岩体力学-第7讲-岩石地基工程

第7章岩石地基工程俞缙[e-mail]岩体力学主要内容岩石地基工程概述岩基变形与沉降岩基承载力确定岩基稳定性分析岩石地基加固岩基工程特点•相对土质地基，可承担较大荷载，强度较高•岩基中不连续面可能明显削弱岩基强度•岩基总体变形较小，但需考虑岩石脆性破坏岩基设计所考虑的内容•基岩体需要有足够的承载能力，以保证在上部建筑物荷载作用下不产生碎裂或蠕变破坏；•在外荷载作用下，由岩石的弹性应变和软弱夹层的非弹性压缩产生的岩石地基沉降值应该满足建筑物安全与正常使用的要求；•确保由交错结构面形成的岩石块体在外荷载作用下不会发生滑动破坏，这种情况通常发生在高陡岩石边坡上的基础工程中。岩基类型(a)墙下无大放脚基础(b)预制柱的岩石杯口(c)锚杆基础(d)嵌岩桩基础(a)墙下无大放脚基础：承载较小(b)预制柱直接插入岩体：预制柱(c)锚杆基础：抗拔或抵抗弯矩(d)嵌岩桩基础：端承桩或端承摩擦桩主要内容岩石地基工程概述岩基变形与沉降岩基承载力确定岩基稳定性分析岩石地基加固为什么要讨论岩基应力？•一是将地基中的应力水平与岩体强度比较，以判断是否已经发生破坏；•二是利用地基中的应力水平计算地基的沉降值。集中荷载作用下均质各向同性岩石地基3552222532533122[1()]2312[]2()1(12)[]2()320zrrzrrPzPRzrPzrRRRzPzRRzRPzrR集中荷载作用下弹性半平面体中的应力计算布辛奈斯克解，1885年线荷载作用下均质各向同性岩石地基线荷载作用下弹性半平面体中的应力计算22cossin2zPx4cos2zPz3cossin2zPxz（7-2）2cos2zPr0r双层岩石地基中应力分布•上软下硬时，将主要由上层岩石承担，符合刚度分配原理；•上下模量比为1时，其分布符合Boussinesq解；•上下模量比增大至100时，下卧软弱岩层中的附加应力就小得可以忽略不计了，即外荷载全部由上部岩层承担。横观各向同性岩石地基•等效横观各向同性介质222222cossin[](cossin)sincosrhXYgrgh122[1](1)nEgkS22(1)1{()[]2()}11sEhgEkS,E——岩石的弹性模量和泊松比；S——结构面间距；snkk,——结构面的法向和切向刚度；——径向应力与结构面之间的夹角岩石地基沉降基本类型•由岩石本身的变形、结构面的闭合与变形以及少数粘土夹层的压缩三个部分组合形成的地基沉降。•由于岩石块体沿结构面剪切滑动产生的地基沉降。•与时间有关的地基沉降，主要发生在软弱岩石地基和脆性岩石地基中。不同地质条件下岩石地基的沉降计算2(1)dvCqBE主要内容岩石地基工程概述岩基变形与沉降岩基承载力确定岩基稳定性分析岩石地基加固岩基承载力概念•极限承载力•地基处于极限平衡状态时，所能承受的荷载即为极限承载力。•容许承载力•在保证地基稳定的条件下，建筑物的沉降量不超过容许值时，地基单位面积上所能承受的荷载即为设计采用的容许承载力。《建筑地基基础规范》方法•——岩石地基承载力特征值（kPa）；•——岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa）；•——折减系数，根据岩体完整程度以及结构面的间距、宽度、产状和组合，由地区经验确定。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；对破碎岩体可取0.1~0.2。rkraffafrkfr岩体完整程度划分岩体完整程度划分完整程度等级完整较完整较破碎破碎极破碎完整性指数0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.150.15岩体完整程度划分（缺乏试验数据）名称结构面指数控制性结构面平均间距（m）代表性结构类型完整1~21.0整状结构较完整2~30.4~1.0块状结构较破碎30.2~0.4镶嵌状结构破碎30.2碎裂状结构极破碎无序—散体状结构按试验确定岩基承载力•采用岩体现场荷载试验确定•按室内单轴抗压强度确定地基承载力•为岩体裂隙影响系数•为岩坡影响系数rkrkrpffp岩基承载力理论公式•太萨基公式•b为基础底宽•q为基础旁侧荷载6450.5(1)5tan(45)2uPbkckqkk岩基承载力理论公式•科茨公式•b为基础底宽•q为基础旁侧荷载6440.5(1)cotuPbkckqk碎裂岩体地基承载力32/12)(3)(1)(rurusm)(2/12/12)()()(rurumuss21/21()()()()1/21/21/2()()[1(1)]AurumurumurmssmsFmssCqrufa])1(1[2/12/1)(2/11边坡岩石地基•对于坡角小于的边坡而言，地基上的容许荷载一般由其地基承载力和容许沉降控制•对于坡角大于的边坡，则一般由边坡的稳定条件控制地基上的容许荷载，很少需要验算其地基承载力。/2/2边坡岩石地基FNBCcNCqqfcqfa221cHN0缓倾结构面岩石地基的承载力2312212()()(1)2tantanABcBNN13111[()(1)]tanAacNNqF211tan(45)2N222tan(45)2N双层岩石地基破坏模式岩溶地基承载力•岩溶地区地基失效主要原因：•一是在工程选址阶段没有探查到地基范围内的洞穴，地基设计没有考虑洞穴的影响；•二是没有充分考虑到洞穴对地基承载力和沉降的影响。岩溶地基处治措施•详细的工程勘察•梁板跨越•换填•强夯•桩基础主要内容岩石地基工程概述岩基变形与沉降岩基承载力确定岩基稳定性分析岩石地基加固岩基抗滑稳定•坝基失稳的三种情况•第一种：岩基中的岩体强度远远大于坝体混凝土强度，同时岩体坚固完整且无显著的软弱结构面。这时大坝的失稳多半是沿坝体与岩基接触处产生，这种破坏形式称为表层滑动破坏。岩基抗滑稳定•坝基失稳的三种情况•第二种：在岩基内部存在着节理、裂隙和软弱夹层，或者存在着其它不利于稳定的结构面。在此情况下岩基容易产生深层滑动。岩基抗滑稳定•坝基失稳的三种情况•第三种：混合滑动；有时还会产生所谓混合滑动的破坏形式，即大坝失稳时一部分沿着混凝土与岩基接触面滑动，另一部分则沿岩体中某一滑动面产生滑动．因此，混合滑动的破坏形式实际上是介于上述两种破坏形式之间的情况。重力坝表层滑动稳定性计算•《混凝土重力坝设计规范》•抗剪强度公式•V为坝体总垂直荷载•H为坝体总水平荷载•U为坝底扬压力•f为接触面摩擦系数()fVUKH重力坝表层滑动稳定性计算•《混凝土重力坝设计规范》•抗剪断强度公式•f’为界面抗剪断摩擦系数•c为界面抗剪断凝聚力•F为坝基截面积'()fVUcFKH重力坝深层滑动稳定性计算(sincosU)fcFHcosVsinRHVKS坝基内滑面倾向上游重力坝深层滑动稳定性计算(sincosU)fcFHcosVsinRHVKS坝基内滑面倾向上游重力坝深层滑动稳定性计算111111(cossin)cossinRVUHfcFPSHV坝基内滑面倾向下游块体1块体2222222(cossin())cos()sinRVPUfcFSPV=+重力坝深层滑动稳定性计算2222222(cossin())cos()sinVPUfcFKPV1111111(cossin)cossinVUHfcFPKHV等K法计算的两种处理方法12KKK不按块体极限平衡状态计算的等K法重力坝深层滑动稳定性计算222222(cossin())cos()sinfcVPUFPVKK111111(cossin)cossinfcVUHFPHVKK等K法计算的两种处理方法按块体极限平衡状态计算的等K法降低滑面强度指标，联立求解K主要内容岩石地基工程概述岩基变形与沉降岩基承载力确定岩基稳定性分析岩石地基加固岩基选址的前提•尽量避开：•构造破碎带•断层•软弱夹层•节理裂隙密集带•溶洞发育地段岩基处理要求•地基岩体应具有均一的弹性模量和足够的抗压强度。尽量减少绝对沉降量和地基各部位间出现的拉应力和应力集中现象；避免倾覆、滑动和断裂可能。•基础与地基之间要保证结合紧密，有足够的抗剪强度，不致因承受水压力、土压力、地震力或其他推力，沿着某些抗剪强度低的软弱结构面滑动。•如为坝基，则要求有足够的抗渗能力，使库体蓄水后不致产生大量渗漏，避免增高坝基扬压力和恶化地质条件，导致坝基不稳。岩基处理方法•(1)采用挖、掏、填（回填混凝土）的处理岩基内断层、软弱带或局部破碎带；•(2)采用固结灌浆以加强岩体的整体性，可使基岩整体弹性模量提高1~2倍，可控制基岩变形，并提高岩基强度（承载力）；•(3)增加基础开挖深度或采用锚杆与插筋等方法提高岩体的力学强度。岩基处理方法•(4)如为坝基，为减小蓄水后坝底扬压力效应和坝基渗漏，需在坝基上游灌浆形成防渗帷幕，并结合排水孔或排水廊道减少渗漏量，降低扬压力，排除管涌等现象。•(5)开挖和回填是处理岩基的最常用方法，对断层破碎带、软弱夹层、带状风化等较为有效。