混合基礎的地基承載力數(shù)值分析研究

徐佳易 唐永科 陸 偉

(1.常熟市水利工程建設管理處，江蘇 常熟 215500； 2.云南營造工程設計集團有限公司，云南 昆明 650000)

混合基礎的地基承載力數(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管理處，江蘇 常熟 215500； 2.云南營造工程設計集團有限公司，云南 昆明 650000)

結合昆明市安寧地區(qū)某工程的地質條件，提出將巖石飽和單軸抗壓強度作為混合基礎地基承載力的統(tǒng)一計算依據(jù)，并通過數(shù)值分析模型，進行了混合基礎靜載試驗，得出了一些有價值的結論。

混合基礎，地基承載力，巖體材料，靜載試驗

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，基礎的形式及設計比較復雜。除進行建筑本身基礎的設計外，還需要進行邊坡的治理及支擋設計確保場地和主體建筑的安全及穩(wěn)定。同一棟建筑的淺基礎下，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，也可能存在均以巖石為持力層的混合基礎?；旌匣A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。

進行混合基礎設計時，持力層承載力的取值應采用統(tǒng)一的依據(jù)。根據(jù)相關工程經驗及GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范第5.3.8條及第6.5.1條，當基礎持力層為完整、較完整、較破碎的巖層時，基礎設計主要由承載力控制，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度標準值frk作為混合基礎持力層承載力的設計依據(jù)，采用ANSYS WORKBENCH軟件平臺的相關模塊進行數(shù)值分析研究混合基礎持力層的承載能力。

1 背景工程地質條件

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

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

持力層埋深小于3 m時采用獨立基礎，埋深大于6 m時采用人工挖孔灌注樁，埋深介于3 m～6 m時采用人工挖孔灌注墩。獨基全斷面進入持力層深度不小于0.2 m，墩基和樁基全斷面進入持力層深度不小于1.0 m。

2 以frk為依據(jù)進行地基承載力計算公式的討論

混合基礎中，一般不同基礎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)一標準均不考慮基礎周圍土層的摩擦力，僅考慮入巖樁端承載力。規(guī)范對以巖層為持力層的基礎承載力計算公式的表達形式基本一致。

GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范第5.2.6條規(guī)定對完整、較完整和較破碎的巖石地基承載力特征值fa按式(1)計算：

fa=ψrfrk

(1)

其中，ψr為巖體構造特征折減系數(shù)。對完整巖體可取0.5；對較完整巖體可取0.2～0.5；對較破碎巖體可取0.1～0.2。其中折減系數(shù)已經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建筑樁基技術規(guī)范第5.3.9條規(guī)定了對完整和較完整的巖石樁基嵌巖段的總極限端阻力標準值Qrk按式(2)計算：

Qrk=ζrfrkAp

(2)

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

3 巖體材料力學參數(shù)的確定

巖塊或巖體的相關力學參數(shù)根據(jù)GB/T 50266—2013工程巖體試驗方法標準通過試驗確定，目前建筑工程地質勘察報告一般通過室內試驗確定該項目場地巖塊的飽和單軸抗壓強度標準值frk，以及巖塊的粘聚力標準值ck和內摩擦角標準值φk。當沒有條件采用試驗時，可根據(jù)僅有的巖塊室內試驗結果、規(guī)范要求、理論分析以及相關工程經驗確定巖體材料的相關力學參數(shù)。

根據(jù)已有的室內巖塊試驗結果及前文的理論推導，背景工程巖塊及巖體的主要力學參數(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參數(shù)

4 巖石材料本構模型的選用

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

為避免巖土材料達到最大拉應力失效后單元敏感性引起不合理的結果，材料屬性根據(jù)材料斷裂能理論考慮了巖石的拉伸應變軟化[2]。拉伸應變軟化曲線見圖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)計算：

(3)

其中，ft為單軸抗拉強度，Pa；L為單元長度，m；Gf為斷裂能，N·m。

5 混合基礎靜載試驗的數(shù)值模擬

5.1 分析模型

數(shù)值分析研究混合基礎的地基承載力均采用靜載試驗的方法，為簡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，基礎入巖深度統(tǒng)一按1 m考慮，即持力層埋深為H+1 m。進行靜載試驗加載前首先采用靜力分析引入初始地應力。靜載試驗數(shù)值分析采用1/4模型，其中基礎為1/4直徑1.2 m的圓形截面，見圖4。

人工挖孔灌注樁(墩)進行擴底時，擴大頭高度范圍的巖體松動，承載力計算時不應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底基礎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建筑地基基礎設計規(guī)范表6.7.5-2中土對擋墻基底的摩擦系數(shù)取值，混凝土與軟質巖間的摩擦系數(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摩擦角的本構模型，材料的主要力學參數(shù)詳見表1中的巖體，材料力學參數(shù)為自然狀態(tài)?；A混凝土材料假定為彈性。

5.2 靜載試驗數(shù)值模擬結果

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

根據(jù)JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規(guī)范，對于緩變型Q—s曲線，宜根據(jù)樁頂總沉降量，取s=40 mm對應的荷載值作為極限荷載。背景工程將豎向變形為40 mm時對應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摩擦角為自然狀態(tài)的力學參數(shù)，而承載力計算時需要考慮飽和軟化，承載力極限值的軟化系數(shù)取泥巖的單軸抗壓強度軟化系數(shù)，即0.58。

表2 極限承載力與基礎埋深的關系

根據(jù)分析結果可知，基礎極限承載力與基礎的埋深基本呈線性關系，由于圍壓的有利作用埋深越深承載力越高，基礎埋深9 m時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造特征折減系數(shù)ψr=0.26～0.31，比GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(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說明，經試算和與已有的經驗對比，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。

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

針對持力層埋深為7 m和9 m的樁基礎，嵌巖段的深徑比為0.83，倘若按JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范中嵌巖樁進行計算，側阻和端阻綜合系數(shù)ζr=0.9，考慮極限值和特征值2倍的安全系數(shù)后側阻和端阻綜合系數(shù)為0.45。按巖石飽和單軸抗壓強度計算的嵌巖樁基的持力層承載力特征值為1.404 MPa，比地質勘察報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，此計算承載力作為比較參考。數(shù)值計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，均比地質勘察報告提供的承載力特征值2.25 MPa低。由于地質勘察報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度為依據(jù)計算的考慮軟化的承載力特征值高出許多。若埋深9 m按地勘報告樁基承載力特征值2.25 MPa計算，而埋深1 m按地勘報告淺基承載力特征值0.45 MPa計算，則在相同的上部荷載作用下基礎埋深1 m時設計的基底面積約為9 m埋深基底面積的5倍，導致混合基礎剛度不均勻，存在極大的安全隱患。

6 結語

通過對背景工程混合基礎地基承載力的數(shù)值分析研究，得出以下幾點認識：1)進行巖土工程數(shù)值分析時，盡量采用試驗確定巖石材料的彈性模量、泊松比、粘聚力、內摩擦角、單軸抗壓抗拉強度等力學參數(shù)。并應分別給出巖體和巖塊的力學參數(shù)，且應分別給出自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的力學參數(shù)。2)若無條件進行試驗，可根據(jù)規(guī)范要求、理論分析及相關經驗確定巖石的力學參數(shù)。3)材料的本構模 型應根據(jù)分析的目的以及材料特性選用，建議采用Rankine與Mohr-Coulomb的復合屈服準則。4)以巖層為持力層的混合基礎一般為承載力控制，基礎設計時必須采用統(tǒng)一的依據(jù)進行計算。通過對背景工程的研究，認為以飽和單軸抗壓強度進行持力層承載力計算是可靠和安全的。

[1] 常曉林,馬 剛,劉杏紅.基于復合屈服準則的混凝土塑性損傷模型[J].四川大學學報(工程科學版),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，高級工程師，一級注冊結構工程師

TU470

A