第8章-岩体地基工程地质问题

目录下页上页8岩体地基工程地质问题目录下页上页内容提要能力要求主要内容：岩体地基的基础形式及设计要求、岩体地基承载力的确定方法、岩体地基的稳定性及其处理措施。教学重点：岩体地基承载力的确定、岩体地基的稳定性分析及其处理措施。教学难点：岩体地基的稳定性分析。（1）了解岩体地基的基础形式。（2）掌握岩体地基的破坏形式及其地基承载力的确定方法。（3）掌握岩体地基稳定性分析方法。（4）掌握岩体地基的处理措施。8.1概述8.2岩体地基承载力的确定8.3岩体地基的稳定性8.4岩体地基的处理◎习题与思考题目录下页上页8岩体地基工程地质问题目录下页上页§8.1概述8.1.1岩体地基概述岩体：指存在于地质环境中为工程活动所接触到的那部分具有一定岩性和结构特征的地质体。地基：指直接承受上部建筑物荷载的那部分岩体或土体。地基承受垂直荷载的地基（一般工业民用建筑物的地基）承受斜向荷载的地基（各类挡土、水工建筑物的地基）白鹤滩右岸边坡岩体直接利用岩基的基础（图8-1（a、b））（a）（b）图8-1岩体地基上的基础形式a：岩石单轴抗压强度较高（＞30MPa）、裂隙不太发育，清除基岩表面风化层后直接砌筑基础。b：岩体强度较高、整体性较好，可直接在岩石地基上开凿杯口，插入预制桩。锚杆基础（图8-1（c））提供抗拔力、平衡各种水平荷载及弯矩在基底产生的拉应力，不仅保证了上部结构的稳定性，对裂隙岩基还具有锚固作用。嵌岩桩基础（图8-1（d））当浅层岩体的承载力不足以承担上部结构的荷载，或者地基沉降值不满足正常使用要求时，常通过人工挖孔、机械钻孔等方式将灌注桩嵌入深层坚硬岩层上，成为嵌岩桩。（c）（d）图8-1岩体地基上的基础形式地基承载力计算条件按《建筑地基基础设计规范》（GB5007——2011）的规定，置于完整、较完整、较破碎岩体上的建筑物可进行地基承载力计算。地基变形验算要求地基基础设计等级为甲、乙级的建筑物，同一建筑物的地基存在坚硬程度不同，两种或多种岩体变形模量差异达2倍及2倍以上，应进行地基变形验算。地基稳定性验算要求地基主要受力层深度内存在软弱下卧岩层时，应考虑软弱下卧岩层的影响进行地基稳定性验算。岩石地基的基础形式当基岩面起伏较大，且都使用岩石地基时，同一建筑物可以使用多种基础形式。倾覆验算及滑移稳定性验算岩体加固裂隙（图8-2（a））地基岩体在上部荷载作用下，当地基中的应力超过其弹性极限时，岩体地基就从基脚处开始产生裂缝，并向深部发展。压碎（图8-2（b））若上述岩体地基承受的荷载继续作用，其破坏形式就进入压碎破坏阶段。岩体压碎的范围随深度增加而减少，根据试验观测，压碎范围近似一个倒三角形。§8.2岩体地基承载力的确定（a）（b）图8-2岩体地基的破坏形式8.2.1岩体地基的破坏形式劈裂（图8-2（c））随着荷载继续增大，基底下岩体的竖向裂缝将加密并出现斜裂缝，且向更深处延伸，岩体发生劈裂。在该阶段，由于裂缝开裂使压碎岩体向两侧扩容，基脚附近的岩体发生剪切位移，并使基脚附近的地面破坏。冲切破坏（图8-2（d））地基岩体若为多孔脆性岩体，在上部荷载作用下，可能会形成一个近似锥状或柱状的冲切破坏面，沿着与地基内应力约45°的方向扩散。（b）（d）图8-2岩体地基的破坏形式剪切破坏（图8-2（e））当岩体软弱结构面（如节理、裂隙、层理及软弱夹层面）发育时，在荷载作用下，若软弱面上的剪应力大于该面上的抗剪强度，岩体就会沿着软弱面发生剪切破坏。（e）上述裂隙、压碎、劈裂三种破坏形式主要发生于脆性的无孔隙岩体地基中。冲切破坏多见于多孔脆性岩体，一些张开竖节理密布的风化沉积岩（如石灰岩、砂岩等）中也可发生。剪切破坏多见于高压缩性的粘土岩类岩基中。图8-2岩体地基的破坏形式规范法确定岩体地基承载力（1）载荷试验确定岩体地基承载力①采用直径为300mm的圆形刚性承压板，当岩石埋藏较深时，可采用混凝土桩，但桩周需采取措施以消除桩身与土之间的摩擦力。②加载方式为单循环加载，荷载逐级递增至破坏，然后分级卸载。③荷载分级的第一级加载值为预估设计荷载的1/5，以后每级为1/10。④加载后立即测读沉降量，以后每10min读数一次。⑤当连续三次读数之差均不大于0.01mm时，达到稳定标准。⑥当出现下列现象之一时，可终止加载：a沉降量不断变化，在24h内沉降速率有增大趋势；b压力加不上或勉强加上而不能保持稳定（注：若限于加载能力，荷载也应增加到不少于设计要求的两倍）。⑦卸载时，每级卸载为加载时的两倍，如为奇数，第一级可为三倍。每级卸载后，隔10min测读一次，测读三次后可卸下一级荷载。全部卸载后，当测读到半小时回弹量小于0.01mm时，即可认为稳定。⑧岩体地基承载力的确定按如下步骤进行：a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；b每个场地载荷试验的数量不应少于3个，取最小值作为岩石地基承载力特征值。c岩石地基承载力不进行深宽修正。（2）室内单轴抗压强度确定岩石地基承载力①试料可用钻孔的岩心或坑、槽探中采取的岩块。②岩石试样尺寸一般为φ50mm×100mm，数量不应少于六个，进行饱和处理。③在压力机上以每秒500～800kPa的加载速度加载，直到试样破坏为止，记下最大加载，做好试验前后的试样描述。④根据参加统计的一组试样的实验值计算其平均值、标准差、变异系数，取岩石饱和单轴抗压强度的标准值为：rmrkff2678.4704.11nn式中：）；度平均值（—岩石饱和单轴抗压强—Pafrmk）；度标准值（—岩石饱和单轴抗压强—Pafrkk—统计修正系数；——试样个数；—n—变异系数。—岩石单轴抗压强度试验机根据经验确定岩体地基承载力表8-1岩体地基容许承载力数值表岩体类型容许承载力（MPa）节理不发育（间距＞1.0m）节理较发育（间距1.0～0.3m）节理发育（间距0.3～0.1m）节理极发育（间距＜0.1m）坚硬与半坚硬岩（Rc＞30MPa）Rw/7（1/7～1/10）Rw（1/10～1/16）Rw（1/16～1/20）Rw软弱岩（Rc＞30MPa）Rw/5（1/5～1/7）Rw（1/7～1/10）Rw（1/10～1/15）Rw表8-2不同岩体地基的容许承载力岩体地基类型容许承载力（MPa）松软岩基（凝灰岩、密实白垩岩及粗面岩）0.8～1.2中等坚硬的岩基（砂岩、石灰岩等）1～2坚硬的岩基（花岗岩、玄武岩、片麻岩、密实砂岩及石灰岩等）2～4特别坚硬的岩基（石英岩、细粒花岗岩等）4～6浅层滑动破坏（图8-3）若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，这种破坏形式称为浅层滑动破坏。影响因素：岩体的力学性质、接触面的起伏差异和粗糙度、清基干净与否、混凝土标号及浇注混凝土的施工质量等。§8.3岩体地基的稳定性8.3.1坝基岩体的破坏形式图8-3浅层滑动破坏深层滑动破坏（图8-4）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时，岩基容易产生深层滑动。混合型滑动破坏1—潜在滑动面，2—软弱夹层，3—节理或裂隙图8-4深层滑动破坏坝基接触面或浅层的抗滑稳定性计算HUVfKs∑V——总竖向作用力（kN）；U——作用在坝底的扬压力（kN）；∑H——水平力之和（kN）；f——坝体与岩基接触面的摩擦系数，可选用现场试验的实测值，一般情况下取实测值的70%～80%；根据过去的经验，一般为0.5~0.8。式中：图8-5坝基接触面或浅层的抗滑稳定计算当需要考虑粘聚力c时：HclUVfKs岩基深层的抗滑稳定计算岩体地基中的软弱结构面主要由节理裂隙、断层以及各种地质结构面组成，因此，潜在滑动面一般不止一个，需选择若干潜在滑动面进行抗滑安全系数计算，确定出抗滑安全系数最小的滑动面（1）单斜滑动面倾向上游的稳定性计算（图8-6）sincossincosVHclUHVfKs图8-6单斜滑动面倾向上游的稳定性计算（2）单斜滑动面倾向下游的稳定性计算（图8-7）图8-7单斜滑动面倾向下游的稳定性计算sincossincosVHclUHVfKs比较上述两式可以看出，当其他条件相同时，沿倾向上游滑动面滑动的抗滑稳定性系数显著大于沿倾向下游滑动面的抗滑稳定性系数。（3）双斜滑动面的稳定性计算如图8-8所示，在这种双斜滑动面形式下，计算抗滑稳定时将双斜滑移面所构成的楔体△ABC划分为二个楔体，即△ABD及△BCD。这时，△ABD是属于单斜滑动面倾向下游的模型；而△BCD在其自重作用下，显然有沿CB面下滑的趋势，这必然对ABD块体产生阻滑作用，故把ABD块体称为滑移体，BCD块体称为抗力体。图8-8双斜滑动面的稳定性计算①非等Ks法该方法以滑移体ABD或抗力体BCD处于极限平衡状态为依据（即抗滑稳定性系数为1），由此计算出抗力P，然后再根据抗力P计算出抗滑稳定性系数。cossinsincos111111HVPlcUHVfKABDsincossincos222222VPlcUPVfKBCD式中：f1、f2——AB及BC滑动面上的摩擦系数；∑V1，∑V2——作用在滑移体ABD和抗力体BCD的总竖向作用力；∑H——作用在坝体上的总水平推力；U1，U2——作用在AB、BC面上的扬压力；c1，c2——AB、BC面的岩体粘结力；l1、l2——AB、BC面的长度；，β——AB、BC面与水平面的夹角；P——抗力。②等Ks法该方法与上述方法正好相反，假定坝基在丧失稳定的过程中，不论是滑移体还是抗力体，两者具有相同的抗滑稳定性系数Ks，可分为非极限平衡法和极限平衡法两种。非极限平衡等Ks法：令前述两式中的==Ks，联立求解即可求出抗力P，再据P求出Ks。极限平衡等Ks法：将AB、BC面上的抗剪强度指标c1、f1，c2、f2同时除以Ks，使滑移体ABD和抗力体BCD都处于极限平衡状态，即==1：cossinsincos111111HVPKlcUHVKfsssincossincos222222VPKlcUPVKfss联立上述两式，即可求出抗滑稳定性系数Ks。ABDKBCDKABDKBCDK岩体地基具有均一的弹性模量及足够的抗压强度；地基与基础之间无滑动；坝基具有足够的抗渗能力。§8.4岩体地基的处理8.4.1岩体地基处理的基本要求清基：当岩体地基浅层有断层、软弱带或局部破碎带时，则需将破碎或软弱部分，采用挖、掏、填（回填混凝土）等方式处理。改善岩基的强度和变形：固结灌浆、增加基础开挖深度或采用锚杆与插筋等、采用预应力锚索、锚杆等措施加固，也可采用穿过滑移面的钢筋混凝土桩来提高滑移面的抗滑能力等。防渗防漏：坝基上游帷幕灌浆措施。8.4.2岩体地基的处理措施云南铁川桥水电站大坝清基坝基固结帷幕灌浆岩体地基处理常用的方法有哪些？岩体地基基础设计应符合哪些规定？