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关于水电工程红层软岩承载力确定方法分析

发布日期:2014-10-31  浏览次数:951
        红层岩体属较软岩~软岩,且具有明显的亲水性和崩解性,强度普遍较低,按照现行规程规范,一般承载力建议值在0.5~1.0MPa之间,最大为1.5Mpa(草街),基本可以满足低闸坝建筑要求。但随着经济发展,红层地区建筑规模会越来越大,承载力要求也会越来越高,要么地基承载力难以满足工程建设需要,要么基础处理成本大幅增加,另外,现有规范普遍采用饱和抗压强度进行经验折减的确定方法,具有较高的安全储备,因此,进一步探讨研究红层承载力的影响因素及其确定方法,充分发挥红层承载能力,对节约工程造价、缩短工期、保证建筑安全稳定都有重要的意义。

   按照现行国家标准,软岩地基承载力可以采用以下三种方法:

   (1)室内单轴饱和抗压强度经验折减法

   岩石单轴抗压强度,即岩石在无侧限的单轴压应力状态下,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件,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。而岩石饱和抗压强度是指经过饱和处理后的岩石标准试件在单向受压状态下破坏时的极限强度,它取决于组成矿物的成分、结构和组织。结构和组织越均匀、越致密,组成矿物越细,则矿物间的连接越好,岩石的强度越高。

   该方法简单易操作、成本低,目前仍被广泛采用。按照国家标准《水力发电工程地质勘察》(GB50287-2006),坝基岩体允许承载力普遍采用单轴饱和抗压强度,结合岩体结构、裂隙发育程度,做相应折减确定,与《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)及其他行业或地方规范做法基本一致,属于明显的经验取值,区别在于考虑折减因素的侧重点和折减系数范围不同,见表6-4。同时,与水电规范不同的是,建筑地基规范对于泥质岩类,在确保施工期和使用期不致遭水浸泡时,可采用天然湿度的试样,不进行饱和处理,这显然是考虑到泥岩容易崩解软化,饱和处理对试样损伤较大,很难反映岩石真正的力学状态。

              红层软岩单轴饱和抗压强度取值对比表

规范名称

允许承载力(MPa

备注

完整

较完整

较破碎

破碎

水电规范(GB50287-2006

1/5Rb

(1/61/7)Rb

(1/81/10)Rb

(1/11~1/16)Rb

试样完全饱和

地基规范(GB50007-2002

1/2Rb

(1/21/5)Rb

(1/5~1/10)Rb

平板载荷试验

天然湿度试样

工程实践表明,简单采用单轴抗压强度确定软岩地基承载力明显偏低,主要存在以下几方面问题:

a、含水状态:按照试验规程,从钻进-取样-制样-试验,岩石经过饱和-失水-再饱和的循环反复,对于红层岩体,实际是岩样先崩裂、后超吸水、再膨胀而弱化后的抗压强度,造成了一定的强度损失,试验数值偏低,不能代表岩体真实的赋存环境和力学环境。

   b、尺寸:岩样试验中,尺寸效应是一个不可忽视的因素,按《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-99),试件高径比一般为2~2.5。有时岩样较少,也有采用1:1的。这样造成试验结果增大,故应乘以一定的系数折减。试验研究表明,在一定范围内的试件尺寸变化,具有断面尺寸越大,强度越低,高径比越大,强度越低,并趋于某一定值。

c、形状:相同横截面积圆形比方形试件的试验值大,因为圆形具有轴对称、应力分布均匀的特点。

d、红层本身取样困难:红层岩体在回转钻进过程中,很容易遭受扰动破坏,因此,很难取到既符合规格又能保持原状的岩样;而一般在露头由于岩体风化严重甚至风化成土,也很难取到满足要求的岩样,即使采取到了有限的岩样,其代表性也很差,试验数值离散型大,根据这些岩样的试验结果来评价红层的地基承载力,明显偏低,往往有些泥岩的饱和抗压强度仅为几Mpa,甚至低于0.5Mpa,从而导致人们低估红层的地基承载潜力。

2)原位岩体载荷试验

理论上讲,原位载荷试验是最可靠的岩石地基承载力方法,特别适用于重要工程确定地基承载力,但由于基岩埋深较深,现场进行试验难度很大,加上水电工程荷载要求高,试验加载困难,实践中往往采用的不多。

原位岩体在外荷载作用下的破坏与岩石在无侧限的单轴压应力下岩块试样破坏是完全不同的。由于岩体不是孤立的单元体,而是周围有泊松效应约束的整体,因此,在荷载作用下,承压板周围会产生应力集中,迫使岩体沉降,造成局部裂纹开始张裂,当荷载增加时,迅速扩张,岩体沉降变形明显增大,岩体由非破坏性沉降向破坏性沉降转变。当外荷载达到某一值时,岩体急剧沉降,承压板周围岩体出现蜘蛛网状的裂纹或明显挤出隆起,导致其宏观破坏。规范规定,取极限荷载除以3与比例界限荷载的较小值作为地基承载力。相关试验成果表明,采用载荷试验所确定的岩体承载力远高于室内无侧限的单轴抗压强度值,其值相差23倍。

3)室内三轴压缩试验

规范GB50287-2006附录D明确提出了软岩宜采用三轴压缩试验确定允许承载力,该方法测定的是三向应力状态下的岩石强度,能比较确切的反映天然岩体的实际受力特性,理论上相比单轴抗压强度更为准确,较现场原位载荷试验操作难度和成本相对较小,但实际应用三轴压缩试验来确定红层软岩地基承载力的报道并不是很多。长江科学院重庆研究中心曾对重庆嘉陵江黄花园大桥等建筑物基础持力层岩体在低围压(σ3=0.10.3Mpa)三向应力状态下的三轴压缩强度试验研究成果表明,软岩的围岩效应十分明显,即软岩在三轴应力状态下的强度高于单轴应力状态下的强度(见公式),其值相差1.52倍。水电工程设计中,往往将三轴压缩试验成果作为确定岩体强度和承载力的辅助对比手段,草街航电工程就是依据施工阶段进行的室内三轴压缩试验成果,对岩体强度及承载力参数进行了适当的提高,以满足工程设计的需要

图片未命名

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。

三轴压缩试验成果反映实际岩体力学特性的前提是,所采岩样必须未受扰动,这对于红层软岩取样是比较困难的,因此,该试验所获得的岩石强度虽较单轴抗压强度高,但由于样品的原因,其值仍小于原位载荷试验所获得的强度。

另外,在建筑领域,软岩承载力已经提得很高,广州最高提到2.5MPa。南京最高提到7.5MPa,且其折减系数相比国家标准和水电标准要高很多,同时,很多研究也尝试利用动力触探和标贯试验来确定红层承载力,且已经被一些地方标准所采用,我想这些方面都值得水电工程领域借鉴和推广。

   总之,由于红层特有的水敏性,极易崩解和软化,在外荷载作用下容易发生流变等特点,从而造成岩体的力学损伤,导致力学性质快速大幅度降低这些特点,以致利用目前规范确定的地基承载力都比较保守。要充分挖掘红层软岩承载力潜力,应在红层岩体系统研究的基础上,进行大量的室内、现场试验及模型试验,为工程设计提供可靠的理论依据,同时,在工程实践中,我们应采用多方法多途径对红层岩体承载力进行研究,在满足工程设计需要的前提下,尽量积累更多更好的实践经验。

   在此,希望各位同行能多予指导和建议,希望在不久的将来,能够提出更加科学合理且可行的适用于水电工程的确定方法或者某种经验公式,谢谢!

 
 
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