周德培
西南交通大学土木工程学院
内容
一、岩石地基质量评价
二、岩石地基破坏模式
三、岩石地基应力
四、岩石地基允许承载力
五、嵌入岩石的桩基设计
一、岩石地基质量评价
岩石地基质量评价应考虑的问题
1、岩性成分及其强度、软硬性；
2、岩体的地质构造特征：倾斜岩层、褶皱等；
3、岩体中的不良地质现象：断层、软弱夹层、溶洞、等；
4、是否处于斜坡处。
岩石地基基础的类型
开
挖
基
础
开挖上部土层，使地基能直接支承在清理好的岩石表面上。
根据工程性质和荷载大小，对岩石可只进行简单的检测、钻探和试验，也可在确定地基等级之前进行加荷检验。
基坑须进行排水并清除岩屑，以便与混凝土形成良好的结合。
对于只承受中等荷载的地基，在没有相关资料时，也可规范设计。
特殊情况下应进行地基承载力和沉降变形试验。
岩石
上的
桩基
础
上覆土体承载力不能满足要求，但又不能挖除时可采用这种基础形式。
桩应该打到岩石承压层上。
对于端承桩，入岩深度至少1m。
支承在软岩层上的桩，为提高承载力，还可以做成扩大的底座。
对于承载力相当高的岩石，则没有必要做扩大底座，其最大荷载不是决定于岩石强度而是决定于混凝土的强度。
对于很大的荷载，可
用大钻孔或挖孔浇注
的墩柱基础。
墩基础
的入岩深度至少几米
或更多一些，以形成
一个“岩石插座”。
荷载由墩端和周边摩
擦力共同承担，通常
以端承为主，因此要
认真检测“岩石插座”
的承载力和变形性。
插入岩石的墩柱
二、岩石地基破坏模式
假如岩体是比较完整的，加载初期属于弹性的荷载-变形关系，其具体形式取决于基础的变形特性。
当达到某一荷载使裂缝开始出现以后，继续加荷便会使裂缝扩展
在更大的荷载作用下，这些裂缝又会合并和交汇。
最后，开裂成很多片状体和楔形块，并在荷载进一步增加时被压屈和压碎。
由于剪胀，使受载面下的开裂和破碎岩石的区域向外扩展，最后，产生幅射状的裂缝网，其中有一条裂缝可能最后扩展到自由表面。
多孔的岩石，如某些白垩、脆性砂岩和熔碴玄武岩，可能会遭受孔隙骨架的破坏。
在胶结很差的沉积岩中，岩石在尚未出现开裂和楔入的应力状态下，就可能由于上述原因而引起不可恢复的沉陷。
这种破坏模式叫做“冲压破坏”
软弱地基中过大的荷载会使地基发生剪切破坏
三、岩石地基应力
按弹性理论求解
1、均质岩体中的地基应力
d
p
r
P
r
P
rπ
θ
π
π
θ
σ
2
cos
2
cos
2
=
=
=
r
P
d
σ
π
=
2
当荷载为剪力作用时，应力分布完全是辐射状的。
在极坐标r 、θ上，仅有的非零应力是沿辐射线方向的，其值为 应力σr 为常数的迹线由彼此相切的两个圆来表示，它们的圆心分别在从Q 的作用点沿表面向右和向左距离为Q ／(πσr )处。
左边在圆表示拉应力，右边的圆表示压应力。
r Q r πθσsin 2=
在P和Q
的合力R
的作用线
上的压力
泡，如图
9.3(c)所
示。
此时，
上面的圆
表示拉应
力，底下
的圆表示
压应力。
2、层状岩体中的地基应力
荷载垂直于层面时，σr 仅分
布在层面的摩擦角范围内，
因为在此范围外的σr 沿层面
分力都会使层面滑动。
层状岩体的压力泡被限制了
将荷载分解为平行和垂直于不连续面的两个分量X 和Y 时，岩石中的应力分布仍然是辐射状的，此时σθ＝0，τr θ＝0
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⋅=ββββββπσ222222cos sin )sin (cos sin cos h g g Y X r h r ＋－＋S k v E g n )1(12-=＋⎪⎭⎫ ⎝⎛⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛=v v g S k E
v v E h s －－＋＋＋－121)1(212（9-3）（9-4）
（9-5）
用公式（9.3）～式（9.5）的方法得出荷载作用下的“压力泡”
由模型试验求得的等应力线（压力泡）
四、岩石地基允许承载力
)
1(+=φN q q u f φφφφsin 1sin 1245tan 2
-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛=＋ N （9-6）
地基置于有铅直节理的基岩上，每个铅直节理的间距为S。
这种情况可能出现在风化的花岗岩中。
如果基脚宽B等于节理间距S，则可将地基视为一根柱子，地基承载力等于基岩的无侧限抗压强度
q u 。
如果B小于S，则承载力将大于q
u
，对于硬性闭合节理承载力
可由方程式（9.6）求得。
对于节理张开的岩体，地基承载力的确定方法不同。
此时简化为直径为B的圆形地基，置于直径为S的圆柱状铅直节理基岩的中部，如图9.11所示。
这是一个轴对称问题。
把地基视为有侧压p h 的大型三轴受压试样，基岩的粘结力和内摩擦角为c 和φ。
图9.11有张开铅直节理上的地基承载力分析简图地基承载力u N N f q B S N N q ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩
⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛=1111－－－φφφφφ
N c q u 2=
规范推荐的方法
《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）的附录五的规定（表9.1）
按《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89），对微风化及中等风化的岩石地基承载力设计值可按下式用室内饱和单轴抗压强度试验结果进行计算：
q f＝ψq ur（9.9）
式中，q
f −−岩石地基承载力设计值（kPa）；
q ur−−岩石饱和单轴抗压强标准值（kPa），
q ur＝u fr－1.645σfr
u fr和σfr分别为参加统计的一组试样的饱和单轴抗压强度试验值的平均值和标准差。
ψ−−折减系数。
微风化岩宜为0.20～0.33；中等风化岩宜为0.17～0.25。
取值时，对于硬质岩石着重考虑岩体中结构面间距、产状及其组合，软质岩石着重考虑其水稳性。
按按加拿大基础工程手册，岩石地基的容许承载力可按下式确定：
q f ＝K sp q u （9.11）
式中，q f −−容许承载力；
q u −−按ASTM 规定的试验方法确定的岩芯的
单轴抗压强度平均值；
K sp −−按裂隙面的间距确定的经验系数，其中包括了一个其值为3的安全系数。
c B c K SP
/300110/3δ＋＋=式中，c −−裂隙面间距；δ−−裂隙宽度；B −−基础宽度。
五、嵌入岩石的桩基设计
图9.12嵌入岩石的桩基
以图9.12的情况讨论这种桩基的
设计计算理论和方法。
1．设计目的：
确定最佳长度l 使桩基底部的应
力p D 最小。
2．工程状况：
土体薄而且承载力不能满足工程
要求，必须使桩基放入岩石内。
3．为安全起见不考虑土体对桩
的作用。
4．圆柱形桩，半径为a 。
（一）设计计算步骤：
1．确定桩周允许剪应力τf 和桩端允许承载力q f 。
2．已知条件桩面承载应力p z ，桩的E c 、μc ，岩石E r 、μr ，桩的半径a ，桩面总压力F z ＝πa 2p z 。
岩石与桩周的摩擦系数f 。
3．先不计p D ，按下式算出插入岩石中的最大长度l max ：
l max ＝F z /2πa τf 4．选择一个值l 1，且l 1＜l max ，按下式计算
（9.14）5．计算6．将上式的p D 与q f 相比较；
7．计算τ＝(1－P D ／P Z ) [F Z ／(2πal 1)]，并与τf 相比较；
8．若τ＝τf ，p D ≤ q f 则l 1为所求的值，否则重新用l 2重复以上计算，直到满足要求。
⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅=r c r c c Z D E E a l f P P ／＋＋－／－)1(12exp 1μμμZ
D Z D P P a F P 2π=
算例:已知：E r ／E c ＝0.5，μr ＝μc ＝0.25，q f ＝2MPa ，τf ＝0.15MPa ，混凝土的单轴抗压强度σc ＝10MPa ，F Z ＝20MN ，f ＝tg40︒。
试设计嵌入岩石的最佳长度l 。
取a ＝1.5m
1．计算m a F l f Z 15.1415
.05.12202max =⨯⨯==πτπ2．取l 1＝10m
⎭
⎬⎫⎩⎨⎧⋅⨯⨯⨯=5.1102)25.01(25.014025.02exp ＋＋－－ tg P P Z D ＝0.42320152π⨯.3．p D ＝×0.423＝2.83×0.423＝1.2MPa
4．τ＝(1－0.423)· ＝0.12MPa ，σ＝＝2.8＜10MPa
20215102π⨯⨯.2a Z F π∴
P D ＜q f ，τ＜τf 故取l ＝10m ，a ＝1.5m。