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1、第第9章章 岩石力学在基础工程中的应用岩石力学在基础工程中的应用9.1 岩基的类型及其应力分布特征岩基的类型及其应力分布特征 9.1.1 岩基的类型岩基的类型 直接承受上部建筑物荷载作用的那部分土体或岩体称为地基。直接承受上部建筑物荷载作用的那部分土体或岩体称为地基。根据承载的特点，通常可将地基分为两种类型：承受垂直荷载的根据承载的特点，通常可将地基分为两种类型：承受垂直荷载的地基，一般工业民用建筑物的地基都是属于这种类型；承受斜向地基，一般工业民用建筑物的地基都是属于这种类型；承受斜向荷载荷载(同时承受垂直荷载与水平荷载同时承受垂直荷载与水平荷载)的地基，各类挡水建筑物，的地基，各类挡水建筑
2、物，如闸、坝等的地基属此类。如闸、坝等的地基属此类。承受垂直荷载的地基，大多都是承受垂直荷载的地基，大多都是“软基软基”，这类地基的变形、，这类地基的变形、破坏机制和稳定性评价原理是土力学课程讨论的内容，这里不做破坏机制和稳定性评价原理是土力学课程讨论的内容，这里不做详述，根据本课程的需要仅指出有关问题的一般特点。详述，根据本课程的需要仅指出有关问题的一般特点。承受斜向荷载的坝基与上部挡水建筑物之间有着复杂的相互承受斜向荷载的坝基与上部挡水建筑物之间有着复杂的相互作用，因而在变形、破坏特点和稳定性评价方面，这类地基存在作用，因而在变形、破坏特点和稳定性评价方面，这类地基存在许多特殊问题。许多特
3、殊问题。9.1.2 岩基的应力分布特征岩基的应力分布特征1.垂互荷载作用下地基内的应力分布垂互荷载作用下地基内的应力分布图图9.1 条形均布荷载作用下地基内任一点的附加主应力条形均布荷载作用下地基内任一点的附加主应力 由上述公式所反映的地基内最大主应力等值线的分布如图由上述公式所反映的地基内最大主应力等值线的分布如图9.2(a)所所示。从图中可以看出，每一条等值线都是一个以基础底边为弦的圆弧，示。从图中可以看出，每一条等值线都是一个以基础底边为弦的圆弧，这正是式这正是式(9.1)所代表的情况。所代表的情况。层状结构地基内的应力分布与前述的均质地基的情况截然不同；图层状结构地基内的应力分布与前述
4、的均质地基的情况截然不同；图9.2(b)和和9.2(c)所示的，就是条形荷载作用下层状结构地基内最大主应力所示的，就是条形荷载作用下层状结构地基内最大主应力等值线的分布情况，它表明以下两点：等值线的分布情况，它表明以下两点：（1）分割岩体的软弱结构面）分割岩体的软弱结构面(如节理、层面裂隙等如节理、层面裂隙等)，由于其抗剪强度，由于其抗剪强度低，限制着应力向两侧传递、扩展，致使附加应力在所限岩体内集中。低，限制着应力向两侧传递、扩展，致使附加应力在所限岩体内集中。在这种情况下，附加应力可以顺沿在这种情况下，附加应力可以顺沿“层理层理”方向延展到很大的深度。分方向延展到很大的深度。分割岩体的软弱
5、结构面的抗剪强度愈低，上述效应愈明显。割岩体的软弱结构面的抗剪强度愈低，上述效应愈明显。（2）层状结构地基内应力分布的特点，与软弱结构面的产状有密切）层状结构地基内应力分布的特点，与软弱结构面的产状有密切关系关系(图图9.2)。当分割岩体的软弱结构面直立时，基础下岩体内的应力集。当分割岩体的软弱结构面直立时，基础下岩体内的应力集中程度最高，应力与形变区延展的深度也最大中程度最高，应力与形变区延展的深度也最大(图图9.2(a)。当软弱结构面。当软弱结构面倾斜产出时，地基内往往有两个高值最大主应力方向，顺沿软弱结构面倾斜产出时，地基内往往有两个高值最大主应力方向，顺沿软弱结构面的方向，应力集中程度
6、较高，垂直软弱结构面的方向次之，且两者相对的方向，应力集中程度较高，垂直软弱结构面的方向次之，且两者相对大小随软弱结构面的陡缓而异大小随软弱结构面的陡缓而异(图图9.2(b)。当软弱结构面近水平分布时，。当软弱结构面近水平分布时，基础下的应力集中程度则相对较低，如图基础下的应力集中程度则相对较低，如图9.2(c)所示。所示。图图9.2 条形基础下地基内的应力分布条形基础下地基内的应力分布(a)均质地基；均质地基；(b)各向异性的陡立层状岩石地基；各向异性的陡立层状岩石地基；(c)各向异性的倾斜层状岩石地基各向异性的倾斜层状岩石地基 2斜向荷载作用下地基内的应力分布斜向荷载作用下地基内的应力分布
7、 各类挡水建筑物的地基所承受的都是斜向荷载。它实际上是各类挡水建筑物的地基所承受的都是斜向荷载。它实际上是垂直荷载与水平荷载两者合成的结果。垂直荷载与水平荷载两者合成的结果。一般认为，坝基所承受的垂直荷载呈三角形分布，即在上游一般认为，坝基所承受的垂直荷载呈三角形分布，即在上游坝趾处垂直荷载为零，然后线性增大，至下游坝趾处达最大值坝趾处垂直荷载为零，然后线性增大，至下游坝趾处达最大值(图图9.3(a)。垂直荷载的这种三角形分布，是坝重及库水推力所造成。垂直荷载的这种三角形分布，是坝重及库水推力所造成的力偶共同作用的结果。的力偶共同作用的结果。图图9.3 计算岩石坝基内应力的简化方法计算岩石坝基
8、内应力的简化方法 图图9.4 由垂直的三角形荷载引起的由垂直的三角形荷载引起的水平应力水平应力 的分布的分布 图图9.5由水平的三角形荷载引起的由水平的三角形荷载引起的水平应力水平应力 的分布的分布 图图9.6 重力坝坝基内水平拉应力区的分布重力坝坝基内水平拉应力区的分布9.2 岩基变形与沉降计算岩基变形与沉降计算 对于许多岩石地基工程而言，可以将岩石看作是一种各向同性的弹对于许多岩石地基工程而言，可以将岩石看作是一种各向同性的弹性材料；当有上部建筑物荷载作用时，地基沉降瞬时完成，即没有时间性材料；当有上部建筑物荷载作用时，地基沉降瞬时完成，即没有时间效应。在这种条件下，可以利用弹性理论计算地
9、基的沉降值。根据完整效应。在这种条件下，可以利用弹性理论计算地基的沉降值。根据完整岩石和结构面的性质，可以将岩石地基的沉降分为以下三种类型：岩石和结构面的性质，可以将岩石地基的沉降分为以下三种类型：（1）由岩石本身的变形、结构面的闭合与变形以及少数黏土夹层的）由岩石本身的变形、结构面的闭合与变形以及少数黏土夹层的压缩三个部分组合形成的地基沉降。当地基岩体比较完整、坚硬，且含压缩三个部分组合形成的地基沉降。当地基岩体比较完整、坚硬，且含有的黏土夹层较薄时有的黏土夹层较薄时(小于几个毫米小于几个毫米)，则可以认为其沉降是弹性的，也就，则可以认为其沉降是弹性的，也就是说可以利用弹性理论计算地基沉降值
10、。这种方法的适用范围包括均质、是说可以利用弹性理论计算地基沉降值。这种方法的适用范围包括均质、各向同性岩石地基，成层岩石地基和横观各向同性岩石地基。各向同性岩石地基，成层岩石地基和横观各向同性岩石地基。（2）由于岩石块体沿结构面剪切滑动产生的地基沉降。绝大多数这）由于岩石块体沿结构面剪切滑动产生的地基沉降。绝大多数这种情况发生在基础位于岩石边坡顶部，且边坡岩体中存在潜在滑动的块种情况发生在基础位于岩石边坡顶部，且边坡岩体中存在潜在滑动的块体。体。（3）与时间有关的地基沉降。这种沉降主要发生在软弱岩石地基和）与时间有关的地基沉降。这种沉降主要发生在软弱岩石地基和脆性岩石地基中；当地基岩体包含有一
11、定厚度的黏土夹层时，也会有此脆性岩石地基中；当地基岩体包含有一定厚度的黏土夹层时，也会有此类沉降发生。类沉降发生。9.2.1 弹性岩石地基弹性岩石地基表表9.1 基础形状和计算位置相关的沉降计算系数基础形状和计算位置相关的沉降计算系数 图图9.7 不同地质条件下岩石地基的沉降计算不同地质条件下岩石地基的沉降计算(a)均质、各向同性；均质、各向同性；(b)可压缩性岩层下卧有刚性岩层；可压缩性岩层下卧有刚性岩层；(c)坚硬的地基岩体中有厚度不大的可压缩夹层；坚硬的地基岩体中有厚度不大的可压缩夹层；(d)上部为刚性岩层下部为可压缩性岩层；上部为刚性岩层下部为可压缩性岩层；(e)倾斜岩层；（倾斜岩层；
12、（f）横观各向同性岩石）横观各向同性岩石 表表9.2 基础形状和计算位置相关的沉降计算系数基础形状和计算位置相关的沉降计算系数 9.2.2 横观各向同性岩石地基横观各向同性岩石地基图图9.8 正交节理岩体沉降计算模型正交节理岩体沉降计算模型 9.3 岩石地基的承载力岩石地基的承载力 地基承载力是指地基单位面积上承受荷载的能力，一般分为地基承载力是指地基单位面积上承受荷载的能力，一般分为极限承载力和容许承载力。地基处于极限平衡状态时，所能承受极限承载力和容许承载力。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。在保证地基稳定的条件下，建筑物的沉的荷载即为极限承载力。在保证地基稳定的条件下
13、，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。对一些岩石地基来说，其岩石强度高于混凝采用的容许承载力。对一些岩石地基来说，其岩石强度高于混凝土强度，因此岩石的承载力就显得毫无意义了。然而，我们发现土强度，因此岩石的承载力就显得毫无意义了。然而，我们发现岩石地基的承载力通常与场地的地质构造有紧密联系，在下面的岩石地基的承载力通常与场地的地质构造有紧密联系，在下面的内容里将主要介绍破碎风化岩体、缓倾结构面岩体、成层岩体及内容里将主要介绍破碎风化岩体、缓倾结构面岩体、成层岩体及岩溶地基等各种地质条件下的岩
14、石地基承载力确定方法。岩溶地基等各种地质条件下的岩石地基承载力确定方法。9.3.1 规范方法规范方法完整程度等级完整程度等级完整完整较完整较完整较破碎较破碎破碎破碎极破碎极破碎完整性系数完整性系数0.750.750.550.550.350.350.150.15表表9.4 岩体完整程度划分岩体完整程度划分 名称名称结构面组数结构面组数控制性结构面平均间距控制性结构面平均间距(m)代表性结构类型代表性结构类型完整完整121.0整状结构整状结构较完整较完整230.41.0块状结构块状结构较破碎较破碎30.20.4镶嵌状结构镶嵌状结构破碎破碎30.2碎裂状结构碎裂状结构极破碎极破碎无序无序散体状结构散
15、体状结构表表9.5 岩体完整程度划分（缺乏试验数据）岩体完整程度划分（缺乏试验数据）9.3.2 破碎岩体的地基承载力破碎岩体的地基承载力图图9.9 破碎岩石地基楔形滑动示意图破碎岩石地基楔形滑动示意图9.3.3 具有深埋的基础具有深埋的基础9.3.4 承载力系数承载力系数图图9.10 埋深为零时的承载力系数埋深为零时的承载力系数 图图9.11 边坡岩石地基的承载力系数边坡岩石地基的承载力系数 9.3.5 边坡岩石地基边坡岩石地基9.3.6 缓倾结构面岩石地基的承载力缓倾结构面岩石地基的承载力 图图9.12 缓倾正交结构面岩石地基楔形滑动示意图缓倾正交结构面岩石地基楔形滑动示意图 9.3.7 双
16、层岩石地基承载力双层岩石地基承载力图图9.13 双岩石地基破坏模式双岩石地基破坏模式(a)冲切破坏；冲切破坏；(b)拆断破坏；拆断破坏；(c)弯曲破坏弯曲破坏 9.3.8 岩溶地基承载力岩溶地基承载力 由于岩溶地区工程地质条件的复杂性，其基础工程设计极具由于岩溶地区工程地质条件的复杂性，其基础工程设计极具挑战性。在岩溶地区发生过不少地基失效的工程事故，这些事故挑战性。在岩溶地区发生过不少地基失效的工程事故，这些事故发生的原因主要有两个方面，一是在工程选址阶段没有探查到地发生的原因主要有两个方面，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；二是没有充分基范围内的洞穴
17、，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。因此，相应地，岩溶地考虑到洞穴对地基承载力和沉降的影响。因此，相应地，岩溶地区成功的基础工程设计应该充分考虑到上述两个方面的原因。首区成功的基础工程设计应该充分考虑到上述两个方面的原因。首先，必须查清洞穴所在的位置，工程能避开的话尽量避开；其次，先，必须查清洞穴所在的位置，工程能避开的话尽量避开；其次，确实不能避开时，应该确定存在洞穴时岩溶地基的承载力，当承确实不能避开时，应该确定存在洞穴时岩溶地基的承载力，当承载力不足时，则采取一些有效的工程措施进行治理。载力不足时，则采取一些有效的工程措施进行治理。岩溶地基稳定性
18、评价，是指通过勘察查明建筑场地的岩溶发岩溶地基稳定性评价，是指通过勘察查明建筑场地的岩溶发育和分布特征，在此基础上合理地进行建筑场地选择。图育和分布特征，在此基础上合理地进行建筑场地选择。图9.14给给出了岩溶地基上的一系列梁板跨越式基础。出了岩溶地基上的一系列梁板跨越式基础。也可以利用换填法治理岩溶地基。也可以利用换填法治理岩溶地基。还可以利用强夯法提高岩溶地基的承载力，这种方法主要适还可以利用强夯法提高岩溶地基的承载力，这种方法主要适用于洞穴垂直高度有限的岩溶地基。用于洞穴垂直高度有限的岩溶地基。对于规模较大的洞穴，还可以利用桩基础进行处理。对于规模较大的洞穴，还可以利用桩基础进行处理。图
19、图9.14 岩溶地基的治理措施岩溶地基的治理措施 9.4 岩基的抗滑稳定分析岩基的抗滑稳定分析 当岩基受到有水平方向荷载作用后，由于岩体中存在节理及软当岩基受到有水平方向荷载作用后，由于岩体中存在节理及软弱夹层，因而增加了岩基滑动的可能。实践表明，坚硬岩基滑动破弱夹层，因而增加了岩基滑动的可能。实践表明，坚硬岩基滑动破坏的形式不同于松软地基。前者的破坏往往受到岩体中的节理、裂坏的形式不同于松软地基。前者的破坏往往受到岩体中的节理、裂隙、断层破碎带以及软弱结构面的空间方位及其相互间的组合形态隙、断层破碎带以及软弱结构面的空间方位及其相互间的组合形态所控制。由于岩基中天然岩体的强度，主要取决于岩体
20、中各软弱结所控制。由于岩基中天然岩体的强度，主要取决于岩体中各软弱结构面的分布情况及其组合形式，而不决定于个别岩石块体的极限强构面的分布情况及其组合形式，而不决定于个别岩石块体的极限强度。因此，在探讨坝基的强度与稳定性时首先应当查明岩基中的各度。因此，在探讨坝基的强度与稳定性时首先应当查明岩基中的各种结构面与软弱夹层位置、方向、性质，以及搞清它们在滑移过程种结构面与软弱夹层位置、方向、性质，以及搞清它们在滑移过程中所起的作用。中所起的作用。根据过去岩基失事的经验以及室内模型试验的情况来看，大坝根据过去岩基失事的经验以及室内模型试验的情况来看，大坝失稳形式主要有两种情况：第一种情况是岩基中的岩体
21、强度远远大失稳形式主要有两种情况：第一种情况是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。第二种情况是在岩基内部存在着节理、裂隙和软弱表层滑动破坏。第二种情况是在岩基内部存在着节理、裂隙和软弱夹层，或者存在着其他不利于稳定的结构面。在此情况下岩基容易夹层，或者存在着其他不利于稳定的结构面。在此情况下岩基容易产生深层滑动。除了上述两种破坏形式之外，有时还会产生所谓混产生深层滑
22、动。除了上述两种破坏形式之外，有时还会产生所谓混合滑动的破坏形式。合滑动的破坏形式。目前评价岩基抗滑稳定，一般仍采用稳定系数分析法。目前评价岩基抗滑稳定，一般仍采用稳定系数分析法。9.4.1 坝基接触面或浅层的抗滑稳定坝基接触面或浅层的抗滑稳定(图图9.15)图图9.15 坝基接触面或浅层的抗滑计算坝基接触面或浅层的抗滑计算 9.4.2 岩基深层的抗滑稳定岩基深层的抗滑稳定图图7-16单斜面的深层滑动单斜面的深层滑动(a)滑面倾向上游；滑面倾向上游；(b)滑面倾向下游滑面倾向下游 图图9.17 双斜面的深层滑动双斜面的深层滑动 9.5 岩基的加固岩基的加固 建建(构构)筑物的地基，长期埋藏于地
23、下，在整个地质历史中，筑物的地基，长期埋藏于地下，在整个地质历史中，它遭受了地壳变动的影响，使岩体存在着褶皱、破裂和折断等现它遭受了地壳变动的影响，使岩体存在着褶皱、破裂和折断等现象，直接影响到建象，直接影响到建(构构)筑物地基的选用。对于要求高的建筑物地基的选用。对于要求高的建(构构)筑物筑物来说，首先在选址时就应该尽量避开构造破碎带、断层、软弱夹来说，首先在选址时就应该尽量避开构造破碎带、断层、软弱夹层、节理裂隙密集带、溶洞发育等地段，将建层、节理裂隙密集带、溶洞发育等地段，将建(构构)筑物选在最良筑物选在最良好的岩基上。但实际上，任何地区都难找到十分完美的地质条件，好的岩基上。但实际上，
24、任何地区都难找到十分完美的地质条件，多少存在着这样或那样的缺陷。因此，一般的岩基都需要有一定多少存在着这样或那样的缺陷。因此，一般的岩基都需要有一定的人工处理，方能确保建的人工处理，方能确保建(构构)筑物的安全。筑物的安全。处理过的岩基应该达到如下的要求：处理过的岩基应该达到如下的要求：（1）地基的岩体应具有均一的弹性模量和足够的抗压强度。）地基的岩体应具有均一的弹性模量和足够的抗压强度。尽量减少建尽量减少建(构构)筑物修建后的绝对沉降量。要注意减少地基各部筑物修建后的绝对沉降量。要注意减少地基各部位间出现的拉应力和应力集中现象，使建筑物不致遭受倾覆、滑位间出现的拉应力和应力集中现象，使建筑物
25、不致遭受倾覆、滑动和断裂等威胁。动和断裂等威胁。（2）建）建(构构)筑物的基础与地基之间要保证结合紧密，有足够筑物的基础与地基之间要保证结合紧密，有足够的抗剪强度，使建的抗剪强度，使建(构构)筑物不致因承受水压力、土压力、地震力筑物不致因承受水压力、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。或其他推力，沿着某些抗剪强度低的软弱结构面滑动。（3）如为坝基，则要求有足够的抗渗能力，使库体蓄水后不）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。基不稳。为了达到
26、上述的要求，一般采用如下处理方法：为了达到上述的要求，一般采用如下处理方法：（1）当岩基内有断层或软弱带或局部破碎带时，则需将破碎）当岩基内有断层或软弱带或局部破碎带时，则需将破碎或软弱部分，采用挖、掏、填或软弱部分，采用挖、掏、填(回填混凝土回填混凝土)的处理。的处理。（2）改善岩基的强度和变形，进行固结灌浆以加强岩体的整）改善岩基的强度和变形，进行固结灌浆以加强岩体的整体性，提高岩基的承载能力，达到防止或减少不均匀沉降的目的。体性，提高岩基的承载能力，达到防止或减少不均匀沉降的目的。固结灌浆是处理岩基表层裂隙的最好方法，它可使基岩的整体弹固结灌浆是处理岩基表层裂隙的最好方法，它可使基岩的整
27、体弹性模量提高性模量提高12倍，对加固岩基有显著的作用。倍，对加固岩基有显著的作用。（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）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。力学强度。（4）如为坝基，由于蓄水后会造成坝底扬压力和坝基渗漏，）如为坝基，由于蓄水后会造成坝底扬压力和坝基渗漏，为此，需在坝基上游灌浆，做一道密实的防渗帷幕，并在帷幕上为此，需在坝基上游灌浆，做一道密实的防渗帷幕，并在帷幕上加设排水孔或排水廊道使坝基的渗漏量减少，扬压力降低，排除加设排水孔或排水廊道使坝基的渗漏量减少，扬压力降低，排除管涌等现象。帷幕灌浆一般用水泥浆或黏土浆灌注，有时也用热管涌等现
28、象。帷幕灌浆一般用水泥浆或黏土浆灌注，有时也用热沥青灌注。沥青灌注。（5）开挖和回填是处理岩基的最常用方法，对断层破碎带、）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。若其位于表层，一般采用明挖，软弱夹层、带状风化等较为有效。若其位于表层，一般采用明挖，局部的用槽挖或洞挖等，务必使基础位于比较完整的坚硬岩体上。局部的用槽挖或洞挖等，务必使基础位于比较完整的坚硬岩体上。如遇破碎带不宽的小断层，可采用如遇破碎带不宽的小断层，可采用“搭桥搭桥的方法，以跨过破碎带。的方法，以跨过破碎带。对一般张开裂隙的处理，可沿裂隙凿成宽缝，用键槽回填混凝土。对一般张开裂隙的处理，可
29、沿裂隙凿成宽缝，用键槽回填混凝土。复习思考题复习思考题 9.1 岩石地基工程有哪些特征？岩石地基工程有哪些特征？9.2 岩石地基设计应满足哪些原则？岩石地基设计应满足哪些原则？9.3 岩石地基上常用的基础型式有哪几种？地基破坏模式有哪些？岩石地基上常用的基础型式有哪几种？地基破坏模式有哪些？9.4 确定岩石地基中应力分布的意义是什么？确定岩石地基中应力分布的意义是什么？9.5 根据完整岩石和结构面的性质，可以将岩石地基的沉降分为哪三根据完整岩石和结构面的性质，可以将岩石地基的沉降分为哪三种类型？种类型？9.6 岩石地基承载力的确定应考虑哪些因素？主要有哪几种方法？岩石地基承载力的确定应考虑哪些因素？主要有哪几种方法？9.7 岩石地基加固常用的方法有哪些？岩石地基加固常用的方法有哪些？