巖石飽水單軸抗壓強(qiáng)度與地基承載力問題的探討

摘要：在國(guó)內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了飽水對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響，并根據(jù)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)面性狀，結(jié)構(gòu)面充填物等提出了巖石地基承載力折減系數(shù)，為解決地基承載力問題積累了新的技術(shù)資料。

關(guān)鍵詞：巖石 飽水單軸抗壓強(qiáng)度地基承載力

中圖分類號(hào)： TU4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

巖體中褶皺、斷層、層理、節(jié)理等非連續(xù)面的存在，使得巖石成為一種非均勻性材料，內(nèi)部強(qiáng)度差異顯著。巖石內(nèi)部含有大量孔隙和微裂隙，飽和水巖石作為一種特殊多孔飽和的流體混合物，大量存在于巖層中。巖石在飽水狀態(tài)下，水流充滿孔隙和微裂隙，巖石的許多力學(xué)特征因此發(fā)生了改變。巖石內(nèi)部的軟弱面成為主要的透水通道，而水對(duì)人類的巖石土程活動(dòng)產(chǎn)生了重大影響，由于對(duì)水對(duì)巖石的力學(xué)特性的影響知之甚少，發(fā)生了許多重大工程事故，水對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)的影響小可忽視。水對(duì)巖石強(qiáng)度有化學(xué)作用、物理作用及力學(xué)作用的影響?；瘜W(xué)過程是小可逆的，水對(duì)巖石中的充填物的溶蝕和溶解、對(duì)鐵的氧化、對(duì)碳酸鹽巖的侵蝕和潛蝕都屬于化學(xué)作用;物理作用的過程一般是可逆的，如軟巖浸水后內(nèi)摩擦角降低，失水后又恢復(fù)；力學(xué)作用在介質(zhì)的線彈性范圍內(nèi)是可逆的。因此，研究飽水狀態(tài)下巖石的力學(xué)性質(zhì)，意義重大。

1飽水單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

巖石單軸壓縮破壞應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€見圖1，這一曲線是揭示巖石力學(xué)特征的重要方法，進(jìn)而確定巖石的強(qiáng)度、楊氏模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力和泊松比系數(shù)等巖石重要物理參數(shù)。試驗(yàn)巖塊采用水鉆孔法鉆孔取芯，制圓柱巖樣。單軸壓縮試驗(yàn)采用巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。圓柱形巖石試樣，沿長(zhǎng)軸方向受壓的單向壓縮試驗(yàn)迄今為止是確定巖石性質(zhì)的最方便和最有用的方法。僅從定義來(lái)看，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石圓柱試樣受沿軸向的單向載荷壓縮下所能承受的最大應(yīng)力，用公式表示為：，式中：為沿試樣軸向加載荷載，為試樣受壓荷載接觸處的橫截面面積，為單軸抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)過程中在不考慮端部摩擦效應(yīng)的情況下，單軸壓縮狀態(tài)下，巖石試樣承載均勻的單軸載荷，試樣內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)是一樣的，所以產(chǎn)生同樣的軸向變形，直至達(dá)到材料的承載極限。由于圓柱試樣與實(shí)驗(yàn)機(jī)壓板間的摩擦作用，限制試樣端部的側(cè)向膨脹使巖石試樣內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生很大改變。然而，巖石類材料比較特殊，內(nèi)部含有大量裂隙、層理等缺陷而表現(xiàn)出非均勻性，使得巖石試樣的形狀會(huì)影響到其強(qiáng)度。具有相同截面的圓形、六邊形、四邊形和三角形試樣的強(qiáng)度會(huì)有差別，見圖2。隨著巖樣棱數(shù)減少，抗壓強(qiáng)度降低，說(shuō)明邊緣的棱角容易損壞，不能用來(lái)作為有效承載而積。如果進(jìn)行嚴(yán)密仔細(xì)的試驗(yàn)，四邊形和圓柱形巖石試樣的單軸壓縮強(qiáng)度差異也并不明顯。對(duì)完整巖樣均是圓形試樣，飽水體積雖有所增大，但從整體表觀上講體積變并不大，故可忽略。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖3～圖5。

圖1單軸壓縮破壞應(yīng)力－應(yīng)變曲線 圖2巖樣橫截面形狀對(duì)單軸壓縮張度的影響圖3單軸抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

圖4自然和飽水各巖石單軸抗壓強(qiáng)度 圖5 不同飽水方式對(duì)飽水抗壓強(qiáng)度的影響

結(jié)果表明：巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與巖石的含水率呈線性關(guān)系，巖石含有粘土土質(zhì)礦物，這些礦物遇水軟化泥化，使得巖石試樣的強(qiáng)度降低，水對(duì)不同巖的石強(qiáng)度均有不同程度的影響，軟質(zhì)巖更為明顯，真空飽和后巖石的吸水率要比自然浸水飽和后巖石的吸水率高，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。

2巖體允許承載力折減系數(shù)

為較準(zhǔn)確地確定巖石地基承載力，應(yīng)根據(jù)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)面性狀，結(jié)構(gòu)面充填物等分別提出不同的折減系數(shù)，計(jì)算巖體允許承載力的折減系數(shù)見表1。

表1 計(jì)算巖體允許承載力的折減系數(shù)

結(jié)果表明：折減系數(shù)應(yīng)綜合考慮多方面的因素，折減系數(shù)與巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度成正比，與巖體質(zhì)量成正比，與結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度成反比；巖石單軸飽水抗壓強(qiáng)度大于10MPa時(shí)，其折減系數(shù)的取值范圍為0.05～0.10；巖石單軸飽水抗壓強(qiáng)度大于10MPa時(shí)，其折減系數(shù)的取值范圍為0.10～0.15。

3結(jié)語(yǔ)

橋梁、民用建筑的樁基巖石等地基承載力問題是巖土工程領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性課題之一,正確地評(píng)價(jià)承載力的大小，對(duì)于確保工程安全至關(guān)重要，它一直深受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與巖石的含水率呈線性關(guān)系，巖石含有粘土土質(zhì)礦物，這些礦物遇水軟化泥化，使得巖石試樣的強(qiáng)度降低，水對(duì)不同巖的石強(qiáng)度均有不同程度的影響，軟質(zhì)巖更為明顯，真空飽和后巖石的吸水率要比自然浸水飽和后巖石的吸水率高，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。應(yīng)根據(jù)真空飽水試驗(yàn)確定巖石單軸抗壓強(qiáng)度，巖石單軸飽水抗壓強(qiáng)度大于10MPa時(shí)，其折減系數(shù)的取值范圍為0.05～0.10；巖石單軸飽水抗壓強(qiáng)度大于10MPa時(shí)，其折減系數(shù)的取值范圍為0.10～0.15。

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作者簡(jiǎn)介：馮河流(1980.1--),男，漢族，本科，助理工程師，主要從事試驗(yàn)檢測(cè)及施工工作.

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。