Question

桂林岩溶区石灰岩地基承载力确定的几个问题

Answer 1

2.7.1　桂林岩溶区岩石地基承载力确定常用方法

岩溶区的石灰岩，具有承载力高、压缩性低的特点，常常被选作为基础的地基持力层，尤其是桩基础的持力层。岩石地基承载力受地基中岩体破坏模式的影响，此外还受岩块强度、岩体结构面、岩溶形态（溶洞分布、顶板厚度）、基岩面起伏、基础类型、基础尺寸和形状等因素影响。目前，岩溶区岩石地基承载力的确定方法、手段和理论等都相对落后于实践，合理确定岩石地基承载力，无论从理论上还是实践的需要上，都显得十分必要。

2.7.1.1　岩基荷载试验法

岩基荷载法被认为是最可靠最直接的岩石地基承载力确定方法，但其成本较高，工期较长，难于在工程实践中推广。由于岩石地基承载力较高，一般来说，岩体基本质量等级为Ⅳ级和V级完整、较完整的软岩（极软岩），以及破碎、极破碎的岩石，或对地基承载力和地基变形有特殊要求时，可进行岩基荷载试验，并按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）附录H的要求来确定岩石地基承载力。

2.7.1.2　根据岩石室内饱和单轴抗压强度

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）规定，对于完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值，可根据室内饱和单轴抗压强度按式（2.18）确定，这也是当前工程勘察中最常用的方法。

2.7.1.3　查规范表格法

在原《建筑地基基础设计规范》（ GBJ 7—89）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 024—85）以及《铁路桥涵设计规范》等规范中，根据岩石软硬程度及风化程度，列出了岩石地基的承载力表。尽管规范承载力表方便简单，但其过于笼统，其按风化程度划分岩石地基承载力，跨度范围较大，例如，原《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7—89）以及一些地方规范规定，对于微风化硬质岩石，其承载力为大于或等于4000 kPa，再往上提承载力便没有依据，于是很多勘察单位对微风化石灰岩承载力保守地建议为4000 kPa，其实有些石灰岩的承载力远远大于4000 kPa。此外，对岩石中节理发育程度、产状等影响因素考虑不够。

2.7.2　石灰岩地基承载力确定的建议^[33]

桂林岩溶发育区的基岩大多为泥盆系融县组灰岩，岩石质纯层厚、致密坚硬，其中以微风化状态的石灰岩居多，许多建筑选此层作为桩端持力层。在桂林市的岩土工程勘察报告中，对微风化状态石灰岩的地基承载力特征值，目前大多建议为4000 kPa，这也是多年来一直形成的经验习惯，可能是缘于《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7—89）中附录五“土（岩）的承载力标准值”的规定，即微风化硬质岩石的承载力标准值≥4000kPa，而佳林泥盆系融县组石灰岩正好属于微风化硬质岩石，那么就取其下限值4000kPa。

对微风化状态石灰岩的地基承载力建议取值为4000kPa，在多数情况下，应该是偏保守的。根据桂林市已有的石灰岩饱和单轴抗压强度试验结果显示，大多数微风化石灰岩饱和单轴抗压强度f_rk值为30～80 MPa，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）的规定，岩石地基承载力特征值f_a＝ψ_r ·f_rk，桂林微风化状态石灰岩的岩体一般较完整，折减系数ψ_r可取0.2～0.5，由此可知，微风化灰岩的地基承载力应该在6000kPa以上。考虑到桂林不同场地石灰岩的差异性，依据岩石饱和单轴抗压强度试验结果，要求有足够的样品数量，才能保证结果的可靠性。若条件许可的话，建议进行岩基载荷试验，以获得相对可靠的结果，但在石灰岩地基进行载荷试验，目前在桂林基本上还是空白。

总体来说，桂林石灰岩地基承载力应当从岩溶发育程度和完整岩体厚度结合岩石的抗压强度来确定。前面讨论的是桂林地区广泛存在的微风化状态石灰岩的地基承载力，若对于强风化或中等风化状态石灰岩的地基承载力，则仍可参照《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7—89）中的规定，即强风化石灰岩的地基承载力为500～1000kPa，中等风化石灰岩的地基承载力为1500～2500kPa；当结合岩石饱和单轴抗压强度确定地基承载力特征值f_a时（即f_a＝ψ_r ·f_rk），ψ_r的取值范围较大，根据岩石完整程度取值为0.1～0.5，可见ψ_r对岩石地基承载力特征值fa的影响很大。因此，岩石的完整程度确定很重要，过去有人仅仅根据野外钻探的岩心完整情况来判断，带有人为主观性和不可靠性。其实，石灰岩的完整程度的准确确定，应该先测定岩体弹性纵波速度v_pm和岩石弹性纵波速度v_pr，得到岩体的完整性指数K _v值（

），然后按照《工程岩体分级标准》（GB 50218—94）的第3.4.4条规定确定；或者是根据岩体的体积节理数，按照该规范的规定确定，但其准确性要稍差。因此，在工程勘察中，尤其是采用石灰岩作为桩基础的持力层时，为准确确定石灰岩地基承载力特征值，建议进行石灰岩的声波测试工作。

2.7.3　岩石地基承载力的深度和宽度修正

以岩石地基作为地基持力层，岩石地基承载力是否需要进行深度和宽度的修正，规范中没有明确的规定，而在工程实践中，大多数采取不修正的保守做法。其实，岩石地基（岩体）的强度与围压有很大的关系，在三向受力情况下，其强度随着围压的增大而增大，对于这一点，无论从Hoek-Brown强度准则，还是其他各种适宜岩石的强度准则中均可得到说明。因此，只要岩石地基有一定的埋深，基础有一定的宽度，就应该考虑地基承载力深度和宽度的修正。具体可分为以下几种情况。

（1）若岩石地基承载力是岩基载荷试验确定，其试验的岩石位置应该是持力层所处位置，被施加荷载的岩体（地基）是处于三向受压状态，其所测的是实际的地基承载力或地基极限承载力。此时，试验的结果不需要进行深度和宽度的修正。

（2）若岩石地基承载力是根据室内饱和单轴抗压强度确定，或根据岩石的软硬程度和风化程度查有关规范表格确定。由于其均没有考虑三向受压的影响，其所得的岩石地基承载力应该进行基础深度和宽度的修正。

（3）若是根据计算所得岩石地基极限承载力，在计算过程中考虑了各种情况下的三向受压影响，因此最后结果不应进行深度和宽度的修正。

（4）有一点需说明的是，《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）规定：“桩端岩石承载力特征值，当桩端无沉渣时，应根据岩石饱和单轴抗压强度标准值确定，或按该规范附录H 用岩基载荷试验确定”。若按此理解，所得的桩端岩石承载力是不需要进行深宽修正，但若是根据岩石饱和单轴抗压强度标准值确定，还是应该进行深度和宽度的修正。

2.7.4　单桩竖向承载力特征值的估算

桂林岩溶区，常采用大直径端嵌灌注桩，并选用微风化石灰岩作为桩端持力层，当桩端嵌入较完整的硬质石灰岩时，可按下式估算单桩竖向承载力特征值：

R _a = q_pa ·A _p

式中：q_pa——桩端岩石承载力特征值（kPa）;

A_p——桩端横截面积（m²）。

嵌岩灌注桩桩端以下三倍桩径范围内应无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布；并应在桩底应力扩散范围内无岩体临空面。桩端岩石承载力特征值，当桩端无沉渣时，应根据岩石饱和单轴抗压强度标准值按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）确定，或按该规范附录H 用岩基载荷试验确定。受条件所限，目前在桂林岩溶区岩土工程勘察中很少采用岩基载荷试验确定。

2.7.5　几种特殊情况下岩溶岩石地基承载力^[34]

由于岩溶作用，岩溶地区的石灰岩常常形成各种各样的地形、地貌，例如溶洞、落水洞、鹰嘴岩以及基岩面起伏很大的陡岩面等。这类岩石地基对基础设计的影响很大，常常决定着地基基础的方案，也是令设计人员感到棘手的问题。

2.7.5.1　基岩面起伏大时岩石地基承载力

在石灰岩基岩面起伏很大的陡岩面等，例如在桂林地区，工程勘察中常可见到，相隔3 m 距离的两个钻孔，揭露石灰岩的基岩面高差达10 m 以上，几乎形成直立的陡崖，如图2.6。此时，由于桩基础一侧石灰岩靠近粘性土（N 区），基底M 区岩石发生剪切破坏并向N区挤压，其相互之间的作用力σ_3M ＝σ_1N =K₀ ·γh（K₀ 为粘性土静止土压力系数；γ为陡崖侧面粘性土重度；h为地面至桩底距离），粘性土之所以取静止土压力，是因为N区的粘性土若要产生被动土压力，则需要较大的位移，而M 区岩石发生剪切破坏向N区挤压时，不可能产生如此大的位移就已完全破坏。

图2.6 岩溶地基示意图Fig.2.6 Diagram for karst foundation

将σ_3M =K₀ ·γh代入Hoek-Brown强度准则式（2.8），得岩石地基极限承载力：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

图2.7 含溶洞地基示意图Fig.2.7 Diagram for rock foundation with cave

2.7.5.2　侧面存在溶洞时岩石地基承载力

在强岩溶发育区，当采用桩基础时，经常可遇到如图2.7的情形，桩底以下岩体完整，而一侧存在溶洞。此时，当桩基础基底以下M 区岩石发生剪切破坏并向N区挤压时，N区由于存在溶洞，此时，可分为以下两种情况：

（1）当桩侧BC面至溶洞的距离l有足够大，能够保证溶洞的稳定性（溶洞稳定性的验算，可参考含岩溶地基稳定性判别方法，相当于溶洞地基逆时针转了90°方向），此时可不考虑溶洞的影响，直接采用式（2.10）来确定岩石地基极限承载力σ_{1 M}，即

。

（2）当桩侧BC面至溶洞的距离较近，并有可能影响溶洞的稳定，使侧面溶洞挤压破坏时，不应该考虑N区对M 区产生挤压作用，取其相互之间的作用力σ_3M＝σ_1N =0，则岩石地基极限承载力为：

。

2.7.5.3　底面存在溶洞时岩石地基承载力

当桩基础底面以下存在溶洞时，此时岩溶地基稳定性是主要问题，当溶洞顶板有足够的厚度，不影响地基的稳定时，可直接采用式（2.10）确定岩石地基极限承载力；当溶洞顶板厚度不够并有可能导致岩溶塌陷时，此时桩基础应穿过溶洞至下伏完整石灰岩，或采取其他相关的地基处理措施。

2.7.5.4　结构面对岩石地基承载力的影响

岩体中结构面的存在，导致岩体具有各向异性的特点。一般来说，沿结构面产生剪切破坏时，岩体剪切强度最小，等于结构面的抗剪强度；而横切结构面剪切时，岩体强度受结构面影响较小。

以岩石地基整体剪切破坏模式情况为例，若岩体中发育结构面，则桩基础底面岩体的破裂有可能沿结构面破坏，此时，在图2.5a中，破裂面与水平面夹角δ并不一定为（45＋φ/2）°，而且在公式推导过程中所采用的抗剪强度c、φ值，也应该采用结构面的c、φ值指标（低于岩体的c、φ值），则计算得到的岩石地基的极限承载力值，将比完整岩体（无结构面时）要小。

岩体中发育有节理或结构面，将导致岩体更破碎。根据室内饱和单轴抗压强度，按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）的公式f _a＝ψ_r ·f_rk计算时，由于ψ_r的取值变小，得到的岩石地基承载力特征值fa也将变小；当根据岩石地基局部破坏模式情况按式（2.10）计算时，由于结构面的存在，将使m、s取值变低，计算得到的地基极限承载力也将明显降低。

由此可见：岩溶地形地貌、溶洞特征、基岩面起伏等因素，将会影响岩石地基的承载力。