巖石地基柱下獨立基礎抗剪設計研究
發(fā)布時間：2014-09-28 10:39
【摘要】 地基基礎設計作為建筑結構設計的重要組成部分,合理的基礎設計不但能給上部結構提供安全保障,同時也可以節(jié)約工程造價和縮短工期。基礎設計需滿足地基承載力、抗沖切、抗剪承載力及抗彎承載力要求。巖石地基相對于土質地基而言,有承載力高與變形小的特點,基礎底面積相對較小,基礎的高寬比較大,基礎的沖切和抗彎承載力均能滿足要求,而基礎高度通常由抗剪承載力驗算確定。但現(xiàn)行《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定的抗剪承載力計算只適用于高寬比較小(基礎底面短邊尺寸小于或等于柱寬加兩倍基礎有效高度)的擴展基礎,而巖石地基上高寬比較大的擴展基礎是否需進行抗剪承載力計算及采用的公式均沒有相關的說明和規(guī)定。本文主要在結合工程實例和有限元數(shù)值分析的基礎上,對柱下獨立基礎在巖石地基上的基底反力分布和抗剪計算公式進行研究和探討。主要工作和成果如下：以工程實例為背景分析了現(xiàn)行巖石地基柱下獨立基礎的設計缺陷。通過有限元數(shù)值分析了柱下獨立基礎塑性發(fā)展特點及基礎內部正應力分布形式,基礎高度和基巖剛度的巖石地基柱下獨立基礎基底反力的影響規(guī)律。在分析巖石地基柱下獨立基礎的受力形式的基礎上指出：柱下獨立基礎的受力形式接近于矩形短梁直接剪切實驗的受力,故可以考慮采用相關文獻提出的基于矩形短梁直剪實驗的抗剪承載力公式。
第一章緒論
1.1引言
我國的廣西、貴州、云南、重慶等地廣泛分布有嗜斯特地貌，隨著工業(yè)化和城市化的飛速發(fā)展，在城市建筑物基礎工程的設計和建設過程中常常會遇到很多埋藏較淺的巖石（溶）地基。從工程造價、施工難易程度、工期等角度考慮建筑基礎的選型和設計有著重要的現(xiàn)實意義。巖石地基與土質地基相比承載力高、變形量小、施工爆破開槽難度大等特點，同時作用在巖石地基上的基礎的受力形態(tài)也與土質地基有顯著的差異，探索置于巖石地基上基礎的受力形式和破壞形態(tài)是合理正確的進行基礎設計的必要條件。柱下獨立基礎是低層和多高層框架結構和框架剪力墻結構最常用的基礎形式，對于埋藏較淺的巖石（巖溶）地基，采用柱下獨立基礎有得天獨厚的優(yōu)勢，不但可以利用巖石地基*的高承載力、沉降小的特點，還可以節(jié)約工程費用、縮短工期，且施工簡單�，F(xiàn)行規(guī)范柱下獨立基礎設計比較適合土質地基，在設計巖石地基上柱下獨立基礎時遇到了由抗剪承載力確定基礎高度過高的問題，使得結構設計人員產(chǎn)生這樣的疑問：柱下獨立基礎在巖石地基上的受力形態(tài)有什么規(guī)律？控照現(xiàn)行規(guī)范設計是否安全合理？是否可以適當A的降低基礎高度？本文將從實際工程案例出發(fā)，分析探討現(xiàn)行規(guī)范的設計缺陷，巖石地?基柱下獨立基礎基底反力的分布規(guī)律，相對合理的抗剪承載力計算公式，借本論文表達一些自己的設計觀點，與大家交流，期望能起到拋磚引玉的作用。
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1.2論文選題背景及其意義
從工程地質和承載力大小角度劃分建筑物地基，可將地基分為兩大類：土質地基與巖石地基。在進行建筑地基基礎設計時，常常會遇到埋藏較淺、承載力高的巖石地基。當建筑物為低層及多層時，無論是土質地基還是巖石地基，由于柱端軸力較小，基礎常設計為柱下獨立基礎和墻下條形基礎；當建筑物為高層和超高層時，由于建筑場地為埋藏較淺的巖石地基，采用傳統(tǒng)的樁基礎基礎施工難度極大，而滿堂紅基礎造價也較高，且不能有效的利用巖石地基的高承載力和防水性能好的特點。采用柱下獨立基礎往往可以節(jié)約工程費用和縮短工期，且施工工藝簡單。
在土質地基上，擴展基礎的高度一般由抗沖切承載力確定，抗沖切基礎高度通常能抗剪承載力要求。巖石地基相比土質地基，具有高承載力和形變量小的特點，基礎的底面積也較土質地基小，基礎的受力形態(tài)主要為剪力大而彎矩較小。設計人員發(fā)現(xiàn)：柱端軸力較大時，抗剪承載力確定的柱下獨立基礎高度離奇的高，基礎材料消耗大，且在基礎施工過程中需對巖石地基進行開槽，基礎過高造成開槽深度大，施工困難導致工期延長。
1.3巖石地基柱下獨立基礎抗剪設計研究進展
1.3.1 土質地基基底反力分布情況
基底反力的分布規(guī)律主要是取決于上部結構、基礎抗彎剛度和地基的變形條件，是三者共同工作的結果。
柔性基礎：地基反力分布與上部荷載分布基本相同，而基礎底面的沉降分布則是中央大而邊緣小上部荷載為均勻分布，基底接觸壓力也為均勻分布。
剛性基礎：基礎的抗彎剛度較大，可認為無限剛，在外荷載作用下，基礎底面基本保持平面，基礎底面下地基各點的沉降相同�；A底面反力分布狀態(tài)與上部荷載的分布不同。剛性基礎在上部荷載的作用下，當荷載較小時，地基反力在邊緣處較大，中間部位較小呈倒置的馬鞍形；當荷載增大到導致基礎邊緣的地基土產(chǎn)生塑性變形時，邊緣地基土層發(fā)生剪切塑性變形，邊緣處的基底反力不再增加，地基反力向中心區(qū)域集中呈典型的拋物線分布。
根據(jù)彈性理論中圣維南原理，在荷載總量保持恒定的條件下，對于基礎底面以下一定深度范圍內的土層，基礎底面壓應力對土層應力分布影響較小。因此，除了在基礎設計中，對于面積較大的片搜基礎、箱形基礎等需要考慮基底壓力的分布形狀的影響外，對于具有一定抗彎剛度和基礎底面較小的擴展基礎，實際設計中通常依據(jù)材料力學的方法假定基礎底面應力均勻分布，以便進行簡化計算。
1.3.2基礎底面反力分布特征的研究現(xiàn)狀
朱愛軍[7]通過ANSYS分析發(fā)現(xiàn)巖石地基上擴展基礎的基底反力曲線的非線性特征比較明顯，且其基礎底面的受力形式與土質地基有著明顯的差異，同時提出以下觀點：基礎高度的增加，改變了基礎與地基的相對剛度，基底反力分布更均勻。
陰可通[8]進行了巖石地基擴展基礎現(xiàn)場試驗，測得了各荷載作用下的基底反力值，繪制出相關的基底反力分布曲線圖，經(jīng)過分析對比，總結了如下幾條規(guī)律：（1)巖石地基上擴展基礎的基底反力分布主要特征為中心區(qū)域大，向側逐漸減小，靠近基礎邊緣又增大，邊緣應力集中比較明顯。（2)巖石地基的承載力是影響基底反力分布的主要因素，隨著基巖剛度的增大，基底反力越來越向基底中心部位集中。（3)荷載也是影響反力分布的因素，荷載較小時基底反力分布比較均勻，荷載較大時應考慮基底邊緣區(qū)域地基發(fā)生局部剪切破壞。
張莉?經(jīng)過ANSYS有限元分析也得出了一些結論：（1)巖石地基上高度較小的擴展基礎基底反力分布曲線呈現(xiàn)出典型的非線性特征，土質地基上擴展基礎基底反力均勾分布的假定不適用于巖石地基。（2)巖石地基上高度較小的的擴展基礎，當基巖彈性模量較大時，基底反力主要向中心區(qū)域集中，對擴展基礎的抗剪和抗彎是有利的。當基巖為軟質巖石時，若基底反力仍然集中在中心區(qū)域，可能會導致基礎底面中心區(qū)域的軟質巖石地基發(fā)生一定程度的破壞。
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第二章巖石地基上柱下獨立基礎設計缺陷分析
2.1工程概況
桂林市某五期住宅樓，棟號為69、70、73、74、41、42、36號樓，共7棟擬建建筑，其中69、70、73、74號樓高為18層，框剪結構；41、42號樓高為11層，框剪結構；36號樓為幼兒園，樓高3層，框架結構；本期建筑室外地坪標高158.20?159.60m，北高南低。目前在建的有69，70, 73,74號樓共4單體，為框架剪力墻結構，下設地下室一層，總建筑面積為7萬平米。本工程按現(xiàn)行設計規(guī)范。結構設計使用年限為50年，基本風壓：Wo=0. 30KN/m' (n=50年)，地面粗糙度為B類
(1)抗震設防烈度6度設計基本地震加速度值為0.058
(2)設計地震分組：第一組
⑶建筑抗震設防分類：丙類
(4)建筑結構安全等級：二級
(5 )抗震等級四級
(6)建筑場地類別：II類
(7 )砲體結構施工質量控制等級：B級
(8)地基基礎設計等級：乙級。
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2.2工程地質條件
工程位于廣西桂林市臨桂縣城西北部，根據(jù)區(qū)域地質資料，場地處于巖溶孤峰平原亞區(qū)，其主要工程地質特征是地形較平坦、第四紀覆蓋層較薄，主要土層的工程性質一般，巖溶較為發(fā)育，在覆蓋土層較薄及地下水較活躍的局部地段，具備形成土洞、塌陷的條件，屬淺覆蓋型巖溶塌陷易發(fā)區(qū)。地基土從上至下分為4層，土層分布情況見表2.1。
2.3地基基礎選型
由于本場地分布的土層在水平、垂直分布極不均勻，厚度及物理力學性質差異大，各土層地基承載力不能滿足擬建建筑對地基承載力的要求。但場地巖面埋藏較淺，巖石地基承載力高，僅局部地段存在溶洞、溶溝，且場地周圍開闊，附近無采用土層作天然地基的建筑，地下水量中等，抽排地下水難度不大。因此場地具備進行基坑開挖的有利條件，可將地基土層全部挖除，采用獨立柱（壤）基礎，以石灰?guī)r作獨立柱（壤）基持力層。剪力墻下設置鋼筋混凝土條形基礎，且淺基礎必須有合理的埋置深度，以確保穩(wěn)定性要求。印象桂林前期有20棟住宅樓采用該類型基礎方案，對該基礎方案已有較豐富的設計、施工經(jīng)驗。該基礎方案施工簡單，工程質量可靠度高，工程造價較低或適中，工期短。
2.4巖石地基柱下獨立基礎設計算例
DJ5柱下獨立基礎，置于微風化的石灰?guī)r上，豎向荷載標準值為NK=5000KN,MxK=20.00KN m,設計值 N=6750. 00KN，MX=27.00KN*m。經(jīng)地基承載力設計值為h3000KPa,基礎埋置深度的d=1.5m，柱及基礎的混凝土強度等級均采用C35，柱截面尺寸為500mmx500mm鋼筋級別:HRB400,fy=360N/mm，基礎混凝土縱筋保護層厚度:40imn，基礎與覆土的平均容重:20KN/M,修正后的地基承載力特征值:3000KPa初步選用基礎底面尺寸a=b=1800mn,基礎高h=1500mm。
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第三章巖石地基柱下獨立基礎基底反力數(shù)值分析......................................16
3.1有限元數(shù)值分析的基本思路......................................16
3.2基巖及混凝土的力學參數(shù)......................................16
3. 2.1基巖力學參數(shù)......................................16
3. 2. 2鋼筋混凝土力學參數(shù)......................................17
3. 3數(shù)值分析模型......................................18
3.4有限元分析結果......................................19
3.4.1基礎底部塑性區(qū)分布......................................19
3. 4. 2基礎內部切片應力云圖......................................22
3. 5小結......................................25
第四章巖石地基柱下獨立基礎基底反力分布規(guī)律......................................26
4.1基礎高度對基底反力分布曲線的影響......................................26
4.1.1基巖1情況下不同基礎高度的基底反力分布......................................26
4. 1. 2基巖2情況下不同基礎高度的基底反力分布......................................32
4. 1. 3基巖3情況下不同基礎高度的基底反力分布......................................38
4. 2基巖剛度對基底反力的影響分析......................................43
4.3本章小結......................................47
第五章巖石地基基底反力分布規(guī)律與抗剪理論探討
基底壓力的分布規(guī)律主要是取決于上部結構、基礎的剛度和地基的變形條件，是三者共同工作的結果。巖石地基的承載力高和變形小，作用在上部的柱下獨立基礎一般基礎底面積較小，基礎底面積一般小于沖切破壞錐體底面積，無需進行抗沖切承載力驗算，而由抗剪驗算確定基礎高度；其次由于基礎高度較土質地基高，兩種地基上基礎的破壞形態(tài)也有本質差別。在這些差異下，如果釆用規(guī)范的基于土質地基獨立基礎的抗剪設計方法驗算柱下獨立基礎抗剪承載力，就會導致基礎高度過高，造成不必要的材料浪費。本章通過對巖石地基上柱下獨立基礎的基底反力的分布形式和基礎的受力狀態(tài)進行研究總結，對巖石地基上柱下獨立基礎的抗剪問題進行了探討，對有關公式中的系數(shù)提出了修改建議。
5.1巖石地基與土質地基基底反力分布研究
基底反力的分布形式對和基礎的受力狀態(tài)對基礎的設計起著決定性的作用，掌握基礎底面實際的反力分布規(guī)律是結構概念設計的精髓�；追戳Φ姆植紶顩r與基礎高度和基巖剛度有著直接或間接關系，伴隨著基礎和巖基相對剛度的強弱變化而呈現(xiàn)相應的特征。
5.1.1 土質地基柱下獨立基礎基底反力分布規(guī)律
土是由固體土顆粒、液體、氣體組成的三相體，在荷載作用下土的體積容易被壓縮，孔隙中液體和氣體會被擠出，所以地基變形量較大、承載能力較低。目前關于土質地基上基底反力分布狀況的研究比較充分，已經(jīng)有許多試驗研究、工程實測和理論分析，并且也取得了豐富的成果。土質地基上的基礎，相對剛度大，對荷載架越作用較強，能有效的將上部荷載擴散到基底荷載作用位置以外的區(qū)域，使基底反力分布較均勻均勻，故設計上常假定基底反力均勻分布。
柔性基礎：在混凝土基礎底部配置受力鋼筋，利用鋼筋受拉抵抗彎矩，基礎發(fā)生明顯的彎曲變形，從而將荷載傳遞的遠端。基礎能跟隨地基土表面變形而發(fā)生相應變形，一部分的柱端荷載通過基礎直接傳遞給中部的土層，其余的柱端荷載通過基礎的彎曲和剪切變形（在基礎內產(chǎn)生相應的彎曲應力和剪切應力)，將荷載傳遞到柱端兩側的土層，這就是柔性基礎的架越作用。這種架越作用與簡支梁受集中荷載F作用時的原理是一致的。簡支梁產(chǎn)生彎曲和剪切變形從而將豎向力荷載F傳遞到了支座兩端�；A的抗彎剛度決定著地基土層和柔性基礎的變形協(xié)調，也決定著基礎架越作用的強弱。柔性基礎的變形與基底應力分布情況見5-1圖
剛性基礎：基底土層與基礎底面保持平面，即基礎底面各點的變形量相同，基礎的抗彎剛度較大可認為無限剛，理論與實踐證明，通常剛性基礎的基底反力分布呈馬鞍形。基礎端部除抵抗土層正應力外還需抵抗剪應力，故邊緣會出現(xiàn)應力集中，如圖5-1所示。
5.1.2巖石地基柱下獨立基礎基底反力分布規(guī)律
荷載有向剛度較大部位及近端傳遞的特點，1.當基礎高度較小時，基礎抗彎剛度小，由于巖石地基變形量小，基礎的彎曲變形也小，基礎不能對柱端荷載起到有效的架越(擴散）作用。基底反力主要集中在中心區(qū)域，向兩側反力急劇減小，只在近邊緣增大趨勢。2.隨著基礎高度的增加，基礎的抗彎剛度增大，架越作用增強，柱端荷載能夠較有效的擴散，故中心區(qū)域的基底反力會減小，兩側會增大，邊緣應力集中更明顯。但由于荷載有向剛度較大部位及近端傳遞的特點，基底反力曲線仍表現(xiàn)為：中心區(qū)域大，向兩側逐漸減小，近端部和角部又增大出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，基底反力最大值出現(xiàn)在端角部或基底中心。3.當基礎高度繼續(xù)增加，基礎然成為墩基，基底的高寬比較大，抗彎剛度極大可視為無限剛或基礎成為典型的受壓構件時，基底反力趨于均勻分布，由于在端角部基礎除了抵抗正應力外還需克服巖基的剪切應力，故靠近端角部出現(xiàn)急劇的應力集中，基底反力約為平均值的2-3倍。
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第六章結論與展望
本文通過對工程實際案例分析、有限元模擬數(shù)值計算和分析對比相結合的方法，針對不同基巖剛度和基礎高度的巖石地基柱下獨立基礎基底反力分布做了一些分析研究：利用有限元數(shù)值分析了巖基上柱下獨立基礎基巖剛度與基礎高度對基底反力曲線的影響規(guī)律；初步探討了更適合巖石地基柱下獨立基礎抗剪承載力公式；通過本論文針對巖石地基柱下獨立基礎的設計提出了自己的一些觀點和看法，期望能起到拋磚引玉的作用。
6.1本文主要內容與結論
1.以工程實例為背景分析了現(xiàn)行巖石地基柱下獨立基礎的設計缺陷主要表現(xiàn)為下面幾個方面：①基于無腹筋梁抗剪計算確定的基礎高度只適用于基礎高寬比較小的擴展基礎，對于巖石地基的柱下獨立基礎，基礎底面較土質地基小，沖切破壞錐體常位于基礎底面以外，基礎的高寬比較大。新版《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011也明確說明，驗算柱與基礎交接處截面受剪承載力計算公式（即為無腹筋梁抗剪計算公式）只適用于當基礎底面短邊尺寸小于或等與柱寬加兩倍基礎有效高度的擴展基礎。故當沖切破壞錐體常位于基礎底面以外，基礎的高寬比較大時，是否進行柱與基礎交接處截面的抗剪計算及釆用哪個抗剪承載力計算公式，規(guī)范中并沒有相關的說明和設計方法。②.擴大基礎底面積來降低基礎高度會導致混凝土用量急劇增加，然而基礎高度降低不明顯。③.抗彎計算要求的基礎底面鋼筋較小，但需滿足基礎底面0.15%的最小配筋率及底板鋼筋間距100mm≤S<200mm的構造要求，由于基礎高度較大，使得構造配筋量較大，造成不必要的浪費，有時還會出現(xiàn)底板鋼筋無法按規(guī)范要求布置的情況。
2.柱端軸向內力（正應力）在基礎內的擴散形式呈棗核狀，隨著基礎高度的增加，基礎邊緣會出現(xiàn)塑性區(qū)，在基礎與基巖接觸的界面應力云圖有明顯的突變。
3.巖石地基基底反力分布規(guī)律：①.基礎高度的影響主要表現(xiàn)為：基礎高度較小時，基礎抗彎剛度小，由于巖石地基變形量小，基礎的彎曲變形也小，基礎不能對柱端荷載起到有效的架越（擴散）作用�；追戳χ饕性谥行膮^(qū)域，向兩側反力急劇減小，只在近邊緣增大趨勢。，隨著基礎高度的增加，基礎的抗彎剛度增大，基礎對荷載的架越作用增強，柱端荷載能夠得到有效的擴散，故中心區(qū)域的基底反力會減小，兩側的基底反力會增加，邊緣應力現(xiàn)象集中也更明顯。當基礎高度足夠高的時候，基礎的抗彎剛度相對于基巖可視為無限剛，基底反力幾乎呈均勻分布，只在邊緣部位出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。②.基巖剛度的影響主要表現(xiàn)為：基巖剛度主要影響基底中心區(qū)域的應力分布，基巖剛度越大基底反力越向中心區(qū)域集中；基礎高度較高,基礎的抗彎剛度可視為無限剛時，基巖的彈性模量接近或大于基礎混凝土的彈性模量時，基巖剛度對基底反力的影響較小。
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