摘 要:岩土工程论文帮写根据重庆市及川东地区软岩的试验研究成果,从实际工程岩体应用问题出发,分析了软岩岩体的破坏特征和力学性态,提出了确定其承载力的方法。
关键词:软岩;承载力;围压效应;工程岩体;力学性态；重庆市
1 引言
重庆市及川东地区属浅丘的山区地貌,其下卧基岩大部分为三叠系上统至侏罗系内陆湖相沉积的石灰岩,砂岩和粘土岩,其中大部分地区为砂岩和粘土岩组成的互层岩体,岩相极不稳定,且相互交错。特别是粘土质粉砂岩、粉砂质粘土岩和粘土岩类的红层岩体,具有强度低,变形大的特点。这类岩石的饱和单轴抗压强度大多数小于30MPa,有的只有10MPa左右,还有的小于5MPa,属于较软岩、软岩和极软岩类的岩石。在这类的岩石地基上修建建筑物,特别是高层或超高层的建筑物,其力学特性和承载能力的确定,是确定能否修建或选用那一种基础型式的关键所在。在目前工程勘察和设计中,一般是以室内岩石的饱和单轴抗压强度进行一定量的折减,确定为其建筑物基础持力层岩体承载力的设计采用值。这种作法虽然在某种程度上反映了工程岩体特性,对工程岩体的承载能力的确定有一定的意义。但对软岩而言,只用这种简单的方法来确定其承载力,往往会难以充分发挥软岩岩体的承载能力,使建筑物基础设计方案复杂化,基础尺寸过大,造成浪费。因此软岩的强度,软岩岩体的承载能力是确定建筑物基础的型式和优化设计的重要依据。如何准确地确定软岩岩体的承载能力是岩石力学研究的重要课题之一。
2 确定软岩岩体的承载能力的试验研究
为了研究软岩岩体的力学特性,确定其承载力。针对重庆市和川东地区的软岩岩体的特征,在重庆市朝天门滨江广场、四川省内江市物资大厦和奉节商贸大厦下卧基岩进行了现场原位力学和室内岩块强度特性试验研究,同时还模拟原位岩体的实际应力状态对粘土岩类的红层岩体进行了一系列的物理力学特性的试验研究。
2.1 现场原位力学试验研究
重庆市朝天门滨江广场、四川省内江市物资大厦和奉节商贸大厦等工程,均为多功能高层建筑,其工程基础均采用人工挖孔桩。由于工程人工挖孔桩的持力层岩体为粉砂质粘土岩、粘土岩和少量的砂岩组成的互层岩体,从室内岩石饱和单轴抗压强度试验结果来看(成果见表1),属软岩和极软岩。由于持力层岩体饱和单轴抗压强度较低,难以满足设计承载力要求,则需要对桩径和桩长加大和加长,造成基础经费开支过大。为了优化建筑物基础设计,充分发挥岩体的强度,特选定在重庆市朝天门滨江广场、四川省内江市物资大厦和奉节商贸大厦分别进行了6点和3点现场原位岩体载荷试验,同时还进行了室内岩石饱和单轴抗压强度试验(成果见表1)。从表1中可以看出,室内岩石饱和单轴抗压强度值比原位岩体承载力极限值要低得多,这就说明了对原位岩体承载能力的试验研究,更能确切地反映软岩岩体的力学现象、力学特性和本构特征。
2•2 室内岩石三轴压缩强度试验原位岩体承载能力的试验研究虽然能确切地反映岩体的承载能力,但由于试验研究时间较长,试验研究费用较高,对于场地工程地质条件并不复杂的岩体地基,一般不进行原位岩体的载荷试验研究。于是,对粘土岩类的红层岩体进行了模拟原位岩体的实际应力状态下的三轴压缩强度试验研究。对重庆市嘉陵江黄花园大桥等建筑物基础持力层岩体在低围压(σ3=0.1~0.3MPa)三向应力状态下的三轴压缩强度试验研究的结果表明(成果见表2),岩石的围压效应十分明显,说明了岩石的强度特性随着应力状态的改变而变化,即岩石在三向应力状态下的强度高于在单轴应力状态下的强度。
2.3 模拟建筑物基础嵌入岩体的试验研究
为了进一步研究软岩岩体的强度特性,在极软岩岩体(紫红色泥岩)内,按不同的埋置深度,浇灌高强度混凝土来模拟建筑物基础,即选用埋置深度为0.5~2.0倍的建筑物基础宽度进行埋置,分别对其基础和地基岩体进行承载力试验(成果见表3)。
3 软岩岩体的力学特性分析
3.1 机理分析
3•1•1 岩石无侧限的单轴抗压强度试验
岩石在无侧限的单轴压应力状态下,岩石内部的微裂纹将在其边壁产生应力集中,且局部扩展,当压力加大时,局部扩展加剧,开始连贯,由非破坏性变形向破坏性变形转变。当压力达到某一值时,岩石试块内部产生的内应力超过其微裂纹的拉张应力,会沿着岩石试块受力方向局部张裂且迅速扩展贯穿整个试体,此时岩石试块的侧向膨胀变形所产生的应变,超过了岩石试块的拉张应变,于是导致了岩石试块宏观破坏。其破坏机理为:σcmax>[σc]或εdmax>[εt]。
3•1•2 原位岩体载荷试验
原位岩体在外载荷作用下的破坏与岩石在无侧限的单轴压应力状态下岩石试块的破坏是不相同的,由于岩体不是孤立的单元体,而是相互有泊松效应约束的整体。因此原位岩体在外载荷作用下,在承压板周边会产生应力集中,迫使其岩体沉降,造成局部裂纹开始张裂。当外载荷增加时,承压板周边应力集中且迅速扩张,岩体沉降变形明显增大,局部裂纹也迅速扩展,岩体由非破坏性沉降向破坏性沉降转变。当外载荷达到某一值时,岩体急剧沉降,承压板周边岩体出现明显的蜘蛛网状的裂纹或承压板周边岩体明显挤出隆起,导致其宏观破坏。其破坏机理为:σcmax>μ1-μγh+σc或w1max>[w1]。
3•1•3 岩石试块三轴压缩强度试验
岩石试块在较低围压的三向应力状态下的破坏机理,既不完全相似于岩石试块在无侧限的单轴压应力状态下的拉张破坏机理,也与原位岩体在外载荷作用下的破坏机理不相同。因为岩石试块在三向应力状态下是受主应力的作用,受压面为主平面,试件表面无剪应力作用,所以随着轴向压力的增加时,岩石试块一方面会沿着最大主应力方向的微裂纹产生拉裂且延伸,另一方面由于围压作用,会迫使其沿着最大主应力斜交方向产生滑动,使其岩石试块产生以张裂为主的拉剪的宏观破坏。其破坏机理为:εmax>[ετ]或σ1max>τ=fσ+c。
3•1•4 建筑物基础模拟试验
地基岩体受到垂直压力作用时,其受力状态由两部分组成,其一是建筑物基础两边壁岩体受到冲切作用产生剪应力:其二是建筑物基础底部岩体受压产生压应力。于是所产生的破坏机理也不完全相似于岩石试块在无侧限的单轴压应力状态下的拉张破坏机理。所以在垂直荷载作用下,首先使建筑物基础与两边壁岩体受到剪应力作用而产生剪位移,再迫使其基础底部岩体的压应力使其产生压缩变形。当垂直荷载增大时,建筑物基础两边壁岩体所产生的剪应力使其岩体错裂而开始产生错位造成地基岩体产生大幅度的压缩变形,于是造成底部两边角的岩体产生局部拉张应力集中,且迅速扩张,同时也造成局部裂纹迅速扩展。当上部垂直荷载达到某一值后,建筑物基础两边壁岩体的剪应力迫使其产生大位移的剪切错动,而且基础底部两边角的岩体的裂纹扩展到整个基础底部,就会导致地基岩体向临空面或岩体结构面产生滑动破裂崩解或上滑挤出的宏观破坏。其破坏机理为:σcmax>[τ]+[σc]或εmax>[ετ]。
3.2 强度特性分析
岩石试块在无侧限的单轴压应力状态的垂直荷载作用下,其破坏机制和破坏准则属于拉张破坏,原位岩体在外载荷作用下的破坏机制和破坏准则属于挤压破坏,作为建筑物基础的地基岩体受压后的破坏机制和破坏准则属于冲切和压碎性的滑动或上滑挤出破坏,岩石试块在较低围压的三向应力状态下的破坏机制和破坏准则属于拉剪破坏。由此可见,由于破坏机制和破坏准则的不同,其强度特性也有一定的差别,后三者的强度值明显高于前者。从对软岩岩体的试验研究中发现,用原位岩体载荷试验所确定的软岩岩体的承载力远高于用岩石试块在无侧限的单轴压应力状态下的试验所得到的饱和单轴抗压强度值,其值相差2~3倍。从对建筑物基础嵌入软岩岩体内的强度特性试验研究中还发现,随着建筑物基础嵌入深度不同,承载力也不一样。也就是说建筑物基础嵌入越深,其值也就越高。当建筑物基础嵌入深度为0.5倍的建筑物基础宽度时,地基岩体的承载力与岩块的饱和单轴抗压强度值大致相等,当嵌入深度超过0.5倍的建筑物基础宽度,其地基岩体的承载力有显著的增长,且幅度较大,当嵌入深度超过1.5倍的建筑物基础宽度以后,虽有时增长,但幅度开始减小。那么,地基岩体的承载力和岩块的饱和单轴抗压强度的比值K与建筑物基础嵌入软岩岩体内深度和建筑物基础宽度的比值m间的关系为(见表3和图1):K=-0.25m2+0.915m+0.6225 (1)
3•3 围压效应分析
由于工程岩体一般都是处于三向应力状态下,所以当对岩石试块施加一个较小的围压σ3作用,则岩石试块的压缩强度σ1比当σ3=0时的压缩强度σc0的值有明显的提高。长江科学院重庆岩基研究中心多年来对饱和单轴抗压强度小于5MPa的岩石在三向应力状态下压缩强度的试验研究充分证实了这一点(见表4和图2)。
注:(1)表中的σ1系平均值(2)表中的参数均系长江科学院重庆岩基研究中心的试验研究成果
图2中表现出σ1~σ3的良好非线性关系用(2)式表示,但由于二次项的系数较小,可以用线形关系表示(见图3和(3)式)。
σ1=-0.0509σ23+4.7081σ3+3.3875 (2)
σ1=4.4123σ3+3.6248 (3)
从表2中可以看出,紫红色泥岩在σ3=0.1MPa~0.3MPa的三向应力状态下,其三轴压缩强度σ1随着围压σ3的施加有显著的提高。即在较低围压作用的三向应力状态下,岩石试块的三轴压缩强度σ1和σ3=0时的σc0之比的比值R与σ3关系为:(见图
