利用抗剪強(qiáng)度計算地基承載力特征值方法探討

潘廣燦，張金來，郜松杰

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊，河南鄭州 450016)

利用抗剪強(qiáng)度計算地基承載力特征值方法探討

潘廣燦，張金來，郜松杰

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊，河南鄭州 450016)

利用不同地層情況的計算實(shí)例，分別采用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)厚度加權(quán)平均法和附加應(yīng)力面積法對地基承載力特征值進(jìn)行計算，對計算結(jié)果進(jìn)行分析，對不同的計算方法的理論原理進(jìn)行了剖析，提出利用附加應(yīng)力系數(shù)法計算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的結(jié)論。同時提出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用不固結(jié)不排水剪指標(biāo)，當(dāng)持力層為粉土?xí)r應(yīng)對其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行75%的折減的方法和建議。為合理利用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算地基承載力特征值提供了有益的參考。

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值;地基承載力特征值;厚度加權(quán)平均法;附加應(yīng)力面積法

1 問題的提出

地基承載力特征值fa是巖土工程勘察中最重要的參數(shù)之一，它的大小直接影響工程造價和建筑物的可靠性?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007－2002)第5.2.5條規(guī)定:當(dāng)基礎(chǔ)偏心距e小于或等于0.033倍基礎(chǔ)底面寬度時，根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，按下式確定地基承載力特征值:

式中:Mb、Md、Mc——承載力系數(shù)，取基底下1倍短邊寬深度內(nèi)土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值φk;b——基礎(chǔ)底面寬度，大于6 m時按6 m取值，對于砂土小于3 m時按3 m取值;γ——基底底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度;γm——基底底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度;Ck——基底下1倍短邊寬深度內(nèi)土的粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值［1］。

但是在公式使用過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)基底下1倍短邊寬深度內(nèi)的土層為多層土?xí)r，規(guī)范中未對Ck、φk取值進(jìn)行說明，目前在實(shí)際應(yīng)用時常采用厚度加權(quán)平均值法、附加應(yīng)力面積法進(jìn)行取值?，F(xiàn)通過實(shí)例計算進(jìn)行探討，從而找出合適的取值方法。

2 計算實(shí)例情況

計算實(shí)例分2種情況。

第一種情況(上軟下硬):基礎(chǔ)短邊寬度b=5 m，基礎(chǔ)埋深d=2 m，在基底下面1倍短邊寬深度內(nèi)為3層粉質(zhì)粘土，基礎(chǔ)持力層為第①層，基礎(chǔ)底面下第①層厚度為1.0 m，第②層厚度為2.0 m，第③層厚度為2.0 m，各層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 第一種情況基礎(chǔ)底面下土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

第二種情況(上硬下軟):僅將基礎(chǔ)下第②層與第③層位置進(jìn)行互換，其余均與第一種情況相同。

3 厚度加權(quán)平均法

所謂厚度加權(quán)平均法就是承載力計算的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)以基底下1倍短邊寬度b=5 m深范圍內(nèi)各土層的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的厚度加權(quán)平均值進(jìn)行計算，計算公式如下:

式中:Ck、φk——基底下1倍短邊寬度b深范圍內(nèi)各土層的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Cik——第i層的抗剪強(qiáng)度粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值;φik——第i層的抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 地基承載力特征計算成果表

從表2可看出，按厚度加權(quán)平均法計算的地基承載力特征值fa在持力層第①層不變情況下，第②層及第③層互換后，Ck、φk及地基承載力特征值沒有發(fā)生任何變化。

4 附加應(yīng)力面積法

附加應(yīng)力面積法主要是依據(jù)各向同性均質(zhì)線性變形體理論進(jìn)行計算，即計算過程中引入平均附加應(yīng)力系數(shù)，計算基礎(chǔ)下1倍短邊寬度深度范圍內(nèi)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Ck及φk公式如下:

式中:Ck、φk——基底下1倍短邊寬度b范圍內(nèi)各土層的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Cik——第i層的抗剪強(qiáng)度粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值;φik——第i層的抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值;、——第i層及第i－1層土的基礎(chǔ)底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù);Zi、Zi－1——基礎(chǔ)底面至第i層、第i－1層土底面的距離，可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007一2002)附錄K采用。

Ck、φk計算見表3，其它計算參數(shù)及承載力特征值計算結(jié)果見表4。

表3 Ck、φk計算表

表4 地基承載力特征計算成果表

從表3、表4的結(jié)果可看出，按附加應(yīng)力面積法計算的地基承載力特征值fa在第一種情況下和第二種情況下分別為214.36和220.71 kPa，兩者相差6.36 kPa。

5 對比及分析

按厚度加權(quán)平均法計算的2種情況下fa完全一致，用附加應(yīng)力面積法計算的fa兩種情況下相差6.36 kPa，為檢驗(yàn)其合理性，采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007－2002)(5.2.4)式的深寬修正公式計算持力層的地基承載力特征值fa進(jìn)行對比分析。

式中:fa——修正后的地基承載力特征值;fak——地基承載力特征值;ηb、ηd——基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)，查表5.2.4。

計算結(jié)果見表5。

表5 地基承載力特征值計算成果表

從上面計算結(jié)果看出:在第一種情況下以深寬修正公式計算的fa值比用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)加權(quán)平均法計算的fa值小3.93 kPa，比用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)附加應(yīng)力面積法計算的的fa值大3.56 kPa;在第二種情況下以深寬修正公式計算的fa值比用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)加權(quán)平均法計算的fa值小3.93 kPa，比用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)附加應(yīng)力面積法計算的的fa值小2.79 kPa。

分析造成不同方法計算的地基承載力特征值fa不同的原因，主要是:

(1)土是一種非連續(xù)、各向異性明顯的介質(zhì)，即使是同一土層，其性質(zhì)仍有一定的差異;

(2)基礎(chǔ)應(yīng)力的影響與地層距基礎(chǔ)底面的距離成反比，即土層距離基礎(chǔ)底面越近，基礎(chǔ)應(yīng)力對該土層的影響越大，也就是說基礎(chǔ)下不同地層的分布排列情況變化肯定會對地基承載力特征值fa產(chǎn)生影響。深度修正公式只考慮地基持力層的性質(zhì)，而沒有考慮基礎(chǔ)下影響深度b范圍內(nèi)其它地層的影響;厚度加權(quán)平均法雖然同時考慮了持力層及基礎(chǔ)下影響深度b范圍內(nèi)的其它地層的影響，但卻沒有考慮到地層距基礎(chǔ)底面距離的影響;附加應(yīng)力面積法不但考慮了持力層及其基礎(chǔ)下影響深度b范圍內(nèi)的其它地層的影響，同時考慮了地層距基礎(chǔ)底面距離的影響。正常情況下，在基礎(chǔ)持力層不變時，第一種情況(即上軟下硬)持力層fa值應(yīng)該比第二種情況(即上硬下軟)小，因?yàn)檐浀貙泳嗷A(chǔ)底面近、基礎(chǔ)產(chǎn)生的附加應(yīng)力大，其對基礎(chǔ)承載力特征值的影響也大，反之亦反。

由以上分析綜合判定:以抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算fa值時采用附加應(yīng)力面積法合理。梁俊勛、覃再肯認(rèn)為采用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算地基fa值時可直接采用基礎(chǔ)持力層的抗剪強(qiáng)度值進(jìn)行計算［2］，雖然是一種處理方法，但筆者認(rèn)為這種方法有明顯的局限性，因?yàn)闆]有充分考慮地基下多層土對fa值的影響。當(dāng)然，以抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算的fa值與以深寬修正公式計算的fa值均是規(guī)范中提供的方法，但二者計算的方法是不同的，深寬修正公式是以由荷載試驗(yàn)或其它原位測試并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方法確定的fak為基礎(chǔ)，而利用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算的fa是以抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為基礎(chǔ)，哪個公式更加合理無法定論，在實(shí)際應(yīng)用中可利用這2個公式并結(jié)合其它經(jīng)驗(yàn)綜合評價地基的fa值。

在計算地基承載力時抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)該采用不固結(jié)不排水剪指標(biāo)，當(dāng)有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時可結(jié)合直剪試驗(yàn)結(jié)果綜合確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)［3］。當(dāng)持力層為粉土?xí)r，由于粉土易失水使其指標(biāo)失真，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用不固結(jié)不排水剪指標(biāo)打75%折扣［4］。

利用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算地基fa值僅是確定地基承載力的一種方法，在實(shí)際應(yīng)用上應(yīng)盡可能采取多種勘察手段(如多功能靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜載荷試驗(yàn)等)，通過其所獲得的數(shù)據(jù)和資料，經(jīng)過分析、對比，并通過工程施工檢測、監(jiān)測所獲取的實(shí)測資料反算得到的參數(shù)作為對比依據(jù)，確保所提供的地基fa值的可靠性［5］。值得注意的是，一般情況下雖然可以采用附加應(yīng)力面積法計算fa值，但其也有一定的適用范圍，例如當(dāng)基礎(chǔ)下1倍短邊寬度的深度范圍內(nèi)有一層工程地質(zhì)性質(zhì)明顯很差的地層(例如2 m淤泥)，由于其承載力及壓縮模量相當(dāng)?shù)?，這種情況下就不能用這些方法了，可以采用該最軟弱地層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行計算。

6 結(jié)語

土是一種各項(xiàng)異性十分明顯的介質(zhì)，當(dāng)基底下1倍短邊寬深度內(nèi)為多層土組合時，用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算地基承載力特征值，其指標(biāo)的取值方法對計算結(jié)果的可靠性影響甚大。若抗剪強(qiáng)度指標(biāo)按厚度加權(quán)平均法進(jìn)行計算，會因計算條件與實(shí)際條件的偏差，使計算結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。采用附加應(yīng)力面積法進(jìn)行計算的方法在理論上更為合理，為此，筆者提出該觀點(diǎn)以便與同行探討;另外抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用不固結(jié)不排水剪指標(biāo)，當(dāng)持力層為粉土?xí)r應(yīng)對其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行75%的折減;同時采用附加應(yīng)力面積法計算也有一定的適用范圍，當(dāng)基礎(chǔ)下1倍短邊寬度的深度范圍內(nèi)有工程地質(zhì)性質(zhì)明顯很差的地層(如淤泥)時，應(yīng)采用該最軟弱地層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行計算。

［1］GB 50007－2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］梁俊勛，覃再肯.對計算地基承載力特征值中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值方法的探討［J］.土工基礎(chǔ)，2006，(1):66－68.

［3］GB 50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)［S］.

［4］潘廣燦，張金來.對巖土工程勘察與地基設(shè)計若干問題的認(rèn)識［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，32(9):20－22.

［5］陳春華，楊全忠.工程建設(shè)中的工程勘察問題討論［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(2):16－18.

Discussion on Calculation Method of Characteristic Value of Foundation Bearing Capacity by Shear Strength

PAN Guang-can，ZHANG Jin-lai，GAO Song-jie(No.4 Geological Brigade of Henan Provincial Non-femous Metals Geological and Mineral Resources Bureau，Zhengzhou Henan 450016，China)

Based on the calculation cases for different formation situations，characteristic value of foundation bearing capacity was calculated by shear strength index thickness weighted average method and additional stress area method.Analysis was made on calculation results，conclusion was drawn that shear strength index should be calculated by additional stress coefficient method.Shear strength index should use non consolidated and non drainage shear ones，when the bearing stratum is of silt，shear strength index should be reduced to 75%.

standard value of shear strength index;characteristic value of foundation bearing capacity;thickness-weighted average method;additional stress area method

TU471.1

A

1672－7428(2011)11－0068－03

2011－05－17;

2011－09－05

潘廣燦(1968－)，男(漢族)，河南臨穎人，河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊高級工程師，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，碩士，從事地質(zhì)巖心鉆探、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害防治工程等技術(shù)與管理工作，河南省鄭州市鄭東新區(qū)金水東路16號鑫地大廈1506室，pangc11111@126.com。