非均質(zhì)地基的判定標(biāo)準(zhǔn)研究

孔 滔

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

非均質(zhì)地基的判定標(biāo)準(zhǔn)研究

孔 滔

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

非均質(zhì)地基作為一種常見(jiàn)的地基，對(duì)于修建于其上的建筑物的安全穩(wěn)定性具有較大的影響。對(duì)地基的非均質(zhì)性目前尚無(wú)定量的判定方法。文章根據(jù)大量典型場(chǎng)地的剪切波速和巖體力學(xué)特性實(shí)測(cè)資料，提出了非均質(zhì)地基的定量判定標(biāo)準(zhǔn),并利用有限元軟件ABAQUS建立了簡(jiǎn)化的二維模型,以地基的極限承載力作為衡量地基非均質(zhì)性的指標(biāo)，對(duì)模擬場(chǎng)地的極限承載力進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)提出的判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了驗(yàn)證和調(diào)整。

非均質(zhì)地基；定量；判定標(biāo)準(zhǔn)；ABAQUS

0 引言

地基的均質(zhì)性廣義上是指地基巖土的巖性、物理力學(xué)特性是否一致或接近，工程上的地基均質(zhì)性可擴(kuò)展到地基在外部荷載作用下是否會(huì)發(fā)生過(guò)大的沉降或出現(xiàn)較大沉降差。在非均質(zhì)地基上修建建筑物時(shí)建筑物的安全性如何保證是一個(gè)很重要的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中取多大的安全度也在很大程度上考驗(yàn)著設(shè)計(jì)者。鑒于此，判定場(chǎng)地是否為非均質(zhì)地基就顯得十分重要。但是，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于非均質(zhì)地基的確定方法研究還很少，實(shí)際中非均質(zhì)地基的確定都是依靠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)。

在國(guó)內(nèi)對(duì)于巖石非均質(zhì)地基的研究較少，現(xiàn)有的研究主要以定性評(píng)判為主，而以定量方法確定地基非均質(zhì)性的研究幾乎沒(méi)有，如何解決定性評(píng)價(jià)已成為很多研究學(xué)者探討的問(wèn)題。《核電廠巖土工程勘察規(guī)范》意見(jiàn)征求稿[1]對(duì)于地基的均質(zhì)性評(píng)判主要從地基巖性、巖性分布、巖石風(fēng)化程度、地層產(chǎn)狀、 巖土力學(xué)特性等方面考慮，當(dāng)巖性相同或巖土物理力學(xué)特性一致或相近時(shí)，認(rèn)為這種地基是均質(zhì)的。但這種均質(zhì)性地基在

現(xiàn)實(shí)中是很少的。工程中評(píng)價(jià)地基非均質(zhì)性時(shí)應(yīng)結(jié)合地基基礎(chǔ)所受的荷載條件、基礎(chǔ)的平面尺寸、基礎(chǔ)埋置深度、地基承載力及變形等物理力學(xué)特性綜合考慮。《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程JGJ72-2004》[2]提出了3種非均質(zhì)地基的判別標(biāo)準(zhǔn)，但是這些標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中只實(shí)用于土層，因?yàn)閹r層具有多變的巖性、差異的風(fēng)化狀態(tài)以及復(fù)雜的構(gòu)造情況,所以《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程JGJ72-2004》提出的分析方法并不適用于巖層。姬亦工[3]根據(jù)剛性路面力學(xué)模型，提出了層狀非均質(zhì)地基與多塊板相互作用力的計(jì)算方法，提出了一種簡(jiǎn)化的粘彈性Kelvin地基,以及在這種粘彈性Kelvin地基上多塊板的計(jì)算方法。屠晟[4]運(yùn)用研究發(fā)展的安定性分析原理及計(jì)算方法，在考慮非均質(zhì)地基的成層分布及粘結(jié)力沿深度的非均質(zhì)變化模式下，確定了成層地基的安定載荷，然后根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行了分析和討論。彭彬[5]以廣西右江白色水利樞紐工程修建在非均質(zhì)地基上的消力池為典型例子，根據(jù)其基巖巖體軟硬相間、物理力學(xué)性質(zhì)差別大，存在高變模比、高承載力比、低抗沖性、風(fēng)化深度空間變異性大的特殊地質(zhì)條件，采用三維非線性有限元方法，對(duì)修建在非均質(zhì)地基上的消力池的受力和變形特征進(jìn)行了詳盡分析，盡可能真實(shí)地模擬了消力池地基的巖層分布、節(jié)理及材料差異。M.M.格里申[6]將均質(zhì)地基上壩的強(qiáng)度和抗剪設(shè)計(jì)理論引申到非均質(zhì)地基中,考慮了壩底直接置于不同剛度的巖體或破裂構(gòu)造區(qū)時(shí)壩的設(shè)計(jì)問(wèn)題。唐良琴等[7]在大量實(shí)驗(yàn)研究以及總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，全面分析了物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征等因素對(duì)軟弱夾層地基抗剪強(qiáng)度的影響。劉彬等[8]研究了軟硬相間層狀復(fù)雜的河湖相沉積巖的綜合變形模量，包含了礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖等多種巖性巖體并通過(guò)原位試驗(yàn)獲得這種復(fù)雜組合巖體的綜合變形模量。

目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)非均質(zhì)地基的定量判定標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的研究成果也很鮮見(jiàn)，因此，對(duì)非均質(zhì)地基的定量判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究十分必要，也具有較大的工程意義。本文根據(jù)大量典型場(chǎng)地的勘察資料,獲得場(chǎng)地剪切波速、巖體力學(xué)特性與場(chǎng)地非均質(zhì)性之間的關(guān)系，確定了非均質(zhì)場(chǎng)地的定量判定標(biāo)準(zhǔn)，并利用有限元軟件對(duì)提出的非均質(zhì)地基判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了驗(yàn)證和修正。

1 非均質(zhì)地基的判定方法

1.1 剪切波速判定地基的均質(zhì)性

根據(jù)收集的諸多場(chǎng)地的勘察資料，特別是地球物理勘探與地質(zhì)鉆探結(jié)果，發(fā)現(xiàn)剪切波速的差異與地基均質(zhì)性之間存在著較高的相關(guān)關(guān)系。在統(tǒng)計(jì)一些場(chǎng)地的資料后發(fā)現(xiàn)，若場(chǎng)地中某一地層的剪切波速小于場(chǎng)地的平均剪切波速，則該層巖石質(zhì)量較差，場(chǎng)地可以判定為非均質(zhì)地基。

從收集的資料來(lái)看，場(chǎng)地的剪切波速平均值一般應(yīng)>750 m/s，部分成巖時(shí)代較晚的沉積巖波速也應(yīng)>700 m/s。如果巖體的剪切波速值較平均值小得多，則認(rèn)為其質(zhì)量較差[9]。對(duì)比分析一些場(chǎng)地剪切波速和場(chǎng)地的實(shí)際條件，當(dāng)?shù)鼗绊懛秶鷥?nèi)的剪切波速值小于0.8倍的波速平均值的巖石段長(zhǎng)度大于總深度的8%時(shí)，該場(chǎng)地可以判定為非均質(zhì)，判定公式如式(1)所示。

1.2 巖體力學(xué)特性判斷地基的均質(zhì)性

在沉積巖地區(qū)，往往是多種巖性共生，或者是以一種或兩種巖性為主，伴生有其他巖性，諸多巖性形成互層、夾層等地層，接觸形式也多種多樣?；灼矫娣秶鷥?nèi)有時(shí)會(huì)由幾種巖性組成，每種巖性的物理力學(xué)性狀存在差異，導(dǎo)致地基的受力不均勻，在建筑物基礎(chǔ)上容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)上部建筑物的安全不利。因此，由力學(xué)性質(zhì)差異較大的兩種或幾種巖石構(gòu)成的地基是一種典型的非均質(zhì)地基。

一般認(rèn)為，當(dāng)兩種巖性的力學(xué)指標(biāo)單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值的差值>20%時(shí)，就認(rèn)為兩種巖性存在明顯差異，并且定義單軸飽和抗壓強(qiáng)度較低的巖層相對(duì)于單軸飽和抗壓強(qiáng)度較高的巖層為次要巖性。對(duì)比分析大量場(chǎng)地巖層的單軸飽和抗壓強(qiáng)度和場(chǎng)地的實(shí)際條件，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地中次要巖體體量占總體量的比例與場(chǎng)地的均質(zhì)性之間存在一定的關(guān)系，如果當(dāng)場(chǎng)地的次要巖性體量超過(guò)總體量的8%時(shí)，該場(chǎng)地應(yīng)判定為非均質(zhì)地基。

2 判定方法的有限元驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述非均質(zhì)地基的判定方法,選擇有限元分析軟件ABAQUS對(duì)上述兩種非均質(zhì)地基的判定方法進(jìn)行驗(yàn)證，以數(shù)值分析的結(jié)果驗(yàn)證上述判定標(biāo)準(zhǔn)的合理性[10]。

在利用有限元進(jìn)行數(shù)值計(jì)算中，以地基極限承載力作為衡量場(chǎng)地均質(zhì)性的指標(biāo)，并通過(guò)計(jì)算地基極限承載力的變化來(lái)判定地基的非均質(zhì)性[11]。為此我們建立了一個(gè)二維有限元模型，設(shè)定材料為各相同性的彈塑性體，為簡(jiǎn)化建模，假設(shè)地基由兩層地層組成。通過(guò)控制低剪切波速巖石段長(zhǎng)度占總深度的比例和次要巖體體量占總體量的比例，尋找地基極限承載力發(fā)生較大變化時(shí)的低剪切波速巖石段長(zhǎng)度占總深度的比例和軟弱巖體體量占總體量的比例，該比例可以作為判定非均質(zhì)地基的標(biāo)準(zhǔn)。由于建立的模型是二維的,因此, 低剪切波速巖石段長(zhǎng)度占總深度的比例和軟弱巖體體量占總體量的比例由低剪切波速巖層和軟弱巖層的厚度控制。

2.1 剪切波速判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證

2.1.1 參數(shù)選取和模型建立

數(shù)值分析中建立的二維有限元模型如圖1所示,模型中的地層分為上中下三層,其中中層地層模擬的是軟弱夾層,剪切波速為Vs1,厚度為H1，上下地層為同種巖層，剪切波速為Vs2，厚度之和為H2，整個(gè)模擬地層的總厚度為H，滿足H=H1+H2。

在模型的上表面中部(圖中紅點(diǎn))處施加荷載，并在這一點(diǎn)處監(jiān)測(cè)地表的實(shí)時(shí)沉降量，根據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制荷載沉降曲線，用于確定地基的極限承載力。

圖1 二維有限元模型圖

分析中假定中部地層材料模擬的是軟弱夾層，即假設(shè)Vs1

(3)

得到3Vs1<2Vs1

(4)

將式(2)帶入(4)，可以得到：

8E1ρ2<4E2ρ1

(5)

為使ρ和E的取值滿足式(5)，取ρ1=2 000 kg/m3,ρ2=2 200kg/m3,E1=500kPa,E2=1 250 kPa。在數(shù)值模擬的過(guò)程中取μ=0.3。

2.1.2 計(jì)算工況

將地基影響深度范圍內(nèi)剪切波速值<0.8倍的平均值的巖石段長(zhǎng)度之和占總深度的比例作為研究的對(duì)象，并將這一比例選為模型的計(jì)算工況，研究這一比例取不同的值時(shí)地基的極限承載力的變化，數(shù)值分析中選取的計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況表

2.1.3 數(shù)值分析結(jié)果

利用ABAQUS計(jì)算得到的地基荷載沉降曲線如圖2所示。

圖2 荷載沉降曲線圖

根據(jù)圖2所示的荷載沉降曲線，做出地基的極限承載力隨地基影響深度范圍內(nèi)剪切波速值<0.8倍的平均值的巖石段長(zhǎng)度之和(H1)占總深度(H)的比例的變化曲線，如圖3所示。

圖3 地基極限承載力的變化規(guī)律曲線圖

從圖3可以看出，曲線斜率在低剪切波速層厚度占地層總厚度的比例為8%時(shí)發(fā)生了變化，當(dāng)這個(gè)比例為5%～8%時(shí)，地基承載力的變化十分小，平均變化比例為1.427%，而當(dāng)這一比例從8%變?yōu)?%時(shí)，承載力發(fā)生了較大的變化，變化比例為5.37%，并且從此之后隨著這一比例的增大，地基的極限承載力按照5%左右的比例降低。

根據(jù)以上的數(shù)值分析結(jié)果，可以得出這樣的結(jié)論：地基影響深度范圍內(nèi)剪切波速值<0.8倍的平均值的巖石段長(zhǎng)度之和大于總深度的8%時(shí)地基的極限承載力將發(fā)生較大的變化，滿足這一條件的場(chǎng)地可以判定為非均質(zhì)地基。

2.2 巖體力學(xué)特性判定標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證

2.2.1 參數(shù)選取和模型建立

本文選擇單軸抗壓強(qiáng)度Rc作為判定巖性是否存在明顯差異的衡量指標(biāo)。但是，在利用ABAQUS進(jìn)行有限元模擬時(shí)，無(wú)法直接給材料賦予單軸抗壓強(qiáng)度Rc進(jìn)行計(jì)算，需要將Rc轉(zhuǎn)換為其他參數(shù)。已有的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明巖體的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量E之間存在模糊的正相關(guān)關(guān)系,在數(shù)值分析的過(guò)程中，通過(guò)將Rc轉(zhuǎn)換為E并將E賦給巖層材料進(jìn)行計(jì)算。

何鵬等[12]統(tǒng)計(jì)了300余個(gè)沉積巖試件的測(cè)試數(shù)據(jù)，得到了不同巖性、不同構(gòu)造的巖體單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量之間的關(guān)系，本文選擇擬合相關(guān)性系數(shù)最高、統(tǒng)計(jì)樣本最多的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式作為Rc和E之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

E=0.092 4Rc1.133 9(R2=0.926 9,N=52) (6)

式(6)是對(duì)層理裂隙不發(fā)育的泥巖試件測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的，式中R代表相關(guān)性系數(shù)，N代表統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)。

根據(jù)四川南充電廠泥巖的勘察數(shù)據(jù)，對(duì)于軟巖層，Rc1=7 000kPa,對(duì)于較硬巖層，Rc2=10 000kPa,兩者滿足強(qiáng)度差值>20%,將Rc1、Rc2帶入式(6)可得：

E1=839.3kPa,E2=1 257.7kPa

數(shù)值分析中建立的二維有限元模型如上頁(yè)圖1所示，模型中的地層分為上中下三層，其中中層地層模擬的是軟弱巖層，彈性模量為E1，厚度為H1，上下地層為同種巖層，彈性模量為E2，厚度之和為H2，整個(gè)模擬地層的總厚度為H，滿足H=H1+H2。

在模型的上表面中部(圖中紅點(diǎn))處施加荷載，并在這一點(diǎn)處監(jiān)測(cè)地表的實(shí)時(shí)沉降量，根據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制荷載沉降曲線，進(jìn)而確定地基的極限承載力。

2.2.2 計(jì)算工況

將地基平面范圍內(nèi)次要巖性體量之和占總體量的比例作為研究對(duì)象，研究在不同比例時(shí)地基的極限承載力的變化。針對(duì)本文建立的二維有限元模型，地基平面范圍內(nèi)次要巖性體量之和占總體量的比例表現(xiàn)為軟弱巖層占模型總厚度的比例，分析中的計(jì)算工況如上頁(yè)表1所示。

2.2.3 數(shù)值分析結(jié)果

利用ABAQUS計(jì)算得到的地基荷載沉降曲線如圖4所示。

圖4 荷載沉降曲線圖

根據(jù)以上荷載沉降曲線得到地基的極限承載力，做出地基的極限承載力隨地基平面范圍內(nèi)次要巖體體量之和占總體量的比例的變化曲線如圖5所示。

圖5 地基極限承載力的變化規(guī)律曲線圖

從圖5中可以看出，地基的極限承載力在次要巖體體量占總體量的比例為5%～9%時(shí)變化的比例較小，平均變化比例為0.412 1%；當(dāng)次要巖體體量占總體量的比例達(dá)到10%時(shí)，地基的極限承載力發(fā)生了較大的變化，變化比例為1.515 6%，可以認(rèn)為此時(shí)地基體現(xiàn)出了非均質(zhì)特性，即當(dāng)?shù)鼗矫娣秶鷥?nèi)次要巖性體量之和占總體量的比例>9%時(shí)，便可以判定該場(chǎng)地為非均質(zhì)地基。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與上文提出的判定標(biāo)準(zhǔn)有1%的差異，出現(xiàn)這一差異的原因既可能是因?yàn)樵跀?shù)值計(jì)算時(shí)用E代替了Rc,而E和Rc的關(guān)系是基于大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到的；也可能是因?yàn)橛脦r體的單軸抗壓強(qiáng)度代替了巖體的單軸飽和抗壓強(qiáng)度。結(jié)合上文對(duì)比分析場(chǎng)地巖層的單軸飽和抗壓強(qiáng)度和場(chǎng)地的實(shí)際條件提出的非均質(zhì)地基判識(shí)方法，可以得出這樣的結(jié)論：當(dāng)場(chǎng)地一般次要巖性體量超過(guò)總體量的8%～9%時(shí)，該場(chǎng)地應(yīng)判定為非均質(zhì)地基。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)?shù)鼗绊懮疃确秶鷥?nèi)剪切波速值<0.8倍的平均值的巖石段長(zhǎng)度之和大于總深度的8%時(shí)，場(chǎng)地可以判定為非均質(zhì)地基。

(2)當(dāng)場(chǎng)地一般次要巖體體量超過(guò)總體量的8%～9%時(shí)，該場(chǎng)地應(yīng)判定為非均質(zhì)地基。

本文提出了非均質(zhì)地基的定量判定方法，為非均質(zhì)地基的判定提供了定量的方法，具有較大的工程適用價(jià)值。

[1]GB51041-2014，核電廠巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2]JGJ72-2004，高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].

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[4]屠 晟.變值載荷作用下非均質(zhì)地基的安定分析及其應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2001.

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[11]張 威,李 麗，徐則民.昔格達(dá)組地層承載力綜合試驗(yàn)研究[J].路基工程,2012(4):23-26.

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Research on Determination Criteria of Heterogeneous Foundation

KONG Tao

(Xinjiang Transportation Planning Surveying and Design Institute，Urumqi，Xinjiang，830006)

Heterogeneous foundation is a common foundation，which has a greater impact on the safety and stability of buildings thereon.For the heterogeneity of foundation，there is currently no quantitative determination method.Based on a number of shear wave velocity and rock mechanics properties and other actual measurement data of typical fields，this article proposed the quantitative determination criteria of heteroge-neous foundation，and established the simplified two-dimensional model by using the ABAQUS finite element software，then with the ultimate bearing capacity as the measurement index of foundation heterogeneity，it calculated the ultimate bearing capacity of simulation fields，while according to calculation results，the pro-posed determination criteria were validated and adjusted.

Heterogeneous foundation；Quantitative；Determination criteria；ABAQUS

U416.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.008

1673-4874(2015)06-0031-04

2015-05-03

孔 滔，碩士，主要從事公路勘察方面的工作和研究。