關于硬質巖石地基承載力的確定

李光耀

摘 要：從巖石地基破壞的模式出發，根據Hoek-Brown強度準則及極限平衡條件，推求局部剪切破壞模式及整體剪切破壞模式下的巖石地基極限承載力，再結合安全系數法，進而取得地基承載力特征值。其次，通過載荷試驗及巖石飽和單軸抗壓強度的試驗手段，按規范要求，計算其地基承載力特征值，在地基邊界條件不一致時，將其互相比較，找出其差異性，以便在工程實踐中，正確合理運用各計算公式，并確定巖石地基承載力。

關鍵詞：硬質巖石地基；破壞模式；地基承載力

中圖分類號：TU471.6 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）32-0205-03

1 前 言

沿著人類建筑歷史長河，地基承載力作為一個重要地基參數，一直是勘察設計工程師研究的重點方向，貴州是一個多山的省份，上覆第四系土層較薄，基巖裸露，隨著高層建筑的興建，對地基承載力的要求越來越高，如何進一步挖掘巖石地基的承載力，并根據巖石地基的邊界條件正確運用地基承載力公式，在工程實踐中具有極其重要的經濟及社會意義。今天，通過無數前輩的經驗總結，各行業規范標準的學習，加上各種的先進的勘察手段及土工試驗的運用，為巖石地基承載力的挖掘和正確使用，奠定了重要的基礎，并指明了方向。

2 巖石地基剪切破壞的原理和模式

巖石地基破壞模式為剪切破壞。對于無孔隙、堅硬、脆性的巖石地基，其破壞過程如下：巖石被施加至某一級荷載時，巖體內部開始出現細微拉裂縫，繼續加大荷載量級，細微裂縫進一步擴展，隨原裂隙周邊發育新的裂隙，將巖體切割成很多片狀體和楔形體，巖石內部由面面接觸，轉變為面點接觸，荷載進一步加大至巖體屈服荷載時，巖體被壓屈和壓碎。巖石剪切破壞的原理，主要是張拉效應和剪脹效應發揮重要作用，在外部荷載下，巖石受剪面下出現微細裂縫，并逐漸向外發展，微細裂縫逐漸貫穿，形成裂縫，最終發展成為巖石的剪切破壞。由此可見，巖石地基在上部荷載作用下，將發生局部剪切破壞模式和整體剪切破壞模式。

3 局部剪切破壞模式下巖石地基極限承載力的確定（Hoek-Brown解）

在假設建筑物地基與基礎無限延伸、且忽略巖體自重的條件下，巖石地基在建筑物上部荷載作用下，沿基礎邊界線BC面，形成楔形體，產生擠壓破壞，（如圖1所示）。以BC面為界，將楔形體的巖體分為主動區M和被動區N，進行力學極限平衡分析，對主動區M，大主應力為Pt，小主應力為σ3M，對被動區N，大主應力為P，小主應力為σ1N。若巖石地基處于極限平衡狀態，滑動面上剪應力達到其抗剪強度值，主動區M的大主應力Pt為其極限荷載，基底壓力為地基極限承載力特征值。

4 整體剪切破壞模式下巖石地基極限承載力的確定

在假設建筑物地基與基礎無限延伸、且忽略巖體自重的條件下，巖石地基在建筑物上部荷載作用下，沿基礎邊界線BC面，形成楔形體ABC，沿BA面整體剪切滑動?；A底面范圍內巖石地基BCC′B′在基底壓力Pt作用下，產生被動剪切破壞（如圖2）。根據庫倫-莫爾理論，破裂面與水平面夾角δ=（45+？準/2）°，楔形體ABC抗被動擠壓的大小，決定了巖石地基BCC′B′所承受的極限荷載Pt的大小。

假定滑動極限平衡區位于樁基礎頂部附近，基礎底面以下巖石不計自重，滑動面成漏斗形，樁基礎荷載Pt為大主應力，其破裂角與水平面成δ=（45+？準/2）°的角度，？準為巖體內摩擦角，τm=0，σθ=0，P為地基側面超載，fR為巖體超載P的作用面積，fn為內聚力c的作用面積，fm為Pr0的作用面積，Pt為巖體極限承載力，δ為滑動面AB面與水平面的夾角，c為巖體內聚力。根據四邊形法則，將各受力投影在圖2中，其在fn方向的力平衡方程式如下：

5 巖石地基載荷試驗

巖石地基載荷試驗法是指在地基上部，即建筑基底標高處，通過逐級施加豎向壓力、豎向上拔力或水平推力，對應每級觀測地基土的相應沉降量、上拔量或水平位移量，根據所施加荷載與所發生位移的關系判定相應的地基承載力的一種方法。它是目前最廣泛、直接、可靠、準確的地基承載力特征值的確定方法，已被列入各種規范中，其最大的優點是模擬的受力條件比較接近實際情況。

地基承載力特征值按以下方法確定：

（1）取巖石地基載荷試驗成果的比例界限的前一級荷載為極限荷載；

（2）將滿足要求的極限荷載除安全系數3；

（3）除以安全系數3的巖石地基荷載值與比例界限的荷載值比較，取小值；

（4）場地試驗點不應少于3個，將3個點中的最小值作為巖石地基承載力特征值；

（5）巖石地基承載力特征值不進行深度和寬度修正。

6 巖石飽和單軸抗壓強度試驗

對于完整、較完整和較破碎的脆性巖石地基，考慮巖石內存在有顆粒邊界或微細裂紋，可按格里菲斯強度理論來求地基承載力。

7 案例分析

以貴州省貴陽市某工程項目為例，該工程項目為高層建筑物，其地基持力層選用三疊系中統關嶺組（T2g）白云巖，灰白色，塊狀結構，質硬性脆，發育有節理裂隙及方解石脈，巖體較破碎，巖體質量等級為Ⅳ級，中等風化。該巖石的力學指標如下：

（1）白云巖飽和單軸抗壓強度標準值frk=31.5MPa；

（2）白云巖抗剪指標為：粘聚力c=350kPa，內摩擦角？準=30°。

①按巖石地基局部破壞模式計算，即按式（7）計算。此時，巖塊單軸抗壓強度σc=frk=31.5MPa，經驗系數取值為：mb=0.7、S=0.004，a=0.5。將上述參數代入式（3）計算得到，巖石地基極限承載力σ1M=9.90MPa，將σ1M除以安全系數K（取K=3），得巖石地基承載力設計值為3.30MPa。

②按巖石地基整體剪切破壞模式計算，即按式（16）計算。將δ=（45+？準/2）°=60°，c=350kPa代入式（16），作為安全儲備，可忽略超載P的影響，則計算得到巖石地基的極限承載力為10.91MPa，再除以安全系數K（取K=3），得巖石地基承載力設計值為3.64MPa。

③根據室內飽和單軸抗壓強度，按《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011中式（5.2.6）確定（即fa=ψr·frk），取ψr=0.10，得巖石地基承載力特征值fa=3.15MPa。

④由計算結果可知，按巖石地基整體剪切破壞模式計算的地基承載力最大，按室內飽和單軸抗壓強度計算的巖石地基承載力最小，但三者數值的差異性較小，其原因在于規范所推薦的折減系數可選范圍較大，如果取小值，其地基承載力特征值是偏安全的。

8 結 論

（1）完整、較完整及較破碎的硬質巖石地基承載力的確定，首先推薦巖石地基載荷試驗，其最大的優點是模擬的受力條件與實際情況極為接近，但其試驗成本高，工期長的缺點也是顯而易見的，因此，難于在工程實踐中廣泛采用。但是，該方法目前依然是我國最可靠、最準確、最廣泛、最直接的地基承載力確定方法。

（2）目前，工程項目普遍采用巖石飽和單軸抗壓強度和折減系數法計算，主要是簡單便捷。但其缺陷較為明顯。

①巖石飽和單軸抗壓強度試驗，巖石試件處于無側限的單軸受力狀態，巖石抗壓強度值小于巖石地基載荷試驗值。

②巖石飽和單軸抗壓強度試驗取巖塊做試驗，巖石地基載荷試驗值取巖體做試驗，巖塊強度高于巖體強度，主要原因巖體中存在很多的隱裂隙。

③兩者可通過折減系數的取值進行調整，折減系數可由地方經驗確定。若無經驗，則根據巖體完整性程度，查表取值計算，并將成果值與已有的經驗數值進行對比，保證地基承載力特征值是安全的。

（3）硬質巖石地基在基礎的外部荷載作用下，其破壞模式既有局部剪切破壞模式，又有整體剪切破壞模式，是兩種剪切破壞模式并存的。

（4）Hoek-Brown強度準則按局部剪切破壞模式推導，極限平衡條件則按整體剪切破壞模式推導，從安全角度考慮，巖石地基的極限承載力取兩者數值的小值。

（5）Hoek-Brown強度準則中各參數及折減系數的選取，盡管確定參數及折減系數比較困難，但其理論充分，應用起來簡便快捷，有效保證巖石地基的安全性，對工程起到科學、安全、合理、節約的效果。

（6）巖石地基承載力特征值假設了一些邊界條件下推導出來的，但現實工程中，巖體受力影響因素復雜多變的，巖體裂隙發育規模、特征、大小、形態等不確定性因素太多。因此，在確定巖石地基承載力特征值時，必須考慮地基變形與強度兩個指標滿足規范要求，才能保證建筑物巖石地基不發生剪切破壞，也不發生不均勻沉降的不良地質現象，保證建筑物正常安全使用。

參考文獻

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收稿日期：2018-9-29