核电工程倾斜层状岩石地基横观各向同性分析

　　由于岩体的强度较高、刚度较大，岩体作为一般建（构）筑物的地基一般均可以满足上部结构荷载要求，不会出现过量变形或破坏的可能性。但岩体内的结构面等情况会影响岩体地基的均匀性。目前，国内核电项目多采用岩体地基作为核岛天然地基持力层。在进行核岛基础及上部结构设计分析时，需同时从静态和动态等方面进行分析，静态方面的分析包括地基承载力、变形和稳定性等，动态方面的分析主要包括地基-结构动力相互作用计算分析等。如果地基岩体内的层面或结构面等存在较大的不均匀性和各向异性，则地基岩体在上部荷载作用下的应力分布、变形特性、承载力和抗震分析方面均存在较大的复杂性。如果地基岩体在水平方向上是各向同性的（横观各向同性），则可简化为均质成层介质，相应的核岛地基基础分析和评价工作可相应简化。

由于岩体内部结构面的存在，一般具有一定的各向异性，许多研究者从波速、强度和变形等方面对岩石的各向异性进行了较多的试验研究[1]～[4]，得到了岩石各向异性的一些规律性认识，也认识到各向异性对工程项目存在影响[5]，但从工程应用角度对建（构）筑物的地基岩体的各向异性或均匀性的评价方法研究并不多。现有的文献资料也大多集中于地基土的均匀性方面，国内的相关标准规范，如《岩土工程勘察规范（2009年版）》（GB50021-2001）[6]和《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[7]对地基的均匀性有明确的规定，但均没有具体的评价准则，《高程建筑岩土工程勘察规程》（JGJ72-2004）[8]对地基均匀性评价提出了量化的评价准则，但并不适用于岩石地基。国内石振明等对某重大工程的岩体地基从地质构造、波速、承载力和沉降等方面，并结合Hoek-Brown准则对岩体地基均匀性进行了分析研究[9]，为岩石地基的均匀性评价提供一个分析实例。

本文拟通过某核电工程项目的岩土工程勘察实例，从静态和动态方面对倾斜层状岩石地基的横观各向同性（取横观各向同性平面平行于水平面）分析方法进行初步探讨，以期从静态和动态等角度进一步丰富对岩体地基各向同性评价方法的认识。

1工程概况

某核电工程项目地处某内陆省水库岸边，主厂房区原地貌单元属丘陵地貌区，山体呈长垄状，山体整体走向为北东-南西向。现场地已整平，原始地貌被剥除或覆盖。

主厂房区域场地内地层包括第四系人工填土层（仅局部分布）和上白垩统-第三系的灰质砾岩、砂砾岩和泥质粉砂岩。

厂址区地质构造主要为节理裂隙、层理和一个位于主厂房外的前第四纪微小断裂。根据工程地质测绘与钻探揭露，主厂房区总体裂隙不发育，分布稀疏。根据统计结果，主要发育两组节理裂隙，一组节理15～35°∠76°（倾向∠倾角），另一组节理130～160°∠75°（倾向∠倾角）。场坪标高以下4.0m左右范围内，节理裂隙较为发育，岩体在深部节理裂隙不发育，节理平直，节理面粗糙，多呈闭合状，结合一般。上白垩统—第三系岩层具体表现为向北西倾斜，层面倾向NW320°～NE30°，倾角10°～30°，灰质砾岩层理面间距为0.5～1.0m，局部大于1.0m；砂砾岩和泥质粉砂岩层理面间距为0.2～1.0m，局部大于1.0m。另外，根据工程地质测绘、钻探和物探等手段综合分析，在主厂房基础底面标高以下未发现岩溶作用。

厂址区水文地质条件简单，地下水类型主要为基岩裂隙水和部分岩溶裂隙水。基岩裂隙水含水岩组为上白垩统-第三系的砂砾岩和泥质粉砂岩。基岩裂隙水的赋存主要受构造裂隙和风化裂隙控制，岩溶裂隙水含水岩组为上白垩统-第三系的浅部灰质砾岩。场坪标高以下0.0～4.0m左右范围内岩体较破碎，岩体节理裂隙发育，节理张开度较大，为地下水提供了一定的活动和赋存空间，形成了暂时相对统一的地下水位；深部微风化岩体节理裂隙总体不发育，多呈闭合状，基岩裂隙水和岩溶裂隙水只在局部范围内连通而构成互不联系的脉状含水系统及其它呈封闭状态的微小水体，无统一分布稳定的地下水位，形不成完整的地下水体。地下水径流途径、速度受地形条件控制，最终排入厂区边的水库。 

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2倾斜层状岩石地基横观各向同性分析

在核岛地基基础的静态和动态设计分析中，对地基岩土体的建模是一个重要的方面，地基的特性直接决定了后续的计算分析。一般地，如果地基岩土体是水平层状均匀的，则可以使后续的计算模拟相对比较简单；而如果地基岩土体是各向异性的，则会为后续的计算分析带来较大的困难，特别是在地基-结构动力相互作用计算分析方面。因此，在岩石地基横观各向同性分析中需同时考虑静态和动态方面的特性。

在本研究中，以本核电项目的1号核岛地基为例，本核电工程项目核岛基础为一个整体箱型基础，基础埋深为12m，其在平面上为一个不规则的形状，长约78m，最大宽度约49m。结合本工程厂址岩土工程勘察试验成果，从地基地质特征和地基岩石力学性质指标、地基岩体模量（静态）以及地基岩体波速（动态）等方面对本工程核岛地基的横观各向同性进行分析研究。在分析研究中，取横观各向同性平面平行于水平面。

2.1根据地质特征和地基岩石物理力学性质指标进行分析

根据岩土工程勘察成果，1号核岛基础底面以下主要为微风化砂砾岩和微风化泥质粉砂岩。从核岛基础底面工程地质切面图（图1）看，在基础底面标高处，微风化砂砾岩区域和微风化泥质粉砂岩区域约各占一半；从核岛区域钻孔看，在基础底面以下较深处（基础底面标高以下约25m至更深处）泥质粉砂岩主要以夹层的形式出现，厚度不一，分布不稳定，局部尖灭。


根据工程钻探与地质测绘，两类岩体层面间接触紧密，地基岩体总体上裂隙不发育，裂隙多呈闭合态，地基岩体中未发现软弱结构面。两类岩体完整程度均为较完整～完整的岩体。微风化砂砾岩岩体基本质量等级一般为Ⅲ～Ⅳ级，微风化泥质粉砂岩岩体基本质量等级一般为Ⅳ级，略有差别。

根据室内试验试验成果，两类岩石的部分基本物理力学性质指标见表1。从表1可以看出，两类岩石主要的物理力学方面的指标比较接近，变化不大。

根据现场钻孔弹性模量测试成果，微风化砂砾岩变形模量为4.64GPa，微风化泥质粉砂岩变形模量为2.33GPa。根据岩石的单轴饱和抗压强度按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）计算得到的两类岩体地基承载力特征值见表2。由表2可以看出，微风化岩石的地基承载力均很高，均远大于核岛地基承载力（约500kPa）的要求，且地基岩体的变形模量很大，核岛采用微风化岩石作为天然地基持力层，不会发生地基的不均匀压缩变形。根据现场波速测试成果，风化砂砾岩剪切波速为1569m/s；微风化泥质粉砂岩剪切波速为1541m/s，两者很接近，从抗震动力分析来看，可将两类岩体作为均匀综合体。


从上述分析可以看出，虽然核岛地基存在两种不同岩体，但两类岩体接触紧密，从岩体工程地质特征以及地基力学性质指标来看，两类岩石在工程地质特征、基本物理性质、水理性质、抗剪强度、承载力、变形指标和动态性质指标等方面差别不大。另外，由于本项目并不涉及高寒、高温或地温异常区域，岩石热学特性不会影响本工程项目的论证设计，根据工程试验经验，同属于沉积岩的两类岩石的热学性质指标差别也不大。因此，从工程应用角度来看核岛地基在水平面方向内是均匀的。

2.2根据地基岩体不同方向模量特征进行分析

岩体模量反应了岩体的变形特征，如果岩体在不同方向存在各向异性，则其在不同方向的变形特征也会存在差别。

在岩土工程勘察过程中，1号核岛区布置5个钻孔的不同深度进行钻孔弹性模量测试，为了评价地基岩体的各向异性，在每个钻孔内进行两个方向的测试，测试方向按大致顺岩层走向235°和垂直岩层走向325°进行。通过可移动的探头，对钻孔孔壁施加径向压力，测出岩体在压力作用下产生的变形量，根据岩体压力与变形关系曲线求出岩体的弹性模量和变形模量。测试时，将钻孔弹模仪放置到所需试验部位深度，先加一定的压力值（5MPa），使承压板顶住孔壁，测读位移传感器及压力表的初始值。在钻孔弹模测试的结果整理时遵循以下原则：小于5MPa的压力段定义为贴壁压力，不予考虑；以5～50MPa压力段的割线模量定义为变形模量。

将垂直岩层走向变形模量E01和顺岩层走向变形模量E02的比值定义为各向异性系数ME，即

根据钻孔探模测试结果，对核岛基础底面以下岩体的各向异性系数ME进行统计，由此可知，核岛基础底面以下微风化砂砾岩的各向异性系数ME的变化范围为0.68～1.63，平均值为0.96；微风化砂泥质粉砂岩的各向异性系数ME的变化范围为0.73～1.38，平均值为0.92；将两种岩体进行综合统计，各向异性系数ME的变化范围为0.68～1.63，平均值为0.96。因此，核岛基础底面以下岩体的各向异性不明显，可将其在水平方向作为各向同性体。

2.3根据地基岩体不同方向波速特征进行分析

岩体的剪切波速反应了岩体的动力性质，是地基-结构动力相互作用计算分析的重要参数。如果岩体在不同方向存在各向异性，则其在不同方向的动力特征也会存在差别。

在岩土工程勘察过程中，1号核岛区布置了两组方向相互垂直的测试孔组，采用“一发双收”（在一个钻孔中激发地震波，在激发孔同一侧的两个钻孔中接收地震波）的型式进行测试，一组布置方向与岩层的走向近似平行（XK20～XK20-1～XK18），另一组布置方向与岩层走向近似垂直（XK12～XK12-1～XK18），测试时震源和接收检波器在每一测点都保持同一标高，每1m一个测试点；钻探过程中对每个钻孔进行孔斜测量，利用孔斜数据对同一标高的每个测点的距离进行校正，保证地震波在两个接收点之间的传播时间和传播距离的准确性，从而获得准确的波速数据。

将垂直岩层走向变形模量Vs1和顺岩层走向变形模量Vs2的比值定义为各向异性系数MS，即

根据跨孔波速试结果，各向异性系数MS随测试深度的变化曲线见图3。由此可知，核岛基础底面以下岩体的各向异性系数MS的变化范围为0.86～1.085，平均值为1.02，各向异性不明显。

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2.4横观各向同性综合分析

从上述各方面的分析研究可知：

①虽然本项目核岛地基存在两种不同岩体，但两类岩体接触紧密，在工程地质特征、基本物理性质、水理性质、热学性质和抗剪强度等方面差别不大；

②在强度和变形特性方面，两类微风化岩石的地基承载力均很高，均远大于核岛地基承载力（约500kPa）的要求，且地基岩体的变形模量很大，核岛采用微风化岩石作为天然地基持力层，不会发生地基的不均匀压缩变形；

③在动态抗震分析方面，两类微风化岩石的剪切波速分别为1569m/s和1541m/s，两者很接近；

④核岛基础底面以下岩体的变形模量的各向异性系数变化范围为0.68～1.63，平均值为0.96，各向异性不明显；

⑤核岛基础底面以下岩土的剪切波速的各向异性系数变化范围为0.86～1.085，平均值为1.02，各向异性不明显。

由此可知，虽然本项目核岛地基为倾斜层状岩体，但地基岩体在地质特征、静态和动态方面在平行于水平面方向的各向异性并不明显，从工程应用角度来看可作为横观各向同性岩体，从而简化后续核岛地基的静态以及抗震分析评价。

3结论

通过某核电工程项目的岩土工程勘察实例，对倾斜层状岩石地基的横观各向同性进行综合分析评价，得到如下结论和认识：

①在核岛岩体地基横观各向同性分析中，不仅应从静态方面进行分析，还应考虑地基岩体的动力学特征。

②地基岩体不同方向的模量特征和波速特征是分析横观各向同性的重要方面。

③从地质特征、地基岩石物理力学性质指标、地基岩体不同方向模量特征和地基岩体不同方向波速特征等静态和动态方面对倾斜层状岩石地基的横观各向同性（取横观各向同性平面平行于水平面）进行了分析评价，得出本核电项目核岛地基在平行于水平方向上是各向同性的，在核岛地基基础设计分析中可简化为均质成层地基。

参考文献：

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[4]严蓬蓬，陈宇，沈建国，等.用横波波速测定岩石的各向异性[J].测井技术，2003，27（5）：356-359.

[5]杨令强，武甲庆，秦冰.横观各向同性层状岩石地基对高拱坝的影响[J].水资源与水工程学报，2007，18（3）：6-9.

[6]GB50021-2001，岩土工程勘察规范（2009年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[7]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[8]JGJ72-2004，高程建筑岩土工程勘察规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[9]石振明，王友权.某核电工程岩体地基均匀性评价[J].水文地质工程地质，2010，37（3）：59-62.