09岩体力学在岩基工程中的应用.ppt

第九章第九章 岩体力学在岩基工程中的应用岩体力学在岩基工程中的应用 第一节 岩基中的应力分布图9-1 集中力作用下的岩基1.半无限体垂直边界上作用一集中力的弹性理论解(布辛涅斯克，1886)第二节第二节 岩基上基础的沉降岩基上基础的沉降 岩基上基础的沉降主要是由于岩基内岩层承载后出现的变形引起的。对于一般的中小工程来说，沉降变形较小。但是，对于重型结构或巨大结构来说，则产生较大变形。岩基的变形有两方面的影响：（2）因岩基变形各点不一，造成了结构上各点间的相对位移。相对位移。计算沉降的基本公式计算沉降的基本公式（1）在绝对位移或下沉量直接使基础基础沉降沉降，改变了原设计水准的要求；计算基础的沉降可用弹性理论解法。对于几何形状、材料性质和荷载分布都是不均匀的基础，则用有限元法分析其沉降量是比较准确的。按弹性理论求解各种基础的沉降，仍采用布辛涅斯克的解布辛涅斯克的解来求。当半无限体表面上被作用有一垂直的集中力集中力P P时，则在半无限体表面处(z=0)的沉降量s为（96）式中：式中：r r为计算点至集中荷载为计算点至集中荷载P P处之间的距离处之间的距离半无限体表面上有分布荷分布荷载作用载作用，则可用积分求出表面上任一点M(x,y)处的沉降量s(x,y):（97）一、圆形基础的沉降一、圆形基础的沉降1.1.圆形基础为柔性圆形基础为柔性 如果其上作用有均布荷载P和在基底接触面上没有任何摩擦力，则基底反力 也将是均布分布的，并等于P，这时（9-8）(9-9)总荷载引起M点处表面的沉降量：圆形基础底面中心(R=0)的沉降量s0：(9-10)圆形基础底面边缘(R=a)的沉降量sa：(9-11)可见，圆形柔性基础当其承受均布荷载时，其中心沉降量为其边缘沉降量的中心沉降量为其边缘沉降量的1.571.57倍倍。2 2、圆形刚性基础、圆形刚性基础 当作用有荷载P时，基底的沉降将是一个常量，但基底接触压力不是常量。这时可用式（9-13）解得：（914）式中，R为计算点至基础中心之距离（915）图97 圆形刚性基础 上式说明，在基础边缘上的接触压力为无限大。当然，这种无限大的压力实际上并不存在，因为基础结构并非完全刚性，而且纯粹的弹性理论也不见得适用于岩基的实际情况。因而，在基础边缘的岩层处，岩层会产生塑性屈服，使边缘处的压力重新分布。圆形刚性基础的沉降量沉降量s s0 0：（916）1 1、矩形刚性基础、矩形刚性基础 当其承受中心荷载P时，基础底面上的各点皆有相同的沉降量，但是沿着基底的应力是不等的.设p为均布分布的外荷载当基础的底面宽度为b；长度为a时，沉降量s 为：Kconst为用于计算绝对刚性基础承受中心荷载时沉降值的系数，Kconst=f(a/b),见表91。二、矩形基础的沉降二、矩形基础的沉降受荷面形状长宽比a/bK0KcKmKconst圆形1.00.640.580.79正方形1.01.120.560.950.88矩形1.52.03.04.05.06.07.08.09.010.01.361.531.781.962.102.232.332.422.492.530.680.740.890.981.051.121.171.211.251.271.151.301.531.701.831.962.042.122.192.251.081.221.441.611.722.72表9-1各种基础的沉降系数K值表2 2、刚性方形基础沉降量、刚性方形基础沉降量(边长为边长为a)a)（919）3 3、刚性条形基础沉降量、刚性条形基础沉降量(宽度为a)（920）4 4、柔性矩形基础的基底中心沉降量、柔性矩形基础的基底中心沉降量 当其承受中心均布荷载p时,基础底面上各点的沉降量皆不相同，当沿着基底的压力是相等的。当基础的底面宽度为b,长度为a时，基底中心的沉降量可按下式求得：（921）式中，（922）K0值列于表9-1中。5 5、柔性矩形基础的基底角点沉降量、柔性矩形基础的基底角点沉降量(均布荷载下)（923）式中的Kc值列于表91中。6 6、正方形柔性基础中心沉降量、正方形柔性基础中心沉降量(均布荷载)（924）7 7、正方形柔性基础角点处的沉降量、正方形柔性基础角点处的沉降量(均布荷载)（925）(a a为边长为边长)可见，方形柔性基础底面中心的沉降量可见，方形柔性基础底面中心的沉降量s s0 0为边角点沉降量的两倍。为边角点沉降量的两倍。8 8、柔性矩形基础平均沉降量、柔性矩形基础平均沉降量(承受中心载荷)（926）式中：Km为基础平均沉降系数，见表91。返回 第三节第三节 岩基的承载能力岩基的承载能力 岩基的承载能力与岩基的系列破坏模式相关，变形又与岩性、结构面的产状与分布相关。一、岩基破坏模式一、岩基破坏模式 6、直面滑动 5、剪切 节理、弱软岩体（滑移体）4、冲切 多孔隙岩体 3、劈裂 应力大2、压碎 应力较大1、开裂 较均质岩体、坚硬、应力水平较小开裂开裂压碎压碎压碎压碎劈裂劈裂劈裂劈裂冲切冲切冲切冲切剪切剪切剪切剪切较均质、较均质、坚硬岩体坚硬岩体应力水平较小应力水平较大应力水平大多孔隙岩体节理、弱软岩体实验法极限平衡计算方法二、岩基允许承载力的确定二、岩基允许承载力的确定基本方法（一）基脚压碎岩体的承载力（一）基脚压碎岩体的承载力极限平衡方法极限平衡方法(Goodman)Goodman)见图见图9-129-12式中：Rc-岩体无侧限抗压强度；qf-岩基承载力。A-压碎区B-非压碎区非压碎区B岩体强度曲线压碎区A岩体强度曲线无侧限岩体抗压强度Rc岩基承载力qf（二）基脚剪切岩体的承载力（二）基脚剪切岩体的承载力 基脚下岩体出现楔形滑体，滑移面为平直面、弧面、近似看成平直面，作极限平衡分析（1 1）基本值设）基本值设 破坏面由两个互相直交的平面组成；荷载qf的作用范围很长，可为平面应变；承载平面，即qf作用面上，剪力不存在；对每个楔体，采用平均体积力。（2）受力图 图9-13（4 4）求承载力）求承载力q qf fx x楔体楔体y y楔体楔体Y楔体体积力（A）由y楔体的几何关系得：将此式和（9-31）式的代入代入(A)A)式得式得(9-32)注注1：式(9-32)的最后一项和前两相比很小，可以忽略。承载力：注注2 2：当在承载压面附近的表面上还有一个 附加压力q时，则在x楔上的 变成：所以，岩基的极限承载力为：(9-33)式(9-33)又可写成：(9-34)注注3 3：若考虑破坏表面的弯曲，x与y块体之间界上承受剪应力，则上式的承载力将会提高。式中：称为承载能力系数，均是的函数，即：（9-359-35）注注5 5：对圆形截面：对圆形截面注注4 4：当当 时，式(9-35)算出的系数较接近精确解。返回返回 第四节第四节 岩基的抗滑稳定岩基的抗滑稳定 当基岩受到有水平方向荷载作用后，由于岩体中存在节理以及软弱夹层，因而增加了基岩的滑动的可能。许多实践证明，对于大多数岩体并承受倾斜荷载的地基来说，地基的破坏往往由于岩基中存在软弱夹层，使地基中一部分的岩体沿着软弱夹层产生水平剪切滑动。目前评价岩体抗滑稳定，一般仍采用稳定系数分析法。例：图9-14所示大坝的基础下存在软弱夹层及一条大断层。当水库充水后，坝基承受倾斜荷载，产生了坝基沿AC滑移，或三角形ABC部分的岩体向下游滑移的可能。一、基坝接触面或浅层的抗滑稳定一、基坝接触面或浅层的抗滑稳定 （以稳定系数 为评价指标）（一）不考虑基坝与岩面间的粘结力（一）不考虑基坝与岩面间的粘结力 稳定系数为 式中：-垂直作用力之和，包括坝基水压；-水平力之和；-摩擦系数。（二）考虑基坝与岩面间的粘结力（二）考虑基坝与岩面间的粘结力 稳定系数为式中：-接触面上的粘结力或混凝土与岩石面 间的粘结力；A-底面积。上述是一粗略分析，以致KS选用较大值。美国垦务局推荐，在坝工上采用的稳定系数为4，以作为最高水位、最大扬压力与地震力的设计条件。二、岩基深层的抗滑稳定二、岩基深层的抗滑稳定（一）单斜滑移面倾向下游（一）单斜滑移面倾向下游（图915（a）稳定系数为 式中：U坝底扬压力；C粘结力。当U、C为零时，（二）单斜滑移面倾向上游（图915（b）稳定系数为：（三）双滑移面（图915（c）稳定系数为：式中：R抗力。根据受力图9-15（d）（e）按力的平衡原理求得：为AB及BC滑移面上的摩擦系数。岩石的内摩擦角返回返回 第五节第五节 加固措施加固措施三条要求：1、地基岩体有一定的弹性模量和足够的的抗压强度。尽是减少建筑物建造后的绝对沉降量 2、建筑物的基础与地基之间要保证结合紧密，有足够的抗剪强度。3、对坝基则要求有足够的抗渗能力。四条措施：换土、注浆、锚固、防渗、防漏。返回（91）式中 P垂直于边界岩OZ轴作用的力z从半无限体界面算起的深度x所研究点到OZ轴的距离r所研究点到原点O的距离 在深度z处被角所确定的点的水平径向应力 在深度z处被角所确定的点的水平垂直应力 在垂直平面和水平面上的剪应力 最大主应力（在矢径方向）中间主应力（在水平平面上）最小主应力（在通过矢径的垂直面上）2.2.线荷载作用下岩基内的应力线荷载作用下岩基内的应力3.半无限体的表面承受着面荷载岩体内一点的应力可用圆形均布荷载作用下的基岩中产生的应力为例来讨论。在圆形均布荷载在圆形均布荷载P P作作用下用下，岩基表面以下M点深度z处的垂直压力 （图93）可用 布辛涅斯克的解经过积分求得。这时，作用在微面积上的集中力为 则按（9-1）得（93）式中 a圆形荷载面的半径4.4.纽马克图纽马克图 当 时，；当 时，。由此可见，在均布压力p得表面荷载作用下，附加应力 是承载面积宽度与所求应力处深度之比得函数。纽马克（Newmark）根据半无限应力分布公式作出了一个曲线图解（图94），以求不同深度时的附加应力，此图解是根据下式绘制的。(1).Newmark曲线制作原理曲线制作原理由(9-3)得：这意味着意味着，当荷载分布面积的半径a为1.92z和1.38z时，垂直深度z处的附加应力为取z=1(单位)，当在a=1.92和a=1.38(单位)为半径的圆环内分布的荷载p时，则在z=1(单位)的圆心处垂直附加应力圆心处垂直附加应力为将该圆环按等圆心角分为20份，则每弧块每弧块内的分布力p在z=1处引起的附加应力为同理可以作出Newmark图的其它圆弧块，见图9-4。由此图可求出在深度在深度z z处的附加应力：处的附加应力：0.0050.005P.N (9-5)P.N (9-5)式中：N为实际承载面积所覆盖的弧块数目。(2).应用应用例：某建筑物地面上的均布荷载为1500Mpa，求图9-4中A点垂深15米处的附加应力。解解：1.取z=15米，并令图9-4中的“比例尺”ab=15m,以此缩比绘出基础平面于透明纸上；2.将透明基础平面图覆盖在Newmark图上，并将所需求压力点A对准O点；3.计算基础平面覆盖Newmark图弧块的块数N，本题N=31.5。4.由式(9-5)算出z=15m，A点的附加应力图94纽马克曲线图解返回ab垂直深度z的缩比A覆盖o点