（岩土工程专业论文）昌北千枚岩风化程度的模糊综合评判及桩基承载力分析.pdf

摘要 昌北千枚岩风化程度的模糊综合评判及桩基承载力分析 摘要 随着南昌市昌北地区经济的迅速发展，越来越多的高层建筑直接以风化千枚岩作为 基础持力层，而目前对于枚岩风化程度的划分尚不明确，对千枚岩中单桩侧阻力和端阻 力的取值以经验为主，缺乏理论依据，因此有必要开展千枚岩风化带的划分和桩承载力 的确定研究。 在对昌北地区千枚岩的区域工程地质勘察资料、风化带的划分方法和桩基承载力深 入调研基础上，初步把岩体划为五个风化层，并依据岩体风化程度在垂直方向上具有渐 变性和风化带划分边界的模糊性，将各风化层看作一个模糊集，选取了岩石介质、岩体 特征和岩体强度三大类1 7 项岩体风化程度评价因素，采用a h p 法、d e l p h i 和o 4 相结 合的综合评分法对各个评价因素分别赋予一定比例的权重，采用两级模糊综合评判法对 昌北千枚岩的风化程度进行了定量评判。其次，结合工程实例，采用f i a p d 对千枚岩 中桩基的承载力特征进行了数值分析，得到了桩顶q - s 曲线、桩身竖向位移一桩顶 荷载变化曲线、桩身轴向应力桩顶荷载变化曲线等运算结果。最后依据单桩侧阻力 和端阻力的传递特征，采用桩侧阻应力吼与桩土相对位移s 的函数关系和岩体的二维 h o c k - - - b r o w 强度理论推导出的嵌岩桩桩端阻力计算公式，探讨了单桩侧阻力、端阻力 的计算方法及研究区各自的推荐值。 关键词：千枚岩，风化程度，模糊综合评判，a i - i p ，单桩竖向承载力特征，m a c 3 d ， 桩侧阻力，桩端阻力 a b s t r a c t f u z z ys y n t h e tlce v a l u a t10 n 0 ft h ew e a t h e rin gd e g r e eo f p h y l l i t ei nc h a n g b e la n db e a r i n gc a p a c i t ya n a l y s i so fap i l e a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m yi nc h a n g b e ia e r ao fn a n c h a n g , m o r ea n dm o r e h i g h - r i s eb u i l d i n g sa 托b u i l d e do nw e a t h e r e dp h y l l i t er o c k a s b e a r i n gs t r a t u m b u t c l a s s i f i c a t i o no fw e a t h e r e dz o n eo fp h y l l i t ej sn o tc l e a ra n dt h ep i l es k i nr e s i s t a n c ea n dp i l e e n de a p a c i t yi ne n g i n e e r i n ga r c h i t e c t u r a ld e s i g na l em a d ec e r l a i nm a i n l yb ya r c h i t e c t u r a l e x p e r i e n c ea n d a r es h o r to fat h e o r e t i c a lb a s i s s o ，s t u d y i n gu po l lc l a s s i f i c a t i o no fw e a t h e r i n g z o n eo fp h y l l i t ea n db e a r i n gc a p a c i t yd e t e r m i n a t i o no fap i l eh a v eb c a 3 0 m ev e r yn e c e s s a r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , o nt h eb a s i so fi n - d e p t hi n v e s t i g a t i o n si n t or e g i o n a le n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lr e c o n n a i s s a n c ed a t a , c l a s s i f i c a t i o nm e , f l so fw e a t h e r i n gz o n eo fp h y l l i t ea n d b e a r i n gc a p a c i t yo fap i l ei nc h a n g b e ir e g i o n , r o c k sa r ed i v i d e di n t o5w e a t h e r e dl a y e r s i n i t i a l l y , a n dc o n s i d e r i n gt h a tw e a t h e r i n gd e g r e eo fr o c k si sp r o g r e s s i v ev a r i a t i o n a li nt h e v e r t i c a ld i r e c t i o na n di th a sf u z z yb o r d e rb e t w e e nt h ew e a t h e r e dz o n e ，a l lw e a t h e r e dl a y e r sa r e r e g a r d e d 笛f u z z ys e t sa n dt h r e ei n f i u e n c e i n gf a c t o r sa r es e l e c t e d , i n c l u d i n gr o c km a t e r i a l s , c h a r a c t e r i s t i ca n ds t r e n g t ho fr o c km a s s ，t h a th a v es e v e n t e e ns e c o n d a r yi t e m sw h i c hw e i g h t a r em a d ec e r t a i nb yt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa n dc o m p o s i t i v eg r a d e da p p r o a c ht h a ta r e c o m b i n e do f d e l p h ia n ds c o r e s 呲t h e n , w e a t h e r i n gd e g r e eo fp h y l l i t ei nc h a n g b e ii s j u d g e dq u a n t i f i c a t i o n a l l yb yt w os t e pf u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o n , f i n a l l y , u s i n ge n g i n e e r i n g e x a m p l e s s h o wt h a t t h i se v a l u a t i o nm e t h o di sm o r ep r a c t i c a l s e c o n d l y , an u m e r i c a l s i m u l a t i o na b o u tc h a r a c t e r i s t i c so fb e a r i n gc a p a c i t yo fap i l ef o u n d a t i o ni np h y l f i mh a v eb e e n d o n eb yu s i n gf i a p t h r o u g hp r a c t i c a le x a m p l e sa n dq sc u i v c ，v e r t i c a ld i s p l a c e m e n to f p u e 叫1 e l o a dc h a n g e sc u r v ea n dv 酿i c a ls t 豫s so f 硼f 啊l cl o a dc h a n g e s 帆a n d o n 玳 g a i n c 正f i n a l l y , a c c o r d i n g a st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fp i l es k i nr e s i s t a n c ea n dp i l ee n d c a p a c i t y a n d b a s i n g f i l lf u n c t i o nr e l a t i o nb e t w e e np i l es k i ns t r e s s 吼 a n dr e l a t i v e d i s p l a c e m e n t jb e t w e e np i l ea n ds o i la n dd e s i g nf o r m u l ao fp i l ee n dc a p a c i t yt h a tw a s e d u c e db yr o c km a s st w od i m e n s i o n a lh o c k - - b r o ws t r e n g t ht h e o r y , c a l c u l a t i o nm e t h o d so f p i l es k i nr e s i s t a n c ea n dp i l ee n dc a p a c i t ya n dr e c o m m e n d a t i o nv a l u e si ni n v e s t i g a t i o nr e g i o n a r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：p h y l l i r e , w e a t h e r i n gd e g r e e ，f u z z ys y n t h e t i ce v a l u t i o n , a 皿v e r t i c a lb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i co fs i n g l ep i l e ，删d ，p i l es k i nr e s i s t a n c e ，p i l ee n dc a p a c i t y 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华 东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 本人签名 圣泣氐日期竺巫笪! 三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。 本人签名兰尘咎导师签名。羞里里 笋 华东交通大学 硕士学位论文任务书 研究生姓名王彪学号 2 0 0 4 0 19 0 12 0 10 2 学院( 系)土木建筑学院 专业岩土工程 专业方向地基基础 论文题目昌北千枚岩风化程度的模糊综合评判及桩基承载力分析 要求完成时间2 0 0 7 年4 月2 0 日 江西省核工业局科技开发项目： 主要研究任务： 1 、昌北地区千枚岩分布及岩性特征调查。 2 、提出昌北地区千枚岩风化带划分的方法。 3 、探讨昌北地区千枚岩桩基础承载力的确定方法，以及相应的设计参数。 接受任务时间m6 年3 月拍日学生签名 王纨 导师签名 都啊抟 日期 7 年争屁) 日 第一章绪论 第一章绪论 i 1 千枚岩风化带的划分及其承载力研究的意义 近年来，随着南昌市昌北地区经济的迅速发展，越来越多的多层建筑和高层建筑、 桥梁等建筑物直接以风化千枚岩作为基础持力层。由于千枚岩风化后其工程地质性质有 不同程度的降低，故不同的建筑物选择不同层位的风化岩层作为持力层。根据对昌北地 区工程情况的调查，一般建筑物多数直接以全风化和强风化带为基础持力层，而高层建 筑和桥梁等对变形要求比较高，则直接采用中、微风化层为持力层，基础形式多数为人 工挖孔或钻孔灌注桩。 岩体的风化程度在垂直方向上具有渐进变化性及多种风化形式的存在，界限并不明 显。对岩石风化带的划分，不同勘察单位依据各自的经验和标准确定，其后果往往是同 一风化带的归属不同，所提供的岩石地基承载力也相差悬殊，给工程设计造成了人为的 困难和浪费。直到目前为止，针对南昌昌北地区千枚岩的工程地质性质、风化带的划分 及其承载力确定的问题尚未进行较系统的深入研究，造成大部分设计过于保守这与目 前工程实践中被广泛用作建筑物地基的情况相比，千枚岩的研究明显不足。因此，开展 千枚岩风化带的划分和承载力的确定，是紧密结合生产实际需要的重要研究课题，开展 此项研究显得极为必要。 1 2国内外岩体风化带划分方法研究现状 风化作用是指使岩石矿物成分、结构状态和物理力学性质等发生变化的各种作用的 综合，其主要包括太阳、大气、水和生物等各种作用因素岩石风化壳从顶部残积土到 底部新鲜的基岩，由于遭受风化作用程度的不同而具有垂直风带性。根据宏观风化特征， 将风化壳剖面分为若干带，各带之间，在颜色、结构和物理力学特征等方面都具有一定 差别。在自然界中，由于岩性、气候、地形地貌等条件的影响，不同岩石风化后的工程 地质性质差别很大，即使是同一岩石，其结构和存在环境的差异，岩石的破坏特点和风 化程度可能有很大的差异，风化后的工程地质性质也有较大的差异，这就造成了风化岩 石的区域地质特性，所以分带往往是在区域或某地区尺度上做出。所以在划分方法选择 与应用上，各风化带的划分标准也就不尽相同。我国对风化壳分带大规模开始研究始于 7 0 年代晚期。各职能部门针对本行业的工程所涉及岩体风化深度和程度，提出了各自不 同的划分标准【”，如表i - i 所示。 此外，国内专家针对各类规范和标准不统一的问题也进行了一些探讨，又产生了不 同的分带标准。虽然在岩石风化带划分上标准不统一，但所有划分标准的本质相同，即 都遵循岩石风化作用由强到弱、岩石风化程度由浅到深的渐变规律。 第一章绪论 表1 - 1 我国不同建设部门规范中岩石风化带划分标准对比 国际 港口工程水利水电工交通部岩石冶金部工程岩土工程 建筑地基基础 地基规范程地质勘察风化程度分地质勘察规勘察规范设计规范 代码 ( 1 9 7 8 )规范( 1 9 7 9 )级范( 1 9 7 2 )( g b 5 0 0 2 1 舢1 )( g b 5 ( 耵吁2 2 ) 残积土全风化 _ 一 强风化全风化风化极严重极风化 v 全风化 强风化风化严重 强风化强风化强风化 i l i 中等风化弱风化 风化颇重中风化中等风化中风化 微风化微风化风化轻微稍风化微风化微风化 i未经风化未风化 未风化未风化 岩石风化程度分级是指以矿物、化学成分及组织结构的变化为主要特征的岩石遭受 风化程度上的区别，如强风化岩，中等风化岩等。而岩体风化程度分带是指由于不同风 化程度的岩石( 块) 组成，并不代表单个岩石的风化程度，需要根据数量比例及影响岩 体力学性能的诸因素综合考虑。 1 2 1 岩体风化带主要划分方法 岩体风化的研究主要是研究风化带的划分方法( 或标准) 以及各风化带岩石的物理 力学性质。工程地质工作者最初是以定性为主来研究划分岩体风化带。在2 0 世纪年 代以前，人们主要通过肉眼观察和经验判断( 如地质锤的敲击声) 来判断岩体风化带。 这种以定性描述为主的划分方案容易造成岩体风化带划分的不准确性和人为性，同时也 很难反映出岩体风化的本质。2 0 世纪6 0 年代的以来，岩体风化程度研究中引入了许多 定量指标，如岩石孔隙、抗压强度、回弹系数、弹性波测试技术、点荷载强度指数等 定量测试指标的引入，使岩体风化带划分由定性向定量、定性和定量相结合的方面取得 了发展 2 1 。目前，国内外定量划分的主要方法有以下几种：弹性波的波速划分法( 包 括声波法、地震法和超声波法) ；1 9 7 8 年水利电力部成都勘察设计研究院提出的由风 化和新鲜岩石的单轴抗压强度计算而得的岩石风化系数法；1 9 6 2 年，日本学者k u d o 提出的裂隙系数k 和坚固度1 1 划分法；1 9 6 6 年保加利亚学者伊利耶夫( 1 l i e v 1 g ) 提 出的由声波波速计算而得的岩石风化系数法；日本和英国等国学者提出的点荷载强度 指数法和抗拉强度指数法；采用多个指标进行评价的岩土体质量最优分割法；依风 化岩石的勘探掘进的技术特性划分法。此外，还有用表征岩石中矿物风化变异的指标分 析法。以上各种方法在一些岩石风化带的划分中得到较为广泛的应用。下面就将岩体风 化程度划分方法中常用的定性划分、定量划分以及特征指标划分法做简要的说明。 1 ) 定性划分 依据岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) ，软质岩石按风化程度划分为未风化、 微风化、中等风化、强风化和全风化五个风化带 3 1 ，其主要特征的定性描述为： 2 第一章绪论 表卜2 岩石按凤化程度分类 风化程度参数指标 风化程度野外特征 波速比k 风化系数k ， 未风化岩质新鲜，偶见风化痕迹 0 9 1 o 0 9 1 0 结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量 微风化 0 8 0 90 8 0 9 风化裂隙 结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育， 中等风化o 6 0 8o 4 0 8 岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进 结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发 强风化o 4 0 60 4 育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进 结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用 全风化 0 2 0 4 镐挖，干钻可钻进 组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘干 残积土o 2 钻易钻进，具可塑性 注：1 波速比k 为风化岩石与新鲜岩石压缩波波速之比； 2 风化系敦k ，为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比 以上有关风化带的定性划分，具有方便、经济、快速的优点，但由于多种因素的影 响，即使是同一种岩石，其厚薄不一，单依靠定性分析对确切分带是极为困难的。而且 在同一区域内，对于同一种岩性，受其构造和岩脉穿插侵入的部位、风化程度和等级存 在很大差异，其物理力学性质相差也较大1 4 l 。如不进行详尽勘察、准确划分，将会给设 计和施工带来很多问题。人们在长期的工程实践中，通过研究岩体的物理力学性质与风 化程度之间的变化规律，提出了多种划分岩石风化程度的定量指标 2 ) 定量划分 目前，国内外采用的简单易行的定量划分方法主要有： ( 1 ) 超声波波速和波速曲线形态划分法闭 目前一般认为纵波波速可以反映岩石的弹性性能和风化程度，它与岩石的结构，成 份密切相关，综合反映岩性的破碎程度和受力状态等，其变化范围常在1 5 0 0 5 5 0 0 m s 之间，可以作为岩体的分带的指标嗍。利用波速法测得岩体的力学参数的优点，在于不 破坏被测岩体的结构，测定方法简便，并能取得有代表性的数据。但是此法建立在弹性 动力学基础，即研究对象是均匀的，各相同性的连续的介质，而现场测试的各类岩体， 在许多情况下并不完全符合此理论基础。 ( 2 ) 岩石强度风化系数划分法 此方法认为风化对岩石的影响，最终归结为强度的削弱。风化系数k ，定义为风化 岩石干抗压强度与新鲜时岩石的干抗压强度的比值。该方法需要制备完整规则的试样， 对全风化带和强风化带无法做到。 ( 3 ) 岩石超声波风化系数法m ，风化系数i ： 第一章绪论 1 v o - v w ( 1 1 ) 式中：k 为新鲜岩石的超声波速度值； 屹为风化岩石的超声波速度值。 ( 4 ) 点荷载试验强度指数划分法【叼 点荷载法是将岩石试样置于两个球端圆台之间，利用球端圆球状加荷器施加点荷载 使试样破坏。计算点荷载强度指数，i ： ，三 。 d 2 ( 1 2 ) 式中：p 为破坏时的极限压力； d 为加荷点间的间距。 ( 5 ) 圆锥动力触探及标准贯入试验法 采用圆锥动力触探及标准贯入击数n 日5 等原位测试手段进行风化带的划分，最大 的优点就是减少了对岩石钻探施工过程中各种不利因素的影响，使实测的锤击数能较真 实地反映软岩在自然状态下的物理力学强度，且根据动触和标贯的实测锤击数能较准确 地对极软岩石进行“微风化”、。中风化”的力学分层。实际勘察过程中，操作也简便易 行。 此外，地质雷达作为一种新的非破坏性探测技术，不仅探测分辨率高，信息量丰富， 抗干扰能力强，而且仪器轻便，工作效率高，能直观地反映地下介质的构造特征，应用 领域非常广阔。在三峡工程花岗岩风化分带探测和建筑基面风化槽探测中，地质雷达剖 面清晰地反映出基岩内部的不均匀风化特征唧。 3 ) 特征指标划分法 在判断岩石风化带中虽然引入了定量测试指标，但这些指标并不能较全面地反映岩 体的工程特性，在实际工程中，很难将其与工程岩体的综合评价联系起来。因此，一些 工程地质专家提出了用特征指标来划分岩体风化带的方案。 特征指标划分法主要是找出岩体各种量化指标问的相互关系，对岩体是进行综合评 价，如i s 7 0 年代的魏克和、木宫一邦等都使用点荷载试验来论证划分岩体风化带的可能 性和适宜性；舳年代，成都地质学院向桂馥老师通过对四川大渡河大岗山水电站坝址区 花岗岩风化带划分而建立了自己的与、只和n 之间的关系；p a h o n 、d 酬1 9 7 6 ) 用 r q d 、岩心采取率、渗透率等定量特征指标来划分岩浆岩、变质岩的风化带。岩石质量 指标与完整性系数间的关系，前人也作了较多的研究：w r d e a r m a n 在花岗岩风化带划 分研究中采用r q d 、岩石揭示程度、金刚石钻进速度、渗透率、纵波波速、电阻率等 定量指标。a h m e r r i t t ( 1 9 6 8 ) 提出了r o d 与k v 的对应关系。同样，我国在岩体风化问 题的定量化研究方面也取得了引人注目的成就，如在三峡大坝坝址岩体风化的研究中， 引入了岩石抗压强度、点荷载强度、声波、地震波、回弹指数等定量指标来划分岩体风 4 第一章绪论 化带，马海毅等i l o j 在岩石风化带划分问题研究中也考虑了岩石破碎与岩体风化的差异。 聂德新等【1 l 】用岩体裂隙间距、岩体的完整性指标、岩石质量指标对岩体风化程度进行 分带，较好地将岩体风化分带与岩体结构、岩体工程特性紧密地结合起来。在岩体风化 程度的定量划分上作了新的探索。特征指标划分法能较全面地反映岩体的工程特性，但 由于各人试验方法，指标选取的不一致，至今仍没有统一的划分标准。 此外，有些学者在软质岩石风化分带的划分上，引用综合风化系数指标k ，可减少 单一指标划分可能造成的偏颇，甚至误判1 1 2 1 1 k = 二y ( 1 - 3 ) 捍钉 式中k 为不同测定方法所得的风化系数降低率；露为测试方法种类 1 2 2 模糊数学在岩士工程中的应用 模糊数学中的模糊集合，是以逻辑真值【o ，1 1 的模糊逻辑为基础，善于描述属性不 分明、边界不清的模糊概念。这种边界不清的模糊概念，是事物的一种客观属性，是事 物的差异之间存在着中间过渡过程的结果【n1 4 1 。模糊数学通过隶属函数作为桥梁，将不 确定性在形式上转化为确定性，将模糊性加以数量化，就可以用传统的数学方法分析处 理【圈。目前，模糊数学在岩土工程中的应用主要在边坡稳定性分析方面，如华南理工大 学的汪益敏【1 q 针对边坡岩体稳定性质量评价问题的多因素控制特点和判断的模糊性，充 分考虑参数的离散特性，利用随机数学理论确定隶属函数，对边坡岩体稳定性进行了更 切合实际的模糊综合评价；中国科学院武汉岩土力学研究所贾厚华等t 1 7 l 在随机可靠度理 论的基础上，将模糊数学的原理引用到随机分析中，为边坡的稳定性评价提供了一条新 的途径；辽宁工程技术大学蒋福兴掣1 8 l 对歪头山矿排土场边坡稳定性进行了模糊综合评 判。黑龙江省水利水电勘测设计研究院张焕智等【1 9 1 对边坡稳定性、膨胀土胀缩等级和岩 体质量进行了模糊综合评价 依据岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) ，岩体风化程度一般分为全风化、强风 化、中等风化、微风化、未风化五个级别，各风化带之问没有严格的界限，即各风化集 都是一个模糊集合，其内涵不是很清晰，外延没有明确的界限，各级之间的中间过渡状 态的分界点也是一个模糊界限。因此，岩体风化程度是模糊性现象的客观事物，将各类 风化岩体看作一个模糊集，用模糊数学的有关理论来定量评价岩体风化程度比较符合实 际。岩体风化程度的模糊综合评判法就是建立在模糊数学的基础上的，其数学模型在理 论上是可靠的，相对于传统的岩体风化评价方法，具有一定的合理性和科学性。 鉴于上述对岩体风化程度分带的理解，安徽省电力设计院禹峰等学者【1 5 】建立了岩体 风化的模糊综合评判模型，并探讨了模糊综合评判法在实际工作中的应用绍兴文理学 院刘春等【驯总结了四类2 0 项主要影响因素，采用两级模糊综合评判方法回黄麦岭磷矿 采场边坡岩体的风化程度进行研究，取得较满意的结果。经分析归纳，模糊数学在岩土 5 第一章绪论 工程的主要应用情况见表1 3 所示。 表1 - 3 模糊数学在工程地质分析中的应用 评判对象评判模型( 方法)隶属函数权重系数评判结果 根据大量的试验结果，按概率 边坡岩体稳定性质【1 6 j两级模糊综合评判 专家意见 切合实际 统计方法统计分析得到 边坡稳定性1 - i i模糊随机可靠度对称三角模糊数更合理 根据模糊近似推论公式确定 边坡稳定性1 1 8 】 两级模糊综合评判层次分析法 单因素的隶属度 边坡稳定性1 1 1一级模糊综合评判半梯形分布指标平均值法切合实际 膨胀土胀缩等级i ”l一级模糊综合评判半岭形分布指标平均值法 指标加权平均值 岩体质量f 1 明二级模糊综合评判半岭形分布 法和专家打分法 岩体风化程度i ”j一级模糊综合评判 正态分布函数专家打分法 效果良好 岩体风化程度i 驯 二级模糊综合评判半梯形分布专家打分法结果良好 经分析归纳，模糊数学在工程地质分析中的应用主要有两个方面的问题需要解决： 1 ) 隶属度的确定问题。隶属函数和隶属度是模糊集合应用于实际问题的基石。一 个具体的模糊对象首先应当确定其切合实际的隶属函数或隶属度，才能应用模糊数学方 法作具体的定量分析。正确构造隶属函数和隶属度是应用模糊数学的关键点，同时也是 难点【2 1 1 。上面工程地质分析中所涉及的隶属函数和隶属度就没有统一的确定标准有些 方法比较合理，如汪益敏的文章中根据大量的试验结果，按概率统计方法统计分析得到 隶属度的方法，但在岩土勘察中所得的数据是空间的函数，数据的的变异性较大，所以 在具体的工程往往根据经验来确定具体的隶属函数和隶属度。 2 ) 权重系数的确定问题。权重的确定以及其是否科学、合理，直接影响着分析结 果的准确性和有效性，是分析过程中的一个极其重要的因素。若权重分配违背了客观实 际，将引起评价结果失真从而有可能导致决策错误。常见给评价问题赋权重时，一般多 凭经验主观臆测，带有浓厚的主观色彩 用数学的方法确定权重，尽管仍掺杂有主观性。但因数学方法有严格的逻辑性而可 以对确定的权重进行。过滤”和。修复”处理，以尽量剔除主管成分，从而能有效减少 主观因素的影响，比较符合客观实际1 2 l 】。 1 3 承载力确定方法研究现状 目前，对风化岩石承载力的确定，一般采用以下几种方法： 1 、规范法：根据建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) ，以岩石单轴抗压强 度乘以折减系数方法。 2 、比拟法：参照已建工程采用的风化岩石承载力进行反演分析确定或比拟碎石类 6 第一章绪论 土承载力来大致确定。 3 、试验法：根据当地风化岩石工程地质特性、风化程度、岩石质量指标、点荷载 强度等进行确定。 1 3 1 单桩竖向极限承载力确定方法 单桩竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载的作用下，到达破坏状态前或出现不适于 继续承载的变形时所对应的最大荷载。其取决于土对桩的支承阻力和桩身的材料强度。 单桩竖向极限承载力标准值是表示设计过程中对相应桩基所采用的单桩竖向极限承载 力的基本代表值。在工程中确定单桩竖向极限承载力的常用方法有【3 5 l ：静载试验法、静 力触探( a 哪法、标准贯入( s i t ) 法、旁压试验法、动力检测法以及经验参数法等。实 践表明，单桩竖向极限承载力的确定就其可靠性而言，仍以传统的静载试验最高1 2 9 l ，其 次为7 0 年代发展起来的原位测试法，如静力触探、标准贯入，旁压试验等。 1 3 2 现行规范中嵌岩桩单桩竖向承载力的计算方法 嵌岩桩的承载性状是近年来国内外工程界和学术界十分关注的一个热点。嵌岩桩作 为端承桩的传统观念一直是土力学及基础工程教科书中的典型例子。世界许多国家的地 基规范( 包括我国建筑地基基础设计规范( g b j 7 - 8 9 ) ) 都规定嵌岩桩按端承桩设 计，完全不考虑桩侧阻力。在我国，不同的建设部门根据本行业的工程特征，编著了适 合本行业计算方法，下面分别介绍国内的几种规范中有关嵌岩桩竖向承载力计算的内 容 1 ) 只计算桩端阻力，其端阻力的确定方法是将岩石饱和单轴极限抗压强度( 新鲜 基岩、微风化、中风化岩) 乘以某个折减系数。建筑地基规范( g b5 0 0 0 72 0 0 2 ) 中 反映的即是此类计算模式，它只符合支承于基岩表面的短桩承载力性状。 2 ) 只计嵌岩部分的侧阻力和桩端阻力，不计覆盖土层的侧阻力这类方法流行于 桥基设计，主要可能是考虑到冲刷的影响而忽略全部土层的侧阻力。公路桥涵地基与 基础设计规范( j t j 0 2 4 8 5 ) 以及铁路桥涵设计规范( t b j 2 8 5 ) 即属此类计算模式， 但这两者用于计算长径比较大的建筑物。 3 ) 综合考虑了嵌岩灌注桩的长径比、覆盖土层性状、嵌岩段岩性、旌工工艺等因 素，按桩周土总侧阻力、嵌岩段总侧阻力和总端阻力三部分合成单桩极限承载力。这种 计算模式体现了我国9 0 年代嵌岩桩的最新研究成果和设计思想，也代表了嵌岩桩规范 方法的国际先进水平。这类规范有：建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 和灌注桩基础技 术规程等。 1 3 3 嵌岩桩竖向承载力的其他计算方法 1 、按静力法确定嵌岩桩竖向承载力 依据土工参数采用常规的土力学原理以静力分析方法估算嵌岩桩桩的极限承载力 7 第一章绪论 是常用方法之一，也就是把单桩极限承载力的计算用下式表示： 2 - “4 + 辜q , u m 一( 1 - 4 ) 式中： 吼，吼- - - - - 9 别为桩端阻力和桩侧阻力； 4 。桩端截面； 卜一桩的长度； 【厂桩的边长： 矽桩重。 对于桩侧阻力吼，一般通过库仑强度表达式( 1 - 5 ) 分析计算，一般有总应力法和有 效应力法两大类，包括口法、卢法、a 法、f l a t e 法和临界状态法等；对于桩端阻力吼， 用承载力理论分析计算 qic。+otan6(1-5) 式中：c 桩周土的内聚力； 以桩土界面的法向应力； 6 桩土界面的外摩擦角。 2 、利用岩体的二维h o e k - - b r o w n 强度理论确定嵌岩桩竖向承载力 王波澍韧等认为，嵌岩桩桩端阻力的确定实质上就是圆形基础在岩基上承载力的问 题。他们在考虑了岩体结构面、岩块单轴抗压强度、应力状态等影响因素的基础上，引 入了岩体的二维h o e k - - b r o w n 强度理论，利用极限平衡原理，参照条形基础下的破坏 模式，假设在半无限体上作用宽度为b 的条形均布荷载钆，并认为岩基的破坏属于楔 体破坏模式。岩基破坏时产生破坏主动区a 和破坏被动区b 如图1 - 1 所示。对于一个 无限长的扩展基础而言，基础下的岩体均处于三轴受压状态，从而推导出嵌岩桩端阻力 公式，得出嵌岩桩竖向极限承载力为： 见q 且+ 觋+ q h - 口毛k + h 呸i t q 陋厄蕊) + 厄f 丽雨1 6 ， 式中：q 0 ，既，玩桩周土极限侧阻力、嵌固力和桩端阻力； 吼桩端岩层以上的各层岩( 土) 体自重应力，即吼一q ， 其中，为各层岩( 土) 体自重，q 为各岩( 土) 层厚度。 允嵌岩深度； 嵌岩段承载力系数，与嵌岩深度有关； 晶覆盖层第i 层上的承载力发挥系数； 8 第一章绪论 g 。覆盖上层第i 层上侧阻力； m ，s 一一取决于岩体性质及岩石破坏程度的计算参数，m = o 0 0 1 2 5 ，扰动岩体取0 0 0 1 ，坚硬完整岩体取2 5 ； s = 啦! ，完全破碎岩石取0 ，完整岩石取1 。见表1 - 4 ； 吒岩石单轴抗压强度。 表1 4 所和j 取值表 白云岩泥岩安山岩辉长岩 岩体 灰岩粉砂岩 砂岩 玄武岩片麻岩 岩石质量石英岩 评分大理岩 页岩板岩 流纹岩 花岗岩 坍j，开s，刀5，疗j，玎s 完整岩石 1 711 011 511 712 51 质量很好的岩体，紧密啮合，未扰 动生岩石，含3 m 左右间距的未风 8 53 5o 15o 1808 50 11 30 1 化节理 质量好的岩体，新鲜之轻度风化的 岩石、稍受扰动含1 - 3 m 间距的 6 5o 7010 o 明201 70o 节理 质量一般的岩体，含几组问距 4 4o 11 0 4o 21 0 40l o 0 31 矿0 j1 0 r 4 d 3 1 m 中等发挥节理 质量差岩体，含间距3 0 - 5 0 0 r a m 的 许多风化节理。含断层清洁的废石 2 3o1 0 r 60 11 矿l1 矿o 11 旷0 11 旷 堆 质量很差的岩体，含间距小于 5 0 m m 的许多严重风化节理，节理 3d 0 d 700 0 1od 0 1 5od 0 1 70叫d 2 5o 含有断层泥细颗粒的废石堆 图1 - 1 基础楔体破坏模式 f i g 1 1w e d g ed a m a g em o d e lo f f o u n d a t i o n 3 、分项综合法 由于桩侧阻力和端阻力不能同步发挥，故取不同的安全系数计算单桩竖向容许承载 9 第一章绪论 力l 蚓，即 q o 一( a ：。+ q ，) 量，j + q ：h 毛( 1 - 7 ) 式中：k 桩侧阻力安全系数，一般取1 4 - 1 8 ； k 桩端阻力安全系数，一般取3 0 巧0 。 谢耀峰【捌的研究表明，分项计算的安全系数不但更符合嵌岩桩承载力传递特性，而 且综合考察安全系数时比规范安全系数还要小。 此外，s e e d 和r e e s e 在1 9 5 5 年首先提出的计算单桩荷载传递的荷载传递函数法方 法【柏】。这个方法的基本概念是把桩视作为由许多弹性单元体组成，每一单元体与土体之 间侧摩阻力用一非线性弹簧代替，非线性弹簧的力与位移的关系即表示桩侧摩阻力吼， 与桩土间相对位移s 的关系( 即桩侧荷载传递函数) 。桩底端的土也用一非线性弹簧代替， 这一非线性弹簧的力与位移的关系表示桩端阻力吼与桩端沉降s 的关系( 即桩端荷载传 递函数) 。赵明华、杨明辉等【4 1 】以荷载传递解析法研究嵌岩灌注桩桩周及桩底荷载传递 性状，并针对实际工程中桩周土体的加工软化和加工硬化型土的不同情况，建立了各种 土体与岩层的荷载传递统一模型。另外、赵明华等【4 2 】还结合现场嵌岩桩试桩资料，深入 分析了嵌岩桩的竖向承载机理，并提出了按桩顶沉降量控制嵌岩桩竖向承载力的设想及 其相应的计算方法。该方法可充分考虑桩侧土( 岩) 阻力及桩端岩层阻力的发挥程度， 尤其适用于超长嵌岩灌注桩竖向承载力的计算。 1 4 昌北千枚岩风化带划分的研究现状 昌北千枚岩呈淡绿色、褐色等杂色，以千枚岩、千枚状板岩为主，变质程度较深， 岩质软，易风化，风化后强度降低明显，尤其是强烈风化后呈粘土状或碎块状，饱和单 轴抗压强度一般小于1 0 m p a , 弹性模量1 0 0 6 0 0 m p a 。根据郑明新教授等的昌北地区 千枚岩风化带的划分及其承载力的确定 报告i 捌，在总结昌北地区千枚岩勘察资料的基 础上，得出针对南昌昌北地区千枚岩风化带划分的定量方法，见表1 5 表1 - 5 南昌昌北地区千枚岩风化带划分的定量方法 单轴抗压强度纵波波速波速比风化系数容重 风化程度野外特征 oo ( m p a ) ( m s )k 珞 k n m 3 未风化 3 0 4 0 0 0o 9 1 00 9 1 o 微风化2 0 - 3 03 0 0 0 - 4 0 0 0 0 8 - o 9 0 由9 2 2 中风化 1 5 2 01 5 0 0 3 0 ( m0 5 d 80 3 - o 8 2 0 见表1 - 2 无法取得岩芯， 强风化 7 0 0 - 1 5 0 00 3 0 j0 3 1 9 标贯击数3 5 全风化3 伽舢 0 1 o 3 1 0 第一章绪论 1 5 昌北千枚岩承载力研究的现状 昌北地区风化千枚岩在区域内分布广泛，随着南昌经济建设的发展，越来越多的工 业与民用建筑直接建于风化千枚岩上，且不同的建筑物选择不同的风化带作为基础持力 层，其中一般民用建筑物通常采用浅基础，直接以全风化或强风化层千枚岩为持力层， 而高层建筑和桥梁则采用桩基础，以中、微风化层为持力层。 刘建生等i 蚓在南昌昌北机场航站区千枚岩岩层中的标准贯入试验数据与平板载荷 试验成果的对比分析中，根据场地干枚岩的岩性、裂隙风化程度等综合分析，确定了昌 北千枚岩岩层的风层，提出以标准贯入试验击数( 未进行杆长修正) 3 0 击作为千枚岩岩层 分层的基本依据( 试验时遇到石英颗粒等异常情况除外) ，击数小于3 0 击时，划分为强风 化千枚岩带，击数大于3 0 击时，划分为中风化千枚岩带，并建立了千枚岩岩层中标准 贯入试验修正值n ( 击) ( 按岩土工程勘规范( 0 8 5 0 0 2 1 9 4 ) 中式1 2 2 4 - l 和1 2 2 4 2 进 行修正) 与地基承载力标准值五( c 2 , a ) 之间的线形回归方程。 强风化千枚岩： 中风化千枚岩： 正- 3 1 6 3 n + 2 1 8 6 五- - 9 8 2 4 n + 7 8 2 相关系数r - - 0 9 4 0 相关系数r - - 0 8 1 5 ( 1 8 ) ( 1 - 9 ) 在郑明新教授等昌北地区千枚岩风化带的划分及其承载力的确定 报告1 2 3 1 中，依 据土工试验和原位测试，结合昌北地区的建筑经验，对该区域千枚岩岩层以及上覆土层 的力学参数推荐如下( 见表1 - 6 ) 。 表1 - 6 南昌昌北地区千枚岩岩层以及上覆土层的力学参数推荐值 承载力特征值厶 干作业人工挖孔桩 岩土层名称 桩极限侧阻力标准值桩极限端阻力标准值 ( i a d a ) ( k p a ) ( 船，口) 粉质黏土z 撕 全风化于枚岩 2 8 01 3 02 0 强风化千枚岩 5 0 01 5 0 3 0 1 6 目前研究中存在的问题 1 、在对岩体的分化带划分过程中，会遇到这样的情况：在对同一组岩体样本的试 验数据分析中，按不同的划分标准会产生不同的划分结果，例如，对同一组岩体进行试 验后，得出容重和风化系数两组数据，分别按照容重和风化系数的划分标准划分，其结 果会归属于不同的风化带，即可能会产生同一组岩体按照不同的划分标准会归属于不同 的风化带。产生这样结果的主要原因就是岩体的五个风化程度集( 即未风化、微风化、 中等风化、强风化和全风化) 都是一个模糊集合，其内涵不是很清晰，外延没有明确的 界限，在各级之间的中间过渡状态的岩体的分界点也是一个模糊界限。所以用简单的定 性或定量方法评价岩体的风化程度，可能会因为评判标准的不统一而产生不同的评判结 1 l 第一章绪论 果，有时甚至可能产生错误的评判结果。 2 、目前还没有人对千枚岩中桩基础的荷载传递特征进行过研究，也没有相关的试 桩资料可供参考，静荷载试验作为主要的确定单桩承载力的方法，也是最可靠的试验方 法，但该方法的费用较高，工程勘察和建筑设计中有关千枚岩岩层的力学参数主要是结 合场地工程地质条件和地区建筑经验来确定，缺乏理论依据，很多设计都过于保守，这 与昌北地区的建筑规模很不协调，造成大量的工程浪费。 1 7 研究思路图 区域工程地质调查 确定因素集ll 确定评判集li 确定桩基承载力的f l a c 3 0 分析目标 确定因素隶属度l l 确定因素权重 风化程度模糊综合评判 提出昌北千枚岩风 化程度评判方法 确定分析模型 选取参数 工 模型运算 o - - s 曲l | 桩身竖向| | 桩身轴向| l 模型应力i | 模型竖向 线分析i j 位移分析l l 应力分析i | 区分析| | 位移云图 桩基侧阻力计算il 桩基端阻力计算 得出桩基侧 阻力推荐值 图1 - 2 研究思路图 f i g r l - 2s t u d yi d e e sc h a t 得出桩基端 阻力推荐值 第二章昌北地区区域工程地质概况 第二章昌北地区区域工程地质概况 2 1昌北地区水文地质概况 南昌昌北地区在造貌上地处西山梅岭山麓与赣抚冲积平原一级阶地接壤地 带，昌北千枚岩出露地带多为浅丘、岗垅，地面标高在2 6 0 0 - - 5 0 3 0 米左右，地势波状