考虑各向异性影响之岩基承载力特征值的确定方法

摘要：本文针对均质各向同性条件下岩基承载力特征值的解法，考虑岩体各向异性影响修正或改进来确定岩基承载力特征值。岩体的各向异性系数，可根据岩体的横波速与纵波速之比，根据不同的岩体情况确定，岩体的各向异性系数是横波速与纵波速之比的n次方，本文研究n=0～3，不同的计算方法n值取值不同。通过计算分析比较，岩体完整性越好，四种方法确定的承载力特征值越接近，岩体完整性越差，抗剪强度参数法解、Hoek-Brown强度准则法解计算值较工程地质勘察经驗公式法和建筑地基基础经验公式法计算值总体偏小。四种方法确定的岩基承载力特征值均可作为地质建议值。

Abstract： Aimed at the solution of bearing capacity characteristic value in the homogeneous isotropic conditions， this paper considers the anisotropy effect correction of the rock mass to determine or improve the batholith bearing capacity characteristic value. The anisotropy coefficient of rock mass can be determined by the ratio of transverse wave velocity and longitudinal wave velocity of the rock mass and the different rock mass conditions. The anisotropy coefficient of rock mass is nth-power of the ratio of transverse wave velocity and longitudinal wave velocity. This paper studies n=0～3， the values of n are different for the different calculation methods. Through the calculation analysis and comparison， the better the rock mass integrity， the closer the bearing capacity characteristic values determined by the four methods. If the rock mass integrity is worse， the calculated values of the calculation method of shear strength parameters and calculation method of Hoek Brown strength criterion will smaller than those of the engineering geological survey and empirical formula method and building foundation empirical formula method. The batholith bearing capacity characteristic value determined by the four methods can be as geological recommended values.

关键词：岩基承载力特征值；各向异性系数；岩块单轴饱和抗压强度标准值

Key words： batholith characteristic value of the bearing capacity；anisotropy coefficient；rock standard value of saturated uniaxial compressive strength

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0208-03

1 绪言

岩基承载力特征值严重受岩体各向异性影响，岩体各向异性影响主要受岩体所处温度、应力状态，岩体结构面的发育程度，岩体内地下水的发育程度和规模，岩体的水理性等因素控制。研究发现，根据波动理论，岩体的各向异性影响系数可用岩体的横波速和纵波速之比来反映，根据不同的岩体情况，根据岩体的横波速与纵波速之比采用不同的各向异性系数，各向异性系数是波速比的n次方，本文研究n=0～3。

2 未考虑各向异性影响岩基承载力特征值的确定方法

根据三轴压缩原理、广义Hoek-Brown强度准则及格里菲斯强度理论，基于均质各向同性岩体之岩基承载力特征值的确定公式[1]：

①岩体的摩擦角和凝聚力法解（抗剪强度参数法）。

式中：Kv为岩体的完整性系数；De为开挖扰动系数，De=1-Kv；η为岩体的软化系数；frk为岩块的单轴饱和抗压强度标准值（MPa）。

改进后的规范法解、抗剪强度参数法、Hoek-Brown强度准则法，虽然弥补了规范中不适用于破碎岩体的缺陷，但仍然未考虑岩体各向异性因素的影响。

3 考虑各向异性影响岩基承载力特征值的确定方法

研究发现，岩体的各向异性影响因素，根据波动理论可采用岩体的横波速与纵波速之比分不同岩体情况确定。设岩体的横波速与纵波速之比为δ，根据波动理论：

式中μm为岩体的泊松比，可按如下方法确定：①对于硬质岩及较软岩，岩体的泊松比μm=0.42-0.2219（Kv）1/2或μm=0.4-0.05log（Em/2），其中Kv为岩体的完整性系数，Em为岩体的变形模量（MPa）②对于软岩及极软岩岩体的泊松比μm=tan（45°-？准m/2）/[1+tan（45°-？准m/2）]，其中？准m为岩体的内摩擦角（°）。

建筑地基基础经验公式法：

抗剪强度参数法可按如下改进或修正确定岩基承载力特征值：

通过工程实践计算检验，改进后的各种解法所求岩基承载力特征值与现场荷载试验、旁压试验结果悬殊不大，而且与《中小型水利发电工程地质勘察规范》（DL/T5410—2009）所给岩基承载力特征值的经验值很接近。

4 确定岩基承载力特征值的规范经验公式法

《中小型水利发电工程地质勘察规范》（DL/T5410—2009）和《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）给出的坝基岩体允许承载力基本一致，是根据岩石单轴饱和抗压强度，结合岩体结构、裂隙发育程度做相应的折减后确定地质建议值，暂且称之为工程地质勘察经验公式法，见表1。

根据表1可以通过数学拟合的方法拟合出岩体完整性系数Kv与节理间距d（m）、确定岩体允许承载力的综合折减系数ζ之间的关系，最终得出岩体允许承载力R（MPa）与岩体单轴饱和抗压强度Rc（MPa）的表达式，见表2。

5 岩块单轴饱和抗压强度标准值的确定

各方法中，岩块单轴饱和抗压强度标准值的确定至为关键。岩土参数的标准值是岩土工程设计的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值。单轴饱和抗压强度标准值frk应根据规范按场地的工程地质单元和层位分别统计，按下列公式计算平均值、标准差和变异系数、标准值：

式中：Rm为岩块单轴饱和抗压强度平均值（MPa）；Ri为试样的岩块单轴饱和抗压强度（MPa）；σf为岩块单轴饱和抗压强度标准差（MPa）；δ为岩块单轴饱和抗压强度值的变异系数；γs为统计修正系数，式中正负号的选用取决于指标的性质，如对抗剪强度应取负号；Rk为岩块单轴饱和抗压强度标准值（MPa）。

6 四种方法确定的岩基承载力特征值比较

通过工程实践计算检验，并与相关规范规程所给的岩基承载力特征值的经验值比较，抗剪强度参数法、Hoek-Brown强度准则法计算值悬殊不大，工程地质勘察经验公式法和建筑地基基础经验公式法计算值悬殊不大，岩体完整性越好，四种方法确定的承载力特征值越接近，岩体完整性越差，抗剪强度参数法、Hoek-Brown强度准则法计算值较工程地质勘察经验公式法和建筑地基基础经验公式法计算值总体偏小。四种方法确定的岩基承载力特征值均可作为地质建议值，建议将大值作为上限，小值作为下限，符合规范要求，但在工程实际应用时，应以规范法为准。

工程地质勘察经验公式法，已考虑了各種影响，其折减系数本文称其为综合折减系数ζ，已包含了岩体的各向异性影响，是立足于规范通过数学拟合的方法而总结出的经验公式法，更具可靠性。

7 工程实例

某建筑场地地基基础为白垩系上统泥质粉砂岩，微风化，岩块单轴饱和抗压强度标准值为8.9MPa。在基础高程位置，通过直径为300mm的浅层圆形刚性压板试验，试验荷载为承载力设计值的3倍，最大试验荷载为580kN。通过测试岩体的变形模量为610MPa，岩体的完整性系数Kv=0.31，较破碎，最终确定的岩基承载力特征值为0.82MPa。本文方法计算确定验证如下：抗剪强度参数法计算，承载力特征值为1.01MPa；Hoek-Brown强度准则法计算，承载力特征值为0.95MPa；建筑地基基础经验公式法计算，承载力特征值为0.76MPa；工程地质勘察经验公式法计算，承载力特征值为0.78MPa。从计算结果可看出，建筑地基基础经验公式法、工程地质勘察经验公式法与实验值相比，偏小；抗剪强度参数法、Hoek-Brown强度准则法与实验值相比，偏大，但总体上偏离不大，均满足设计精度要求，规范法偏安全。

上述分析知，本文4中方法确定的岩体承载力特征值均可作为地质建议值。

8 结论

①岩体的各向异性系数，可根据岩体的横波速与纵波速之比，根据不同的岩体情况确定，岩体的各向异性系数是横波速与纵波速之比的n次方，本文研究n=0～3。工程地质勘察经验公式法中的综合折减系数ζ已包含岩体的各向异性影响。

②通过计算分析比较，岩体完整性越好，四种方法确定的承载力特征值越接近，岩体完整性越差，抗剪强度参数法、Hoek-Brown强度准则法计算值较工程地质勘察经验公式法和建筑地基基础经验公式法计算值总体偏小。四种方法确定的岩基承载力特征值均可作为地质建议值。

参考文献：

[1]菊存全.岩基承载力特征值的确定研究，科技传播，2014.

[2]GB50007—2011，中华人民共和国住房和城乡建设部，建筑地基基础设计规范[S].2011.

[3]李歌华.桩端岩基承载力特征值的确定[J].勘察科学技术， 2004（04）.