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岩石地基承载力的探讨

岩石地基承载力的探讨
定义岩石地基承载力较为复杂,这与岩石的地质成因、风化程度、矿物成分、节理等等有关。

岩石按地质成因可分为沉积岩、火成岩、变质岩。

地表主要为沉积岩,这也是工程研究的主要对象。

沉积岩是在地表条件下由风化作用、生物作用和火山作用的产物经水、空气和冰川等外力的搬运、沉积和成岩固结而形成的岩石。

图为美国亚利桑那州狼丘地区石涛谷斜坡具有壮观的砂岩结构。

美国亚利桑那州砂岩结构
岩石按矿物成分可分为石灰岩、白云岩、花岗岩、砂岩、泥岩、玄武岩、大理石岩等等;按风化程度可分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。

岩土工程关注的是岩石的强度。

岩石的坚硬程度根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。

岩体完整程度可分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎。

确定岩石承载力应确定岩石破坏模式,这与岩体节理、微裂隙、填充物、结构面倾斜方向等等密切相关,并不能一概确定某种极限破坏模式,这导致要统一确定岩石极限承载力称为不能完成的任务。

为了方便工程师使用,89版《建筑地基基础设计规范》根据全国各地岩基平板载荷试验和岩样试验的资料统计回归,建议取
胡岱文、黄求顺在“岩石地基的承载力”一文中(重庆建筑大学学报,1995年12月,第17卷第4期),假定岩体为等效连续介质,极限承载力计算模式如图,
基岩极限承载力计算模式
提出承载力特征值:
:岩坡修正系数。

当坡度β≤10度时取1.0;当坡度β=45度时取2/3;β≥80度时取1/3;
平面基岩上:
:折减系数。

根据岩体完整程度以及结构面的艰巨、宽度、产状和组合,有地区经验确定。

无经验时,对完整岩体可取0.5;对较完整岩体可取0.2~0.5;对较破碎岩体可取0.1~0.2。

该折减系数纳入了2002版《建筑地基基础设计规范》。

并沿用到2011版。

根据上述经验系数提出的折减系数范围过大,在某些地区的较破碎岩,岩土工程师倾向于统一取0.1,使得岩石强度取值过低。

另外假定“岩体为等效连续介质”的破坏模式显然不能代表所有的岩石破坏模式,在实际工程中还需要谨慎应用。

规范强调,岩石地基承载力要进行岩基平板载荷试验,对应于p-s曲线上起始直线段的终点为比例界限,符合终止加载条件的前一级荷载为极限荷载,将极限荷载除以3的安全系数,所得值与对应于比例界限的荷载相比较,取小值。

上述三个取值关系:。

即:对于同一工程,按2011版规范计算较按89版规范计算的承载力大,而按岩基平板载荷试验所取值(可能)更大一些。

根据格里菲斯(A.A.Gr i f f i t h)的理论解,在完整的岩质地基上,地基的极限承载力为单轴受压强度的3倍。

根据混凝土局压模型,地基的极限承载力为单轴受压强度的4倍。

实际上,破碎、极破碎岩体可用等效连续介质模型,失稳时破坏面呈曲线;而完整及较完整岩体呈现非连续介质特征,其破坏面为线性结构面,如图,这是岩体与土体根本不同之处。

(a)等效连续介质
(b)非连续介质
等效连续介质与非连续介质整体失稳对比示意
对于岩石的承载力,从规范的角度为了使用简便,有意忽略了一些因素的影响,同时为保障全国各地工程师使用后的安全性,折减系数取值偏低。

事实上对于各地区岩石承载力,具体到某个工程,应进行野外地质调查,结合岩层的产状和构造等因素综合考虑。

这样取得的岩石承载力参数方才合理,设计的地基基础方案才较为安全、经济。

岩石力学还在不断发展过程中,当前某些学者更倾向于用研究混凝土材料力学性能的方法来研究岩石力学性能。

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