岩石地基承载能力修正探讨

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摘要：针对岩石地基的特性，在系统分析岩基承载力影响因素及破坏模式的基础上，对《公路桥涵地基与基础设计规范》（2007）中除强风化和全风化岩石外，其他种类岩石需否考虑对地基承载力进行深度修正进行了分析探讨。

关键词：岩石地基　承载力　修正

地基承载能力是结构设计中首要考虑的问题之一，因为它不仅影响结构的安全，而且对结构设计的合理性及工程经济性都具有重要意义。土质地基是自然界普遍存在的，因此几个世纪以来工程界做了大量的试验研究，使得土质地基承载力计算理论相对比较完善。而岩石由于受构造及形成成因、地质变迁等各种因素影响，再加上人们对岩石地基研究的较晚以及对岩石力学特性认识的局限性，造成了岩石地基承载力理论发展较晚以至于目前尚未有一个明确的理论支撑。

1　问题提出

目前，随着桥梁结构设计理论的快速发展，大跨度、新结构桥梁层出不穷，这些桥梁基础基本均深入微风化或新鲜岩层中。但设计过程中发现，当按《公路桥涵地基与基础设计规范》以下简称《桥规》所提供的岩石承载力深宽修正进行设计时，摩擦桩往往要深入岩层几十米，而按嵌岩桩设计时，往往只需几米，若将岩层视为全风化或强风化时桩长反而变短，甚至不如在粘土中，这种极不协调的原因就在于对桩端岩石地基承载力修正与否的差异。

有的学者认为既然全风化和强风化岩石需要修正，那么微风化或新鲜的岩石强度更高更应该修正，以提高岩石地基承载能力，减小基础的规模。便也有的学者认为因为土是一种大变形、粘聚性材料，土质地基可以容许出现局部的塑性变形，通过容许出现一定程度的变形而获得更高的地基承载力，而这种“一定程度的变形”可以通过基础埋深两侧的土进行限制，而基础埋置越深两侧土对这种“一定程度的变形”越能有效限制，所以土质地基需要深宽修正；而岩石地基主要表现为弹性变形，且岩层、岩体的强度主要受岩体裂隙控制，因此当岩体出现微小变形即已经达到塑性变形了，岩石已经破坏，因此岩石地基一般不做深宽修正。

2　土质地基承载力及破坏模式

土体地基的破坏模式为：地基土体失稳破坏，既当地基承载力不足时导致基础底部的土地先是沉降变形，达到塑性发生剪切破坏，之后在一定范围内土体破坏后相连形成滑动面，最后导致基底土体失稳，地面土体隆起，所以也叫剪切破坏。

地基承载力由三个部分组成，第一部分为由土的内聚力提供的承载能力，第二部分是由基础侧面超载产生的埋深项分量，第三项为地基土的体积力产生的分量。第二分项的大小与超载成正比，这就是承载力的深度效应；第三分量与滑动土体的体积力成正比，基础宽度越大，这部分承载力的分量就越大，就是地基承载力的宽度效应。

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再加上载荷试验的埋置深度为零，所测定的承载力没有包含深度的影响；同时由于载荷试验尺寸比基础的尺寸小很多，因此需要进行深、宽修正。

承载力公式同样由三部份组成，第一项为基本承载力，第二项为宽度修正，第三项为深度修正。

因此，土质地基的深宽修正与土的破坏机理紧密相关。土是散颗粒结构受压后，将会在其最不利剪切面上发生剪切滑移破坏，主要有整体剪切破坏和局部剪破坏。

3　岩石地基承载力及破坏模式

3.1　岩石地基的破坏模式

岩石的成分、构造、形成以及埋藏条件复杂多变。传统观念认为岩石的破坏与土一样，也是剪切破坏。这方面比较有代表的如：勒单尼[1]通过对均质硬岩地基地破坏模式研究后认为：当基础底面荷载作用在岩基上时，基础发生沉降，当沉降达到岩基的弹性极限时，岩基从基脚处开始产生裂缝，裂缝逐渐向纵深发展。当荷载继续作用，岩基就进入岩体压碎（张裂）破坏阶段；当荷载继续增大，岩基的竖向裂缝加密且出现斜裂缝，并向深部延伸，这时，进入劈裂破坏阶段，由于岩体张裂使岩基两侧产生扩容现象，导致基脚附近的岩体发生剪切滑移，这将使基脚附近地面变形而破坏。哥德曼依据这一破坏模式给出了条形岩基的确定方法。

BELL[2]认为岩基承载力与岩体结构密切相关，破坏模式较多但剪切破坏是最为常见的，常常发生在完整岩体、节理岩体、破裂岩体和软弱岩体中。这方面比较有代表性的理论计算公式为Hoek-Brown强度准则[3]，Hoek-

Brown准则将节理化岩体视为均匀连续介质。

但近年来各行业的快速发展使得对岩石的理解更加透彻，越来越多的学者认为，岩石的破坏和岩石形成的本质-沉积岩相和成岩后生作用密切相关，形成于不同的沉积岩相和成岩后生作用的岩层具有不同的结构构造特征，相同或相似的岩体破坏模式，只存在于那些具有相同或相似的结构构造特征的岩体之间。岩石没有均质的。这方面比较有代表性的为Griffith脆性破坏准则[4]，研究认为天然岩石均含有裂隙，宏观的和微观裂隙，只是不同岩石裂缝大小和密集程度不同而已，没有裂隙的岩石是不存在的。当岩石中裂隙的间距相对工程结构尺寸来说相当大时，才称为整体结构岩体，这时，它不可能出现沿裂隙面的破坏，只可能是通过岩石内部破坏。岩石如同玻璃一样的脆隆材料，由于其内部存在着微裂隙，即使在压力作用下，也会在微裂隙端部产生拉应力集中，当拉应力大于该处的抗拉强时，就会产生拉伸破坏，从而使裂隙开展或扩展，同时当拉伸破裂使各相邻裂隙相继贯通时，则形成宏观破裂面，然后在剪应力继续作用下产生沿破裂面的滑移，这样就在宏观上造成“剪切”破坏的假象，其实岩石破裂的真正原因是“拉伸”而非“剪切”。国内外一些专家通过分析研究证明了该理论的合理性。

3.2　岩石地基的承载能力修正探讨

从以上分析可知，岩石地基的破坏模式和土质地基既有共性，又有根本的不同之处，岩石地基是先从局部微裂隙端部产生拉应力集中，继而产生贯通性裂缝，最后表现为沿裂缝滑移破坏；而土质地基只有一个过程，即土体沿裂隙面发生剪切滑移破坏。

因为两者相似的滑移破坏，因此，从理论上讲土质地基的深度修正也适用于岩石地基。但由于岩石地基的承载能力很高，特别是无风化岩石，其强度和混凝土相当，岩体由于深度产生的侧压与其强度相比不会很大。因此，修正的系数不会像土体一样很大。如日本“国铁基准”中规定：基础埋入岩石中超过一定深度时其容许承载力随着埋深的增加可逐步提高，但不能超过容许承载力的2倍。英国“土木工程师协会实用规范”也有类似规定，但同样要求修正不超过地表承载能力的2倍。而我国对岩石地基论证较少，仅重庆地方规范[5]有类似修正条文。

3　结论

综上所述，作者认为对于软岩石或强度较低的岩石地基，应进行深度修正，但修正不宜过高。对于强度较高的硬质岩石可不进行深度修正。

参考文献：

[1]沈明荣.岩体力学[M].上海：同济大学出版社，1999：191-193.

[2]BELL　F　G.Engineering　in　RockM　asses[M].New　York：Butterworth-Heinemann，1994.

[3]WYLLIE　D　C.Foundations　on　Rock[M].London：E&FNSpon，1992.

[4]范景伟.岩石的脆性裂理论[J].四川水力发电，1984（1）：107-

115.

[5]重庆市建设委员会.DBJ50-047-2006vfh建筑地基基础设计规范[S].重庆：重庆市建设委员会，2006：45-47.

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