混合基礎(chǔ)的地基承載力數(shù)值分析研究

徐佳易 唐永科 陸 偉

(1.常熟市水利工程建設(shè)管理處，江蘇 常熟 215500； 2.云南營造工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000)

混合基礎(chǔ)的地基承載力數(shù)值分析研究

徐佳易1唐永科2陸 偉2

(1.常熟市水利工程建設(shè)管理處，江蘇 常熟 215500； 2.云南營造工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000)

結(jié)合昆明市安寧地區(qū)某工程的地質(zhì)條件，提出將巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度作為混合基礎(chǔ)地基承載力的統(tǒng)一計(jì)算依據(jù)，并通過數(shù)值分析模型，進(jìn)行了混合基礎(chǔ)靜載試驗(yàn)，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

混合基礎(chǔ)，地基承載力，巖體材料，靜載試驗(yàn)

0 引言

修建于山區(qū)的建筑或靠近山體坡腳的建筑，由于地形地面以及基礎(chǔ)持力層起伏變化，巖石持力層上部的覆土層厚度不一致，基礎(chǔ)的形式及設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。除進(jìn)行建筑本身基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)外，還需要進(jìn)行邊坡的治理及支擋設(shè)計(jì)確保場(chǎng)地和主體建筑的安全及穩(wěn)定。同一棟建筑的淺基礎(chǔ)下，可能存在部分放在土層上、部分放在巖層上的土巖組合地基。同一棟建筑內(nèi)，也可能存在均以巖石為持力層的混合基礎(chǔ)。混合基礎(chǔ)的組合形式主要有淺基與墩基的組合，墩基與樁基的組合，甚至有三者并存的組合。

進(jìn)行混合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，持力層承載力的取值應(yīng)采用統(tǒng)一的依據(jù)。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范第5.3.8條及第6.5.1條，當(dāng)基礎(chǔ)持力層為完整、較完整、較破碎的巖層時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要由承載力控制，變形不起控制作用。本文以背景工程為例，將巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk作為混合基礎(chǔ)持力層承載力的設(shè)計(jì)依據(jù)，采用ANSYS WORKBENCH軟件平臺(tái)的相關(guān)模塊進(jìn)行數(shù)值分析研究混合基礎(chǔ)持力層的承載能力。

1 背景工程地質(zhì)條件

背景工程位于云南省昆明市安寧地區(qū)，工程場(chǎng)地位于山腳。根據(jù)該項(xiàng)目巖土工程地質(zhì)勘察報(bào)告，土層從上至下依次分布為雜填土、粘土、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖(較破碎)、中風(fēng)化泥巖(較完整)。地質(zhì)勘察報(bào)告提出采用淺基時(shí)持力層承載力特征值為0.45 MPa，采用樁基(人工挖孔灌注樁)時(shí)持力層承載力特征值為2.25 MPa。巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度值介于1.85 MPa～5.79 MPa之間，平均值為3.85 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為3.12 MPa，屬極軟巖。

部分棟號(hào)單棟內(nèi)同時(shí)采用了由淺基、墩基以及樁基組合而成的混合基礎(chǔ)，見圖1，為簡(jiǎn)化分析圖中的土層作了簡(jiǎn)化處理。混合基礎(chǔ)均以較破碎的中風(fēng)化泥巖為持力層。

持力層埋深小于3 m時(shí)采用獨(dú)立基礎(chǔ)，埋深大于6 m時(shí)采用人工挖孔灌注樁，埋深介于3 m～6 m時(shí)采用人工挖孔灌注墩。獨(dú)基全斷面進(jìn)入持力層深度不小于0.2 m，墩基和樁基全斷面進(jìn)入持力層深度不小于1.0 m。

2 以frk為依據(jù)進(jìn)行地基承載力計(jì)算公式的討論

混合基礎(chǔ)中，一般不同基礎(chǔ)形式入巖深度不一致，淺基的入巖深度一般為0.2 m～0.5 m，樁(墩)的入巖深度一般為1倍樁(墩)徑或1 m，為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)均不考慮基礎(chǔ)周圍土層的摩擦力，僅考慮入巖樁端承載力。規(guī)范對(duì)以巖層為持力層的基礎(chǔ)承載力計(jì)算公式的表達(dá)形式基本一致。

GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范第5.2.6條規(guī)定對(duì)完整、較完整和較破碎的巖石地基承載力特征值fa按式(1)計(jì)算：

fa=ψrfrk

(1)

其中，ψr為巖體構(gòu)造特征折減系數(shù)。對(duì)完整巖體可取0.5；對(duì)較完整巖體可取0.2～0.5；對(duì)較破碎巖體可取0.1～0.2。其中折減系數(shù)已經(jīng)考慮了承載力極限值和特征值之間2倍的安全系數(shù)。

JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范第5.3.9條規(guī)定了對(duì)完整和較完整的巖石樁基嵌巖段的總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qrk按式(2)計(jì)算：

Qrk=ζrfrkAp

(2)

其中，ζr為側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，與巖石硬度和樁端嵌巖深徑比有關(guān)；Ap為基礎(chǔ)底面積。

3 巖體材料力學(xué)參數(shù)的確定

巖塊或巖體的相關(guān)力學(xué)參數(shù)根據(jù)GB/T 50266—2013工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)通過試驗(yàn)確定，目前建筑工程地質(zhì)勘察報(bào)告一般通過室內(nèi)試驗(yàn)確定該項(xiàng)目場(chǎng)地巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk，以及巖塊的粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值ck和內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值φk。當(dāng)沒有條件采用試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)僅有的巖塊室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果、規(guī)范要求、理論分析以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定巖體材料的相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)已有的室內(nèi)巖塊試驗(yàn)結(jié)果及前文的理論推導(dǎo)，背景工程巖塊及巖體的主要力學(xué)參數(shù)見表1。其中巖塊為飽和狀態(tài)，巖體為自然狀態(tài)。

表1 巖塊及巖體主要力學(xué)參數(shù)

4 巖石材料本構(gòu)模型的選用

目前巖土材料常用的強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則基本是根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則演化而來的，當(dāng)巖石圍壓較小時(shí)采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可能會(huì)高估巖石的抗拉強(qiáng)度。為了解決這一問題，不少學(xué)者提出將Mohr-Coulomb準(zhǔn)則與Rankine準(zhǔn)則結(jié)合起來的復(fù)合屈服準(zhǔn)則[1]。子午面上的復(fù)合屈服準(zhǔn)則如圖2所示，材料破壞分為拉伸破壞和剪切破壞，拉伸破壞由Rankine準(zhǔn)則控制(圖2中當(dāng)壓力pp0時(shí))，p0可根據(jù)兩者相應(yīng)公式求取。

為避免巖土材料達(dá)到最大拉應(yīng)力失效后單元敏感性引起不合理的結(jié)果，材料屬性根據(jù)材料斷裂能理論考慮了巖石的拉伸應(yīng)變軟化[2]。拉伸應(yīng)變軟化曲線見圖3，圖3中A為陰影部分面積。

拉伸采用斜線軟化，該斜線為斷裂能Gf的線性函數(shù)，其坡度Slope根據(jù)式(3)計(jì)算：

(3)

其中，ft為單軸抗拉強(qiáng)度，Pa；L為單元長度，m；Gf為斷裂能，N·m。

5 混合基礎(chǔ)靜載試驗(yàn)的數(shù)值模擬

5.1 分析模型

數(shù)值分析研究混合基礎(chǔ)的地基承載力均采用靜載試驗(yàn)的方法，為簡(jiǎn)化分析基巖上部覆蓋土層按荷載考慮模擬圍壓的有利作用，覆土層壓力為覆土重度γd與覆土厚度H的乘積，基礎(chǔ)入巖深度統(tǒng)一按1 m考慮，即持力層埋深為H+1 m。進(jìn)行靜載試驗(yàn)加載前首先采用靜力分析引入初始地應(yīng)力。靜載試驗(yàn)數(shù)值分析采用1/4模型，其中基礎(chǔ)為1/4直徑1.2 m的圓形截面，見圖4。

人工挖孔灌注樁(墩)進(jìn)行擴(kuò)底時(shí)，擴(kuò)大頭高度范圍的巖體松動(dòng)，承載力計(jì)算時(shí)不應(yīng)考慮入巖深度范圍樁身混凝土與巖體的摩擦作用。以完整、較完整巖體為持力層的非擴(kuò)底基礎(chǔ)可考慮混凝土與巖體的摩擦作用。樁與土采用面面接觸，摩擦系數(shù)可參照GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范表6.7.5-2中土對(duì)擋墻基底的摩擦系數(shù)取值，混凝土與軟質(zhì)巖間的摩擦系數(shù)可取為0.4～0.6。由于背景工程為較破碎的泥巖，不考慮嵌巖段摩阻的有利作用，分析中巖石和混凝土側(cè)面及底面的接觸均按光滑面考慮。

材料模型采用已知粘聚力和內(nèi)摩擦角的本構(gòu)模型，材料的主要力學(xué)參數(shù)詳見表1中的巖體，材料力學(xué)參數(shù)為自然狀態(tài)。基礎(chǔ)混凝土材料假定為彈性。

5.2 靜載試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果

基礎(chǔ)埋深分別按1 m,3 m,5 m,7 m,9 m考慮，基本可涵蓋單棟基礎(chǔ)內(nèi)可能同時(shí)出現(xiàn)的混合基礎(chǔ)的不同埋深范圍。數(shù)值模擬試驗(yàn)加載壓力與豎向位移關(guān)系曲線見圖5。

根據(jù)JGJ 106—2014建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范，對(duì)于緩變型Q—s曲線，宜根據(jù)樁頂總沉降量，取s=40 mm對(duì)應(yīng)的荷載值作為極限荷載。背景工程將豎向變形為40 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的加載力作為極限承載力，見表2。由于數(shù)值分析采用的粘聚力和內(nèi)摩擦角為自然狀態(tài)的力學(xué)參數(shù)，而承載力計(jì)算時(shí)需要考慮飽和軟化，承載力極限值的軟化系數(shù)取泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)，即0.58。

表2 極限承載力與基礎(chǔ)埋深的關(guān)系

根據(jù)分析結(jié)果可知，基礎(chǔ)極限承載力與基礎(chǔ)的埋深基本呈線性關(guān)系，由于圍壓的有利作用埋深越深承載力越高，基礎(chǔ)埋深9 m時(shí)極限承載力約為埋深1 m極限承載力的1.21倍。數(shù)值分析的地基承載力特征值的巖體構(gòu)造特征折減系數(shù)ψr=0.26～0.31，比GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范建議值0.1～0.2較高，規(guī)范第5.2.6條條文解釋也作了相應(yīng)說明，經(jīng)試算和與已有的經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，條文給出的折減系數(shù)是安全的。背景工程數(shù)值分析的承載力特征值范圍為0.795 kPa～0.960 kPa。

針對(duì)持力層埋深為1 m的淺基礎(chǔ)，數(shù)值計(jì)算的承載力特征值為0.795 MPa，比地質(zhì)勘察報(bào)告提供的承載力特征值0.45 MPa高。

針對(duì)持力層埋深為7 m和9 m的樁基礎(chǔ)，嵌巖段的深徑比為0.83，倘若按JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范中嵌巖樁進(jìn)行計(jì)算，側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)ζr=0.9，考慮極限值和特征值2倍的安全系數(shù)后側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)為0.45。按巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算的嵌巖樁基的持力層承載力特征值為1.404 MPa，比地質(zhì)勘察報(bào)告提供的樁基的承載力特征值2.25 MPa低，由于背景工程為較破碎泥巖，不能考慮嵌巖段摩擦，此計(jì)算承載力作為比較參考。數(shù)值計(jì)算的未考慮嵌巖段摩擦的樁基持力層承載力特征值埋深7 m為0.925 MPa，埋深9 m為0.960 MPa，均比地質(zhì)勘察報(bào)告提供的承載力特征值2.25 MPa低。由于地質(zhì)勘察報(bào)告中提供的樁基端阻承載力特征值未考慮飽和軟化的影響，故比基于巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為依據(jù)計(jì)算的考慮軟化的承載力特征值高出許多。若埋深9 m按地勘報(bào)告樁基承載力特征值2.25 MPa計(jì)算，而埋深1 m按地勘報(bào)告淺基承載力特征值0.45 MPa計(jì)算，則在相同的上部荷載作用下基礎(chǔ)埋深1 m時(shí)設(shè)計(jì)的基底面積約為9 m埋深基底面積的5倍，導(dǎo)致混合基礎(chǔ)剛度不均勻，存在極大的安全隱患。

6 結(jié)語

通過對(duì)背景工程混合基礎(chǔ)地基承載力的數(shù)值分析研究，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：1)進(jìn)行巖土工程數(shù)值分析時(shí)，盡量采用試驗(yàn)確定巖石材料的彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角、單軸抗壓抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。并應(yīng)分別給出巖體和巖塊的力學(xué)參數(shù)，且應(yīng)分別給出自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的力學(xué)參數(shù)。2)若無條件進(jìn)行試驗(yàn)，可根據(jù)規(guī)范要求、理論分析及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定巖石的力學(xué)參數(shù)。3)材料的本構(gòu)模 型應(yīng)根據(jù)分析的目的以及材料特性選用，建議采用Rankine與Mohr-Coulomb的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。4)以巖層為持力層的混合基礎(chǔ)一般為承載力控制，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)必須采用統(tǒng)一的依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。通過對(duì)背景工程的研究，認(rèn)為以飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行持力層承載力計(jì)算是可靠和安全的。

[1] 常曉林,馬 剛,劉杏紅.基于復(fù)合屈服準(zhǔn)則的混凝土塑性損傷模型[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2011,43(1):1-7.

[2] Brett A.Lewis.Manual for LS-DYNA Soil Material Model147[M].U.S.Department of Transportation McLean:Federal Highway Administration,2004.

Numerical analysis research on the ground bearing capacity of mixed foundations

Xu Jiayi1Tang Yongke2Lu Wei2

(1.ChangshuWaterConservancyEngineeringConstructionAdministrativeOffice,Changshu215500,China;2.YunnanYingzaoEngineeringDesignGroupCo.,Ltd,Kunming650000,China)

Combining with the geological conditions for some project in Anning area of Kunming, the paper points out the rock saturated uniaxial compression strength can be taken as the unified calculation reference for the ground bearing capacity of the mixed foundation, undertakes the static loading experiment of the mixed foundation by the numeric analysis model, and achieves some conclusions.

mixed foundation, foundation loading capacity, rock material, static loading experiment

1009-6825(2017)05-0090-03

2016-11-24

徐佳易(1982- ),男，工程師； 唐永科(1988- )，男，助理工程師； 陸 偉(1982- )，男，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

TU470

A