混合基础的地基承载力数值分析研究

徐佳易 唐永科 陆 伟

(1.常熟市水利工程建设管理处，江苏 常熟 215500； 2.云南营造工程设计集团有限公司，云南 昆明 650000)

混合基础的地基承载力数值分析研究

徐佳易1唐永科2陆 伟2

(1.常熟市水利工程建设管理处，江苏 常熟 215500； 2.云南营造工程设计集团有限公司，云南 昆明 650000)

结合昆明市安宁地区某工程的地质条件，提出将岩石饱和单轴抗压强度作为混合基础地基承载力的统一计算依据，并通过数值分析模型，进行了混合基础静载试验，得出了一些有价值的结论。

混合基础，地基承载力，岩体材料，静载试验

0 引言

修建于山区的建筑或靠近山体坡脚的建筑，由于地形地面以及基础持力层起伏变化，岩石持力层上部的覆土层厚度不一致，基础的形式及设计比较复杂。除进行建筑本身基础的设计外，还需要进行边坡的治理及支挡设计确保场地和主体建筑的安全及稳定。同一栋建筑的浅基础下，可能存在部分放在土层上、部分放在岩层上的土岩组合地基。同一栋建筑内，也可能存在均以岩石为持力层的混合基础。混合基础的组合形式主要有浅基与墩基的组合，墩基与桩基的组合，甚至有三者并存的组合。

进行混合基础设计时，持力层承载力的取值应采用统一的依据。根据相关工程经验及GB 50007—2011建筑地基基础设计规范第5.3.8条及第6.5.1条，当基础持力层为完整、较完整、较破碎的岩层时，基础设计主要由承载力控制，变形不起控制作用。本文以背景工程为例，将岩石饱和单轴抗压强度标准值frk作为混合基础持力层承载力的设计依据，采用ANSYS WORKBENCH软件平台的相关模块进行数值分析研究混合基础持力层的承载能力。

1 背景工程地质条件

背景工程位于云南省昆明市安宁地区，工程场地位于山脚。根据该项目岩土工程地质勘察报告，土层从上至下依次分布为杂填土、粘土、粉质粘土、强风化泥岩、中风化泥岩(较破碎)、中风化泥岩(较完整)。地质勘察报告提出采用浅基时持力层承载力特征值为0.45 MPa，采用桩基(人工挖孔灌注桩)时持力层承载力特征值为2.25 MPa。岩块饱和单轴抗压强度值介于1.85 MPa～5.79 MPa之间，平均值为3.85 MPa，标准值为3.12 MPa，属极软岩。

部分栋号单栋内同时采用了由浅基、墩基以及桩基组合而成的混合基础，见图1，为简化分析图中的土层作了简化处理。混合基础均以较破碎的中风化泥岩为持力层。

持力层埋深小于3 m时采用独立基础，埋深大于6 m时采用人工挖孔灌注桩，埋深介于3 m～6 m时采用人工挖孔灌注墩。独基全断面进入持力层深度不小于0.2 m，墩基和桩基全断面进入持力层深度不小于1.0 m。

2 以frk为依据进行地基承载力计算公式的讨论

混合基础中，一般不同基础形式入岩深度不一致，浅基的入岩深度一般为0.2 m～0.5 m，桩(墩)的入岩深度一般为1倍桩(墩)径或1 m，为统一标准均不考虑基础周围土层的摩擦力，仅考虑入岩桩端承载力。规范对以岩层为持力层的基础承载力计算公式的表达形式基本一致。

GB 50007—2011建筑地基基础设计规范第5.2.6条规定对完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值fa按式(1)计算：

fa=ψrfrk

(1)

其中，ψr为岩体构造特征折减系数。对完整岩体可取0.5；对较完整岩体可取0.2～0.5；对较破碎岩体可取0.1～0.2。其中折减系数已经考虑了承载力极限值和特征值之间2倍的安全系数。

JGJ 94—2008建筑桩基技术规范第5.3.9条规定了对完整和较完整的岩石桩基嵌岩段的总极限端阻力标准值Qrk按式(2)计算：

Qrk=ζrfrkAp

(2)

其中，ζr为侧阻和端阻综合系数，与岩石硬度和桩端嵌岩深径比有关；Ap为基础底面积。

3 岩体材料力学参数的确定

岩块或岩体的相关力学参数根据GB/T 50266—2013工程岩体试验方法标准通过试验确定，目前建筑工程地质勘察报告一般通过室内试验确定该项目场地岩块的饱和单轴抗压强度标准值frk，以及岩块的粘聚力标准值ck和内摩擦角标准值φk。当没有条件采用试验时，可根据仅有的岩块室内试验结果、规范要求、理论分析以及相关工程经验确定岩体材料的相关力学参数。

根据已有的室内岩块试验结果及前文的理论推导，背景工程岩块及岩体的主要力学参数见表1。其中岩块为饱和状态，岩体为自然状态。

表1 岩块及岩体主要力学参数

4 岩石材料本构模型的选用

目前岩土材料常用的强度屈服准则基本是根据Mohr-Coulomb准则演化而来的，当岩石围压较小时采用Mohr-Coulomb准则可能会高估岩石的抗拉强度。为了解决这一问题，不少学者提出将Mohr-Coulomb准则与Rankine准则结合起来的复合屈服准则[1]。子午面上的复合屈服准则如图2所示，材料破坏分为拉伸破坏和剪切破坏，拉伸破坏由Rankine准则控制(图2中当压力pp0时)，p0可根据两者相应公式求取。

为避免岩土材料达到最大拉应力失效后单元敏感性引起不合理的结果，材料属性根据材料断裂能理论考虑了岩石的拉伸应变软化[2]。拉伸应变软化曲线见图3，图3中A为阴影部分面积。

拉伸采用斜线软化，该斜线为断裂能Gf的线性函数，其坡度Slope根据式(3)计算：

(3)

其中，ft为单轴抗拉强度，Pa；L为单元长度，m；Gf为断裂能，N·m。

5 混合基础静载试验的数值模拟

5.1 分析模型

数值分析研究混合基础的地基承载力均采用静载试验的方法，为简化分析基岩上部覆盖土层按荷载考虑模拟围压的有利作用，覆土层压力为覆土重度γd与覆土厚度H的乘积，基础入岩深度统一按1 m考虑，即持力层埋深为H+1 m。进行静载试验加载前首先采用静力分析引入初始地应力。静载试验数值分析采用1/4模型，其中基础为1/4直径1.2 m的圆形截面，见图4。

人工挖孔灌注桩(墩)进行扩底时，扩大头高度范围的岩体松动，承载力计算时不应考虑入岩深度范围桩身混凝土与岩体的摩擦作用。以完整、较完整岩体为持力层的非扩底基础可考虑混凝土与岩体的摩擦作用。桩与土采用面面接触，摩擦系数可参照GB 50007—2011建筑地基基础设计规范表6.7.5-2中土对挡墙基底的摩擦系数取值，混凝土与软质岩间的摩擦系数可取为0.4～0.6。由于背景工程为较破碎的泥岩，不考虑嵌岩段摩阻的有利作用，分析中岩石和混凝土侧面及底面的接触均按光滑面考虑。

材料模型采用已知粘聚力和内摩擦角的本构模型，材料的主要力学参数详见表1中的岩体，材料力学参数为自然状态。基础混凝土材料假定为弹性。

5.2 静载试验数值模拟结果

基础埋深分别按1 m,3 m,5 m,7 m,9 m考虑，基本可涵盖单栋基础内可能同时出现的混合基础的不同埋深范围。数值模拟试验加载压力与竖向位移关系曲线见图5。

根据JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范，对于缓变型Q—s曲线，宜根据桩顶总沉降量，取s=40 mm对应的荷载值作为极限荷载。背景工程将竖向变形为40 mm时对应的加载力作为极限承载力，见表2。由于数值分析采用的粘聚力和内摩擦角为自然状态的力学参数，而承载力计算时需要考虑饱和软化，承载力极限值的软化系数取泥岩的单轴抗压强度软化系数，即0.58。

表2 极限承载力与基础埋深的关系

根据分析结果可知，基础极限承载力与基础的埋深基本呈线性关系，由于围压的有利作用埋深越深承载力越高，基础埋深9 m时极限承载力约为埋深1 m极限承载力的1.21倍。数值分析的地基承载力特征值的岩体构造特征折减系数ψr=0.26～0.31，比GB 50007—2011建筑地基基础设计规范建议值0.1～0.2较高，规范第5.2.6条条文解释也作了相应说明，经试算和与已有的经验对比，条文给出的折减系数是安全的。背景工程数值分析的承载力特征值范围为0.795 kPa～0.960 kPa。

针对持力层埋深为1 m的浅基础，数值计算的承载力特征值为0.795 MPa，比地质勘察报告提供的承载力特征值0.45 MPa高。

针对持力层埋深为7 m和9 m的桩基础，嵌岩段的深径比为0.83，倘若按JGJ 94—2008建筑桩基技术规范中嵌岩桩进行计算，侧阻和端阻综合系数ζr=0.9，考虑极限值和特征值2倍的安全系数后侧阻和端阻综合系数为0.45。按岩石饱和单轴抗压强度计算的嵌岩桩基的持力层承载力特征值为1.404 MPa，比地质勘察报告提供的桩基的承载力特征值2.25 MPa低，由于背景工程为较破碎泥岩，不能考虑嵌岩段摩擦，此计算承载力作为比较参考。数值计算的未考虑嵌岩段摩擦的桩基持力层承载力特征值埋深7 m为0.925 MPa，埋深9 m为0.960 MPa，均比地质勘察报告提供的承载力特征值2.25 MPa低。由于地质勘察报告中提供的桩基端阻承载力特征值未考虑饱和软化的影响，故比基于岩石饱和单轴抗压强度为依据计算的考虑软化的承载力特征值高出许多。若埋深9 m按地勘报告桩基承载力特征值2.25 MPa计算，而埋深1 m按地勘报告浅基承载力特征值0.45 MPa计算，则在相同的上部荷载作用下基础埋深1 m时设计的基底面积约为9 m埋深基底面积的5倍，导致混合基础刚度不均匀，存在极大的安全隐患。

6 结语

通过对背景工程混合基础地基承载力的数值分析研究，得出以下几点认识：1)进行岩土工程数值分析时，尽量采用试验确定岩石材料的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、单轴抗压抗拉强度等力学参数。并应分别给出岩体和岩块的力学参数，且应分别给出自然状态和饱和状态的力学参数。2)若无条件进行试验，可根据规范要求、理论分析及相关经验确定岩石的力学参数。3)材料的本构模 型应根据分析的目的以及材料特性选用，建议采用Rankine与Mohr-Coulomb的复合屈服准则。4)以岩层为持力层的混合基础一般为承载力控制，基础设计时必须采用统一的依据进行计算。通过对背景工程的研究，认为以饱和单轴抗压强度进行持力层承载力计算是可靠和安全的。

[1] 常晓林,马 刚,刘杏红.基于复合屈服准则的混凝土塑性损伤模型[J].四川大学学报(工程科学版),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，工程师； 唐永科(1988- )，男，助理工程师； 陆 伟(1982- )，男，高级工程师，一级注册结构工程师

TU470

A