Question

岩溶区岩石地基承载力的确定

Answer 1

岩溶地区的石灰岩，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)、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、手段和理论等都相落后于实践，合理确定岩石地基承载力，显得十分必要。

4.2.1 岩溶区岩石地基承载力确定的常用方法

4.2.1.1 岩基载荷试验法

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，可进行岩基载荷试验，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。

4.2.1.2 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 第5.2.6条规定，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该规范的式(5.2.6)确定，这也是当前工程勘察中最常用的方法。

4.2.1.3 查规范表格法

在原《建筑地基基础设计规范》GBG7—89、《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ024—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》GBG7—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4000kPa，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一律建议为4000kPa，其实有些石灰岩的承载力远远大于4000kPa。此外，对岩石中节理发育程度、产状等影响因素考虑不够。

4.2.1.4 根据Hoek-Brown 强度准则确定

剪切破坏模式是最常见的岩基破坏模式。Landanyi(1972年)曾对脆性无孔隙岩石施加荷载时破坏的过程进行了详细的描述。当达到某一荷载使裂缝开始出现以后，继续加荷便会使裂缝扩展；随着荷载的加大，岩体开裂成很多片状体和楔形体，并在荷载进一步增加时被压屈和压碎^[41]。由于剪胀，使受载面下的开裂破碎岩石向外扩展，最终发展为剪切破坏。岩石地基在基础荷载的作用下，基础底面下方岩体压碎破坏，同时还对周围岩体进行挤压。此时，岩石地基承载力可根据Hoek-Brown强度准则按下列方法确定^[42，43]。

图4-1 岩石地基破碎挤压示意图

Fig.4-1 Diagram for failure and compression of rock foundation

岩石地基在基础荷载的作用下，地基产生挤压破坏，表现为主动区 M 对被动区 N产生挤压(图4-1)，楔形体ABC在BC面附近的岩体产生挤压破坏，可将地基下岩体划分为主动区M和被动区N并进行极限平衡分析，假定基础纵向无限延伸，且忽略两个区岩石本身的重量，此时两个区的受力条件类似于三轴试验条件下的岩石试件。对于主动区M，其大主应力为基础底面压力，小主应力为水平方向由被动区N所提供的约束力；对于被动区N，其大主应力为水平方向由主动区M所提供的推力。

在基础荷载的作用下，图4-1中两个滑动面上的剪应力同时达到其抗剪强度，地基岩体处于极限平衡状态，此时作用的荷载即为极限荷载，基础基底压力即为极限承载力。M区的小主应力σ_3M与N区的大主应力σ_1N是一对作用力与反作用力，其大小等于岩体的单轴抗压强度。岩体在三向受压状态下的强度可以由Hoek-Brown强度准则确定，表示为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：σ₁、σ₃为破坏时的最大、最小主应力(压力为正)；σ_c为岩块单轴抗压强度；m、s为经验系数，m 反映岩石的软硬程度，s 反映岩体破碎程度，可参照 Hoek-Brown 建议值。

N区的单轴抗压强度，只要令σ₃=0，得

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

若N区存在周围超载p时，则

作为安全储备，可忽略超载p的影响，直接将

代入式(4-4)，就可得到M区的大主应力，也即是地基极限承载力σ_1M

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

4.2.2 含溶洞岩石地基承载力

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，例如形成溶洞、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，其地基承载力的确定如下。

4.2.2.1 溶洞塌陷岩石地基承载力

岩溶地区石灰岩中含有溶洞，由于各种因素往往易产生溶洞塌陷，基岩面形成起伏很大的陡立岩面。例如在桂林地区，工程勘察中常可见到这样的情形，相隔3m距离的两个钻孔，揭露石灰岩的基岩面高差达10m以上，几乎形成直立的陡崖(图4-2a)。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。

将σ_3M=K₀·γh代入Hoek-Brown强度准则式(4-4)，得岩石地基极限承载力：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

图4-2 地基示意图

Fig.4-2 Diagram for foundation

4.2.2.2 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4-2b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i有足够的距离，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°)，此时可不考虑溶洞的影响，直接采用式(4-6)来确定岩石地基极限承载力σ_1M，即σ_1M=

。

(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，此时，不应该考虑N区对M区产生挤压作用的有利因素，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σ_1M为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

4.2.2.3 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(4-6)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。

4.2.3 岩石地基承载力的深度和宽度修正探讨

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，还是其它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(除于安全系数得到地基承载力)，因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第8.5.5条第4款规定：“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按本规范5.2.6条确定，或按本规范附录H用岩基载荷试验确定”。根据该条所得到的桩端岩石承载力特征值A_P，是用来该规范中按式(8.5.5-1)和式(8.5.5-2)计算单桩竖向承载力特征值R_a，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按该规范5.2.6条确定，还是应该进行深度和宽度的修正。