown強度準則法計算，承載力特征值為0.95MPa；建筑地基基礎經驗公式法計算，承載力特征值為0.76MPa；工程地質勘察經驗公式法計算，承載力特征值為0.78MPa。從計算結果可看出，建筑地基基礎經驗公式法、工程地質勘察經驗公式法與實驗值相比，偏小；抗剪強度參數法、Hoek-Brown強度準則法與實驗值相比，偏大，但總體上偏離不大，均滿足設計精度要求，規范法偏安全。

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建議值。

8 結論

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

②通過計算分析比較，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，抗剪強度參數法、Hoek-Brown強度準則法計算值較工程地質勘察經驗公式法和建筑地基基礎經驗公式法計算值總體偏小。四種方法確定的巖基承載力特征值均可作為地質建議值。

參考文獻：

[1]菊存全.巖基承載力特征值的確定研究，科技傳播，2014.

[2]GB50007—2011，中華人民共和國住房和城鄉建設部，建筑地基基礎設計規范[S].2011.

[3]李歌華.樁端巖基承載力特征值的確定[J].勘察科學技術， 2004（04）.