2019巖土工程師基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn):巖基淺基礎(chǔ)的承載力計(jì)算
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巖基淺基礎(chǔ)的承載力計(jì)算
巖基應(yīng)力即使在彈性應(yīng)力范圍內(nèi),也能使巖基發(fā)生一定量的變形。實(shí)際工程中,巖基的變形不僅由彈性變形組成,而且由巖石本身的塑性變形或節(jié)理裂隙的張開和閉合,甚至沿節(jié)理裂隙發(fā)生剪切破壞而引起較大的剪切滑移組成。因此,這些不同的組合導(dǎo)致建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)不同程度的沉降。為此,巖基的承載能力是巖基工程最需要的參數(shù)。
(一)巖基的允許承載力計(jì)算
地基巖體的允許壓力取決于巖基的變形和穩(wěn)定(極限平衡)以及與基礎(chǔ)混凝土的允許應(yīng)力所相對(duì)應(yīng)的巖體表面上的最大壓力。對(duì)于大的荷載或較堅(jiān)硬的節(jié)理巖體,穩(wěn)定可能成為設(shè)計(jì)的控制因素。但就一般巖體來說,對(duì)基礎(chǔ)下巖體的變形的限制常常比對(duì)穩(wěn)定的控制有更高的要求。各類建(構(gòu))筑物的沉降量和差異沉降的大小都有一定的限制值,基礎(chǔ)下巖體的變形應(yīng)滿足這種限制的要求。
【例題10】下列哪些不屬于地基巖體允許壓力的取決條件()。
A. 巖基的變形
B. 巖基的穩(wěn)定(極限平衡)
C. 混凝土抗壓強(qiáng)度
D. 基礎(chǔ)混凝土的允許應(yīng)力所相對(duì)應(yīng)的巖體表面上的最大壓力
答案:C
確定巖基的允許承載力有兩種比較可靠的方法,一種是試驗(yàn)法,目前采用比較多的是現(xiàn)場荷載試驗(yàn)法。在現(xiàn)場進(jìn)行巖體的靜荷載抗壓試驗(yàn)是非常有實(shí)用價(jià)值的,它可以不需對(duì)巖體的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)分別進(jìn)行估計(jì),按照建(構(gòu))筑物的要求及當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造條件就可直接確定允許承載力。但是,現(xiàn)場荷載試驗(yàn)費(fèi)用比較昂貴,且由于荷載點(diǎn)數(shù)量少時(shí),因地質(zhì)環(huán)境條件的不同就不能代表整個(gè)地基有效范圍內(nèi)巖體的承載力。另一種方法是力學(xué)計(jì)算法,一般多采用基礎(chǔ)下巖體的極限平衡條件計(jì)算其承載力。但是,由于基礎(chǔ)下巖體的破壞模式的復(fù)雜性和多樣性,因而計(jì)算其承載力有較大難度,很難給出一個(gè)通用公式。
【例題11】常用的確定巖基的允許承載力的可靠方法是()。
A. 點(diǎn)載荷試驗(yàn)法
B. 靜載荷試驗(yàn)法
C. 動(dòng)力觸探法
D. 室內(nèi)試驗(yàn)法
答案:B
1.基礎(chǔ)下壓碎巖體的承載力
哥德曼(R.E.Goodman)對(duì)圖17-2-8中各種基腳巖體破壞模式的巖基承載力計(jì)算,確定出了一個(gè)計(jì)算原則。他認(rèn)為圖17-2-8(a)發(fā)展至圖17-2-8(c)的破壞模式,在條形基礎(chǔ)下破碎巖石區(qū)[圖17-2-12(b)]內(nèi)的側(cè)向膨脹引起其任一側(cè)的巖體內(nèi)發(fā)生輻射狀裂縫?;A(chǔ)下巖體己遭到破壞后的破碎巖石強(qiáng)度可如圖17-2-12(a)中的破壞包絡(luò)線1所示。而破壞較少的鄰近區(qū)[圖17-2-12(b)中的B區(qū)],其巖體強(qiáng)度包絡(luò)線2的強(qiáng)度高于破碎巖體強(qiáng)度包絡(luò)線1。在A區(qū),由于巖體破裂和側(cè)向擴(kuò)容,給相鄰巖體B區(qū)施壓。這時(shí),可以認(rèn)為支承基腳巖體的最大水平應(yīng)力是Pn,它可由相鄰巖體(B區(qū))的單軸抗壓強(qiáng)度來確定。這個(gè)應(yīng)力給出
了與基腳下破碎巖石的強(qiáng)度包絡(luò)線相切的莫爾應(yīng)力圖的下限。由圖17-2-12(a)可知,根據(jù)B區(qū)的強(qiáng)度包絡(luò)線可確定Pn的大小。進(jìn)而,根據(jù)破碎巖體的強(qiáng)度包絡(luò)線,也就能求得承載力qf的大小。從圖17-2-12的破壞模式可認(rèn)為,均質(zhì)不連續(xù)巖體的承載力不會(huì)小于基腳周圍巖體的單軸抗壓強(qiáng)度。而且,可以把單軸抗壓強(qiáng)度取為承載力的下限。若已知巖體的內(nèi)摩擦角Φ和單軸抗壓強(qiáng)度qu,則承載力qf可按17-2-27和17-2-28確定。
【例題12】某高層建筑基礎(chǔ)位于基巖上,已知基巖的單軸抗壓強(qiáng)度為30Mpa,混凝土強(qiáng)度滿足要求,則基礎(chǔ)下壓碎巖體的承載力的下限取值為()Mpa 。
A. 10
B. 15
C. 30
D. 60
答案:C
【例題13】已知某巖體的內(nèi)摩擦角為30°,其飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30Mpa,則該巖體的壓碎承載力為()Mpa。
A. 15
B. 30
C. 60
D. 120
答案:D
2.基礎(chǔ)下剪壞巖體的承載力
在圖17-2-10、圖17-2-11和圖17-2-8(c),(e)等圖中,基礎(chǔ)下的巖體存在剪切破壞面,使巖基出現(xiàn)楔形滑體。剪切面可為弧面和直平面,而在巖體中,大多數(shù)為近平直面形。因而在計(jì)算極限承載力時(shí),一般采用平直剪切面的楔體進(jìn)行穩(wěn)定分析。
設(shè)在半無限體上作用著b寬度的條形均布荷載qf(圖17-2-13),為了便于計(jì)算,作如下假設(shè):①破壞面由兩個(gè)互相直交的平面組成;②荷載qf的作用范圍很長,以致可以忽略平行于紙面的端部阻力;③在承載平面(即qf作用的平面)上不存在剪力;④對(duì)于每個(gè)楔體,可以采用平均的體積力。
我們將圖17-2-13(a)的巖基分為兩個(gè)楔體,即x楔和y楔體[圖17-2-13(b)及(c)]。在x楔體上,由于y楔體因受破壞應(yīng)力qf的作用,產(chǎn)生一水平正應(yīng)力σ1,作用于x楔體,這是x楔體的最大主應(yīng)力。σ3是由于重力而產(chǎn)生的作用在x楔體上的體積應(yīng)力,這是最小主應(yīng)力。在與該楔體最大主平面成σ或(450+Φ/2)角的破壞平面上,有應(yīng)力分量σx和τz。如果在該平面上只存在摩擦阻力,最后一項(xiàng)的值遠(yuǎn)小于式中其他各項(xiàng),可以將其略去。如果在承載壓力分附近的表面上還作用有一個(gè)附加壓力q,即在x楔體上作用的σ3為
【例題14】對(duì)于基礎(chǔ)以下剪壞巖體的極限承載力,可用公式qf=0.5rbNr+cNc+qNq進(jìn)行求解,式中的承載力系數(shù)Nr、Nc、Nq,是關(guān)于巖體下列哪項(xiàng)的函數(shù)()。
A. 粘聚力
B. 內(nèi)摩擦角
C. 單軸抗壓強(qiáng)度
D. 裂隙發(fā)育程度
答案:B
(二)巖基淺基礎(chǔ)承載力的實(shí)際確定
巖基承載力系指在保證地基穩(wěn)定的條件下建(構(gòu))筑物的沉降量不超過容許值的地基承載能力。
一般認(rèn)為,目前我國規(guī)范中,對(duì)于一般的工業(yè)民用建筑,巖石地基的承載力通常不考慮基礎(chǔ)埋置深度和基底底面尺寸,并按下式確定其承載力:
[R]=K·Rc,(17-2-37)
式中Rc—飽和狀態(tài)下巖石的單軸抗壓極限強(qiáng)度(kPa);
K—均質(zhì)系數(shù)
(1)對(duì)一般工業(yè)民用建筑地基K采用0.17;
(2)對(duì)重型建筑物地基,K采用0.20—0.04;
關(guān)于K值的規(guī)定問題由于巖石的小試件的抗壓強(qiáng)度不能反映出巖石地基狀態(tài)的強(qiáng)度,天然狀態(tài)下巖石地基的不均勻性和裂隙性將會(huì)大大降低巖石地基的承重能力,對(duì)愈是堅(jiān)硬的巖石,這種影響愈大。再者,巖石地基的實(shí)際受力狀態(tài)不是單向的,而是三向的,同時(shí)巖石地基受力的邊界條件也很復(fù)雜,因此巖石地基實(shí)際承載力大有潛力可挖。根據(jù)目前我國有關(guān)單位研究結(jié)果,認(rèn)為巖石地基采用飽和狀態(tài)下單軸受壓時(shí)的極限強(qiáng)度籠統(tǒng)乘以一均質(zhì)系數(shù)0.17,或0.2—0.04,不盡完全合理。各種巖石地基強(qiáng)度不但與巖石生成條件有關(guān),而且與巖石性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度,軟化特點(diǎn)和風(fēng)化程度等密切相關(guān)。鐵道部第二設(shè)計(jì)院提出均質(zhì)系數(shù)K值應(yīng)結(jié)合裂隙情況風(fēng)化帶情況而定。
1)軟質(zhì)巖層(頁巖、粘土巖、凝灰?guī)r、粗面巖、千枚巖等)800~1200kPa;
(2)中等均質(zhì)巖層(砂巖、石灰?guī)r)1200~2000kPa;
(3)堅(jiān)硬巖層(片麻巖、花崗巖、密實(shí)的砂巖、致密石灰?guī)r)2000~4000kPa;
(4)特別堅(jiān)硬巖層(石英巖,細(xì)?;◢弾r)4000~6000kPa。
對(duì)于基礎(chǔ)底面積很大的應(yīng)力變化不太大的巖石地基;其容許承載力可按上列數(shù)值提高25%。
關(guān)于巖石地基中的斷裂帶對(duì)地基承載力的影響,可認(rèn)為:當(dāng)斷裂帶巖層破碎,且有較多的軟弱填充物(如斷層泥等)時(shí),應(yīng)查明其地基不均勻性;必要時(shí)可利用大面積靜力荷載試驗(yàn),確定其軟硬不均勻地基的容許承載力。
(三)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50007-2002)方法
建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50007-2002)第5.2.6條對(duì)巖石地基承載力特征值的確定做以下規(guī)定:
巖石地基承載力設(shè)計(jì)值,可按巖基載荷試驗(yàn)方法確定。對(duì)微風(fēng)化及中等風(fēng)化的巖石地基承載力設(shè)計(jì)值,也可根據(jù)飽和單軸抗壓強(qiáng)度按公式計(jì)算:
fa=φr·frk (17-3-38)
式中
fa—巖石地基承載力特征值(kPa)
frk—巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa),可按本規(guī)范附錄J確定;
φr—折減系數(shù)。根據(jù)巖體的完整程度以及巖體結(jié)構(gòu)面間距、產(chǎn)狀及其組合,由地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。無經(jīng)驗(yàn)時(shí),對(duì)完整巖體可取0.5,對(duì)于較完整巖體可取0.2~0.5,對(duì)于較破碎的巖體可取0.1~0.2。
注:1.上述折減系數(shù)值未考慮施工因素及建筑物使用后風(fēng)化作用的延續(xù)。
2.對(duì)于粘土質(zhì)巖,在確保施工期和使用期不致遭水浸泡時(shí),也可采用天然濕度的試樣,不進(jìn)行飽和處理。
【例題15】按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2002)的規(guī)定,確定巖質(zhì)地基的承載力特征值時(shí),其值大小與下列哪一項(xiàng)無關(guān)()。
A. 巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度
B. 巖體的完整程度
C. 巖體結(jié)構(gòu)面間距、產(chǎn)狀和組合
D. 建筑物使用后巖石風(fēng)化作用的延續(xù)
答案:D
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