（构造地质学专业论文）“红层”软岩地基承载力确定方法的研究.pdf

摘要 本文作者通过分析“红层”软岩力学性质和现有的软岩地基承 载力计算模式的特点，阐述了影响“红层”软岩地基承载力的主要因 素，结合最新软岩地基承载力确定的研究进展，并以长沙市“红层” 软岩地基承载力的确定为例，探讨了“红层”软岩地基承载力的确定 方法。文章第一次采用概率统计来分析长沙市“红层”软岩旁压试验 成果中临塑压力和岩石模量之间的关系，得出这两者之问相应的公 式，从而弥补了由于旁压仪压力的限制而在试验过程中无法测得真实 的临塑压力这一不足，使得利用旁压试验来所确定的“红层”地基软 岩承载力更符合实际。并在此基础上，对长沙市目前比较流行使用的 建筑物基础一桩基础的竖向承载性状进行了探讨，在总结目前所测试 软岩嵌岩桩竖向承载性状的特点和分析影响软岩嵌岩桩承载力的主 要因素的前提下，结合工程实例，给出了长沙市。红层”软岩中嵌岩 桩最佳嵌岩深度的计算模型。为软岩嵌岩桩的优化设计提供必要的理 论依据。 关键词：红层软岩地基承载力软岩嵌岩桩最佳嵌岩深度 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e t h ea u t h o rd i s c u s st h em e t h o do f t h eb e a r i n gc a p a c i t yo f f o u n d a t i o ni nr e d l a y e rs o f tr o c k ；b ya n a l y s i z i n gp h y c i a lm e c h a n i c so f r e d l a y e rs o f tr o c k , m a dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc a c u l a t i o n a lm o d e la b o u tt h e c e m f o r m a t i nb e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o ni ns o f tr o c ka tp r e s e n t ，a n d d e s c r i b i n gt h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o n i nr e d - l a y e r ss o f tr o c k ，a n dc o m b i n l n gw i t ht h en e w e s ts t u t ya b o u tt h e b e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o ni nr e d - l a y e r ss o f tr o c k , a tt h es a m et i m e t a k i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o ni nc h a n g s h a sr e d - l a y e r ss o f t r o c kf o re x a m p l e a n dt h ep r o b a b i l i s t i cm e t h o di sf i r s t l yu s e dt oa n a l r - s i z e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r i t i c a le d g ep r e s s u r ea n de l a s t i c i t ym o d u l u so f t h ep r e s s u r e m e t e rt e s t sd a t a , w h i c ho b t a i n st h ee x p e r i e l i c ef o r m u l a , t h e n m a k eu pt h el i m i t i n gp r e s s u r eo ft h ep r e s s u r e m e t e rw h i c hw i l ln o to b t a i n t h er e a l yc r i t i c a le d g ep r e s s u r eo fs o f tr o c k o ut h ib a s i s ，t h ev e r t i c a l b e a t i n go fp i l e ss o c k e t e di ns o f tr o c ki sd i s c u s s e dt h a ti sm o r ep o b u l a r b u i l d i n g sf o u n d a t i o nt h a tu s e di nc h a n g s h ai np r e s e n t t h ee a c u l a t i o n a l m o d e io ft h eb e s ts o c k e tl e n g t hi so b t a i n e db ys u m m a r i z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h et e s t sd a t ao ft h ev e r t i c a lb e a r i n go fp i l e ss o c k e t e di n s o f tr o c ka tp r e s e n t , a n da n a l y s i z i n gt h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h e v e r t i c a l b e a r i n go fp i l e ss o c k e t e d i ns o f tr o c k ，a n dc o m b i n i n gw i t h e n g i n e e r i n ge x a m p a l e t h i sw i l lp r o v i d et h et h e r o yb a s i sf o ro p t i m i z i n g d e s i g no f t h ep i l es o c k e t e di ns o f tr o c k k e yw o r d s ：r e d l a y e rs o f tr o c k ；b e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o n ；p i l e s o c k e t e di ns o f tr o c k ；t h eb e s ts o c k e tl e n g t h 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：池 日期： 一m _ , a j c g m h i 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：耻导师签名 均 中南大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 “红层”软岩的物理力学特性及其作为建筑物地基的利用现状 1 1 i “红层”软岩的分布特点 “红层”软岩泛指形成于侏罗系、白垩系与第三系泥岩、砂岩泥岩、粉砂岩、 砂岩、砾岩等软硬相间的层状岩体，外观上以红色、棕红色、砖红色为显著特征， 为内陆碎屑沉积建造，碎屑物质成分变化大，以泥质胶结为主，也有钙质及铁质 胶结，系软质岩石，俗称红层一在本文简称“红层”。广泛分布于世界上许多地 方，从寒武纪到现代各个时期均有出耐”。我国的“红层：形成于三叠纪至第四 纪的漫长历史时期，有着广泛的分布，主要分布在西南、华东、华南和西北地区， 它具有透水性弱、亲水性强、浸水后岩体强度软化、失水后易崩解，岩块饱和单 轴抗强度低( 小于3 0 m p a ) ，岩体层面之间抗剪强度低，特别是层面之间含水后 易产生层间滑动的特点。在空间分布上具岩性、岩相变化大，纵向回旋性明显等 特点，因此，其组成成分复杂，物理力学性质存在差异。 1 i 2 “红层”软岩的成分特征 形成于第三系至白垩系的粉砂质泥岩，一般是由固体相、液体相、气体相组 成的多相体，有时由两相组成。固体相是由许许多多大小不等、形状不同的矿物 颗粒按各种不同的排列方式组合在一起，构成软岩的主要成分。在颗粒之间的空 隙中，通常有液相的水溶液和气体形成三相体，有时被水或气体充填形成二相体。 颗粒、水溶液和气体这三个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混在一起地， 而是经过了漫长的地质过程地建造和改造作用使其相互联系、相互作用，共同形 成软岩的物质基础，并决定软岩的力学性质。 固相颗粒是软岩的最主要的物质组成，构成软岩的主体，是最稳定、变化最 小的成分，在三相之间相互作用过程中，一般居主导地位。其矿物成分主要为粘 土矿物( 4 5 8 5 ) 及少量石英( 6 2 1 ) 、云母( 微量2 ) 、方解石( o 1 2 呦和长石( 1 5 7 0 ) 等，常见圆状、杏仁状灰白色钙质充填物，裂隙常 夹薄膜状石膏、绿泥石。粉砂泥质结构，厚层状构造。局部含砾，不均匀地夹薄 层砾岩或泥质粉砂岩等。 参t 舭* 懦 中南大学硕士学位论文 。- 。二一州一+ 。+ 。+ 一“喜_ “ 第一章前言中南大学硕士学位论文 。4 - 稿州“+ 。+ ”+ 7 “穗4 “ 第一章前言 1 1 3 “红层”软岩的力学特征 l 、强度低。“红层”由于成岩时间短，成岩作用差，岩性变化大，岩体强度 低，胶结程度差，易风化。天然状态下的单轴抗压强度一般为2 2 5 m p a ，饱和 状态下的单轴抗压强度一般为0 5 4 m p a 。对于这类软质岩石，特别是小于5 m p a 的极软岩，据规范计算而得的岩石地基承载力设计值，在工程实践中直接使用是 不合适的。例如：f r k = 2 m p a 的中风化软岩，根据计算其承载力设计值f = - 3 4 0 5 0 0 k p a ，相当于硬塑坚硬状态的粘性土地基承载力，显然是不合理的。 2 、裂隙发育，一般呈闭合状态，空隙率及饱和吸水率低，岩石吸水能力较 弱；失水易干裂，浸水易崩解软化，在浸水状态下，其强度会明显降低，这与泥 岩的成分和风化程度密切相关。软化系数一般小于o 7 5 ，反映其水稳性差，为易 软化的岩石。 3 、该类岩石的主要物理力学性质指标变幅大，说明岩石本身是非均质的， 各向异性的。 4 、膨胀性。膨胀性。红层”软岩的成分与泥质有关，而泥质的主要成分是 粘土矿物。对于中生代“红层”软岩其主要粘土矿物为伊蒙混层，其次为高岭 石、伊利石，蒙脱石含量较少( 一般低于1 0 ) ，混层比多在5 0 7 0 ；新生 代的“红层”寻呼要粘土矿物为蒙脱石、伊蒙混层和高岭石。而粘土矿物的一 个主要性质为在溶液的作用下所表现出来的膨胀性。 1 i 4 “红层”软岩的工程力学特征 “红层”软岩之所以能产生显著塑性变形的原因，是因为软岩中的泥质成分 ( 粘土矿物) 和结构面控制了软岩的工程力学特性。一般来说，“红层”软岩具 有可塑性、膨胀性、崩解性，分散性、流变性、触变性和离子交换性等等。 1 1 5 “红层”软岩作为建筑地基的利用现状 由于该岩层除了不整合接触面有厚度不等的底砾岩外，岩性比较均一，均为 泥质粉砂岩，物理力学性质相近，厚度通常为几十米至数百米。上覆表土一般为 4 0 m 3 0 o m ，这一空间的分布特点，决定了这些岩层作为建筑物的持力层，相 对于上覆松散的第四系土层，无疑是良好的建筑地基。特别是近十几年来，随着 基础建设的加快，对“红层”软岩的利用是越来越广泛。 在四川、云南、甘肃、湖南、广东、广西、江苏、湖北等省份，随着各省( 区) 2 中南大学硕士学位论文第一章前言 公路建设高潮的到来，高等级公路应运而生，各条线路纵横交织，穿过“红层” 地区，以省会城市为中心的全省公路网正在形成。高等级公路建设中桥涵、高路 堤、深挖路堑和隧道等工程基础，大部分将置于“红层”岩层之上。 在武汉、南京、合肥、南宁、广州、长沙、重庆、贵阳等国内一些大中城市， 建筑物越来越趁向于向高空发展，建筑物基础荷载剧增，浅层地基已不能满足设 计要求，故建筑物基础常采用大孔径桩基础，并大部分采用人工护壁挖掘成孔工 艺，少量施工条件困难时采用机械钻井成孔的灌注桩，以中风化或微风化“红层” 作为建筑物的持力层。此外国内外的大部分地铁、煤矿和隧道等地下工程则直接 建于“红层”软岩中。 而大量的工程实践表明，现有的规范均不适用来确定“红层”软岩的承载力。 因此，研究“红层”岩石的物理力学性质更具有现实意义。对其进行物理力学特 征的研究，也就成为最富有意义的岩土工程研究的内容之一。本文也是在此前提 下结合国内外的最新研究进展，以长沙市“红层”软岩地基承载力的确定为实例 ， 对“红层”地基承载力的确定做进一步的研究。 1 2 国内外对“红层”软岩地基承载力的研究现状 软岩问题从2 0 世纪6 0 年代就作为世界性难题被提了出来，主要用于解决煤 炭生产和建设、隧道工程、地铁工程、公路和桥梁以及工业和民用建筑的基础等 等，并取得很好的成果。随着经济的发展，城市地铁和越来越多的高层建筑的建 设与泥岩等软岩直接发生作用，从而由以往的第四系松散沉积物的基础工程问题 转变为第三系泥岩的基础工程问题。对于此类基础工程问题，最关注的问题是泥 岩地基的强度和承载力在国内、外，许多学者从流变性质、遇水软化和现场试 验等方面入手，研究软岩的应力一应变关系，并在对软岩地基的勘察、软岩基础 的设计和施工的过程中，结合室内单轴和三轴抗压试验、原位平板载荷和旁压试 验以及数值模拟等，开展了对软岩地基承载力的研究，在不同程度上满足了经济 发展的需要，且积累了大量的经验。 1 2 1 软岩地基承载力确定的研究 l 、室内单轴抗压试验确定软岩地基承载力的研究 对于软岩，尽管根据单轴抗压试验所确定的地基承载力偏低很大，但是由于 受到传统的岩石地基承载力确定方法和单轴抗压试验易操作性的影响，目前岩石 地基承载力确定的国家标准建筑地基设计规范( g b j 7 - - 8 9 ) 2 1 和 抗拉强度听。对于长沙市 “红层”软岩由于其特定的工程地质条件，本文主要分析其抗剪强度t 。而“红 层”软岩的抗剪强度主要取决于以下两个方面： l 、粘土矿物含量。粘土矿物具有表面大、亲水性强、离子交换容量大等特 性，因此粘粒含量越高，岩石的抗剪强度越差。对于粘土矿物含量大于2 5 的泥 质岩类和粘土岩来说，其剪切破坏具有塑性破坏的特点，剪切位移大，弹性变化 范围小，剪切破坏过程具有明显的屈服阶段和流塑破坏过程。 2 、对于砂砾岩、砂岩来说，其抗剪强度主要取决胶结物的成分和胶结类型， 对于相同的胶结成分一般具有；t 基鹿壁 t 空髓_ 凇女，对于相同的胶结类型则有：t 硅詹壁矾麓奎) 呵铌重型。 2 3 结构构造对软岩力学性质的影晌 2 3 1 软岩结构对力学性质的影响 软岩结构对软岩力学性质的影响主要是结构差异的影响。一般等粒结构比非 等粒结构强度高。在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强。同时，晶粒之间结合 1 6 中南大学硕士学位论文 如t ，。k6 舭穗 ，7 移氟辟 第二章“红层”地基承载力的影响因素 紧密，强度较高，而可溶性结晶联接的，强度尽管也较高，但抗水性差。加上软 岩中有一部分是重结晶联结，其强度比其他坚硬岩石差得多。 2 3 2 岩石的构造对软岩力学性质的影响 岩石的构造对软岩力学性质的影响主要有岩石中矿物晶粒的排列，岩石颗粒 的胶结类型以及孔隙、微裂隙及其他微结构面等等。软岩颗粒与颗粒之间通过胶 结物连接再一起，岩石的强度取决于胶结物及胶结类型。 从胶结物来看，硅质、铁质胶结强度高，钙质次之，泥质胶结强度最低。从 稳定性来看，硅质胶结稳定，铁质胶结易风化，钙质胶结不耐酸，泥质胶结遇水 时降低很快。 从胶结类型来看，基质胶结，颗粒之间不直接接触，完全受胶结物包围，岩 石强度基本上取决于胶结物( 如图2 1 ) ；接触胶结，只在颗粒接触处才胶结， 胶结一般不牢固，故岩石强度低，透水性强( 图2 2 ) ：孔隙胶结，胶结物完全 或部分充填于颗粒之间的孔隙中，胶结一般牢固，岩石强度和透水性主要取决于 胶结物类型及其充填程度( 图2 3 ) 。 移黟雾 图2 - l 基质胶结 圈2 2 接触胶结 图2 3 孔隙胶结 软岩中的矿物成分和结构构造，是影响软岩力学性质的内在因素。由于岩石 的成因不同，形成的环境条件不同，导致软岩的矿物成分不同和结构构造千差万 别，即使同类软岩，其力学性质也因位置不同而有一个变动范围。 2 4 水对软岩力学性质的影响 水是泥质软岩力学性质发生变化的最主要因素之一，水岩相互作用使水稳定 性不同的泥岩强度和变形特征不同：水稳定性差的岩石，变形大，而且很快达到 极限荷载；水稳定性好的岩石，变形较小，强度降低低予水稳定性差的岩石。从 水岩作用角度，一方面不仅要考虑水对泥岩的物理一力学作用，另一方面还应考 虑水对泥岩的化学一力学作用：如水化学环境的改变引发泥岩颗粒及粒问的力学 中南大学硕士学位论文第二章“红层”地基承载力的影响因索 连结弱，导致泥岩结构强度发生变化。后者的作用往往被忽视，但它往往会使水 稳定性好的泥岩发生根本性变异。因此泥岩的水稳定性研究应包含水岩作用的两 个方面。水稳定性的评价应该在不同水化学环境下应用湿化崩解试验、干燥饱和 吸水率等指标加以评价，所以在工程上针对不同水稳定性岩石可采取不同的防止 地下水、地表水入渗的措施。 2 4 1 水对软岩物理一力学性质的影响 了解水对软岩物理一力学性质的影响，对研究软岩体工程围岩力学性质的变 化，有其重要的实际意义。水对软岩物理一力学性质的影响可归纳为五种作用， 即连接作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用。前三者作 用是由于赋存岩体中的结合水所造成的， l 、连接作用 连接作用是指结合水通过其吸引力将矿物颗粒拉近、拉紧，起连接作用。这 种作用在松散的“红层”强风化层表现明显，而对于“红层”的中风化层和微风 化层矿物颗粒之间的连接力远大于水的这种连接作用，故在这两层中的水连接作 用不明显，但对于被土和其他风化颗粒充填的结构面的力学性质的影响则比较明 显。 2 、水楔作用 如图2 4 所示，当两个矿物颗粒很近时，矿物与水之间的 吸附力使水分子向两矿物颗粒颗粒之间的缝隙挤入。这种作用 存在外力时表现明显。水分子挤入矿物之间后，使软岩体积发 生膨胀，产生膨胀压力，并使起连接作用的可溶盐溶解，胶体 水解，软岩强度降低。当外力加大时，由于外力大于水的吸附 作用所产生的膨胀力，水分子从矿物颗粒中被挤出来，水楔作 用消失。 图2 4 水楔作用 3 、润滑作用 由可溶性盐，胶体矿物连结的软岩，在水入浸时，可溶性盐溶解，胶体水解； 使原有的连接变成水胶连接，导致