岩石地基工程和设计

1 引言

工业与民用的建筑地基很少遇到岩石，特别是在城市范围内的建筑。岩石地基(Rock Foundation)主要应用在大坝、桥梁以及在山区内建造通讯塔站。以前曾经遇到过这样一个咨询项目，投资方要在一个人烟罕至的坡顶上建造一座通讯塔站，既没有道路可以到达拟建地点，更不用说进行岩土工程勘察，只能通过直升机降落在站点附近，而且也没有提供任何地质资料，显然要在这种情况下进行岩土工程评价和桩基础设计，需要冒很大的风险。在过去的公 众 号文章中，简要讨论过岩石地基的设计【基础工程---第二章: 天然地基上的浅基础 (1)】，并且给出了依据RQD简单估算岩石地基承载力的流程【基于RQD的岩石地基允许承载力估算】。本文在此基础上简要回顾了岩石地基的设计方法。

2 设计要求

岩石地基的设计至少需要验算三方面的内容：承载力、沉降和稳定性。

(1) 承载力。承载力一般依靠经验估算，主要参考过去的经验以及一些经验回归，岩体的承载力取决于RQD和地质结构，同时也必须考虑到暴露的岩石随着时间会发生风化，可以通过增大基础尺寸来满足承载力要求。岩石地基设计最麻烦的怕遇到岩溶(卡斯特)地层。岩体地基的承载力通常与岩石的单轴抗压强度成正比，在没有试验数据的情况下，可以参照【三大类岩石的强度特性(C2)(中英文词汇对照)】中建议的值选取。根据过去的数据，花岗岩的允许承载力最高，可达10MPa，而页岩、砂岩、粘土岩的允许承载力可能只有1MPa。

(2) 沉降。除了满足承载力要求外，还需满足沉降要求，特别是对于层状岩体。沉降计算方法可以借用土力学中的分层总和法，模量的取值可参考经验值或根据工程岩体分类方法估算岩体的变形模量。

(3) 稳定性。对于桥梁【桥梁结构设计: (2) 桥的类型(Types of Bridge)】和塔站地基(Transmission Tower Foundation)，岩石更多地受到拉力和倾斜载荷，因此稳定性计算更重要。在这种情况下，岩石地基的破坏型式与岩石边坡的破坏型式类似，可能发生平面滑动、楔形滑动、圆形滑动、屈曲滑动和差异沉降，进行需要进行非常仔细的稳定性计算。

3 设计手册

尽管有许多文献研究了岩石地基，但能用于实践的岩石地基设计手册很少见到，目前有两本比较系统的设计手册：

(1) USACE (1994) EM 1110-1-2908. Engineering and Design - ROCK FOUNDATIONS. 120p. AASHTO(2002) 也推荐使用这个手册的设计方法。 

 (2) Wyllie Duncan C. (2014) Foundations on Rock. Engineering Practice, Second Edition. 432p.  这本书理论与实践相结合，主要讨论了以下内容：

[1] 岩石地基的特点

[2] 岩体结构

[3] 岩石强度和变形

[4] 勘察和现场测试方法

[5] 承载力、沉降和应力分布

[6] 地基稳定性

[7] 重力坝和堤坝的地基

[8] 嵌岩式桥墩

[9] 受拉地基

[10] 岩石中的施工方法

4 结束语

岩石地基的研究起源于大坝工程【Gravity Dam: 重力式混凝土坝上浮压力计算】，早期的研究包括：

(1) Lane(1964)[Rock foundations: diagnosis of mechanical properties and treatment]和Rocha(1964)[Mechanical behaviour of rock foundations in concrete dams]分别在大坝会议上讨论了岩石地基的强度特性; 

(2) Serafim(1965)[Interstitial pressures on rock foundation of dams]讨论了岩石地基上的间隙压力; 

(3) Rosa(1969)[Studies of deformation properties of rock foundations of high arch and gravity dams in the USSR]讨论了岩石地基的变形特性;  

(4) Londe(1972)[The Mechanics of Rock Slopes and Foundations], Hoek(1974)[The Design of Rock Slopes and Foundations]，Peck(1976)[Rock Foundations for Structures], Kulhawy(1978)[Geomechanical  Model for Rock Foundation Settlement]。

岩石地基的设计方法还在不断进化，例如Kulhawy(2005)[Evaluation of Capacity of Rock Foundation Sockets] 研究了嵌岩桩承载力的估算，许多研究者使用各种数值模拟方法研究了岩石地基的强度和变形特性，包括使用先进的工程岩体分类GSI和Hoek-Brown准则。目前已经建立了一个数据集《Rock Foundation》用来更新岩石地基的设计方法。