岩石地基柱下独立基础抗剪设计研究
发布时间：2014-09-28 10:39
【摘要】 地基基础设计作为建筑结构设计的重要组成部分,合理的基础设计不但能给上部结构提供安全保障,同时也可以节约工程造价和缩短工期。基础设计需满足地基承载力、抗冲切、抗剪承载力及抗弯承载力要求。岩石地基相对于土质地基而言,有承载力高与变形小的特点,基础底面积相对较小,基础的高宽比较大,基础的冲切和抗弯承载力均能满足要求,而基础高度通常由抗剪承载力验算确定。但现行《建筑地基基础设计规范》规定的抗剪承载力计算只适用于高宽比较小(基础底面短边尺寸小于或等于柱宽加两倍基础有效高度)的扩展基础,而岩石地基上高宽比较大的扩展基础是否需进行抗剪承载力计算及采用的公式均没有相关的说明和规定。本文主要在结合工程实例和有限元数值分析的基础上,对柱下独立基础在岩石地基上的基底反力分布和抗剪计算公式进行研究和探讨。主要工作和成果如下：以工程实例为背景分析了现行岩石地基柱下独立基础的设计缺陷。通过有限元数值分析了柱下独立基础塑性发展特点及基础内部正应力分布形式,基础高度和基岩刚度的岩石地基柱下独立基础基底反力的影响规律。在分析岩石地基柱下独立基础的受力形式的基础上指出：柱下独立基础的受力形式接近于矩形短梁直接剪切实验的受力,故可以考虑采用相关文献提出的基于矩形短梁直剪实验的抗剪承载力公式。
第一章绪论
1.1引言
我国的广西、贵州、云南、重庆等地广泛分布有嗜斯特地貌，随着工业化和城市化的飞速发展，在城市建筑物基础工程的设计和建设过程中常常会遇到很多埋藏较浅的岩石（溶）地基。从工程造价、施工难易程度、工期等角度考虑建筑基础的选型和设计有着重要的现实意义。岩石地基与土质地基相比承载力高、变形量小、施工爆破开槽难度大等特点，同时作用在岩石地基上的基础的受力形态也与土质地基有显著的差异，探索置于岩石地基上基础的受力形式和破坏形态是合理正确的进行基础设计的必要条件。柱下独立基础是低层和多高层框架结构和框架剪力墙结构最常用的基础形式，对于埋藏较浅的岩石（岩溶）地基，采用柱下独立基础有得天独厚的优势，不但可以利用岩石地基*的高承载力、沉降小的特点，还可以节约工程费用、缩短工期，且施工简单。现行规范柱下独立基础设计比较适合土质地基，在设计岩石地基上柱下独立基础时遇到了由抗剪承载力确定基础高度过高的问题，使得结构设计人员产生这样的疑问：柱下独立基础在岩石地基上的受力形态有什么规律？控照现行规范设计是否安全合理？是否可以适当A的降低基础高度？本文将从实际工程案例出发，分析探讨现行规范的设计缺陷，岩石地?基柱下独立基础基底反力的分布规律，相对合理的抗剪承载力计算公式，借本论文表达一些自己的设计观点，与大家交流，期望能起到抛砖引玉的作用。
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1.2论文选题背景及其意义
从工程地质和承载力大小角度划分建筑物地基，可将地基分为两大类：土质地基与岩石地基。在进行建筑地基基础设计时，常常会遇到埋藏较浅、承载力高的岩石地基。当建筑物为低层及多层时，无论是土质地基还是岩石地基，由于柱端轴力较小，基础常设计为柱下独立基础和墙下条形基础；当建筑物为高层和超高层时，由于建筑场地为埋藏较浅的岩石地基，采用传统的桩基础基础施工难度极大，而满堂红基础造价也较高，且不能有效的利用岩石地基的高承载力和防水性能好的特点。采用柱下独立基础往往可以节约工程费用和缩短工期，且施工工艺简单。
在土质地基上，扩展基础的高度一般由抗冲切承载力确定，抗冲切基础高度通常能抗剪承载力要求。岩石地基相比土质地基，具有高承载力和形变量小的特点，基础的底面积也较土质地基小，基础的受力形态主要为剪力大而弯矩较小。设计人员发现：柱端轴力较大时，抗剪承载力确定的柱下独立基础高度离奇的高，基础材料消耗大，且在基础施工过程中需对岩石地基进行开槽，基础过高造成开槽深度大，施工困难导致工期延长。
1.3岩石地基柱下独立基础抗剪设计研究进展
1.3.1 土质地基基底反力分布情况
基底反力的分布规律主要是取决于上部结构、基础抗弯刚度和地基的变形条件，是三者共同工作的结果。
柔性基础：地基反力分布与上部荷载分布基本相同，而基础底面的沉降分布则是中央大而边缘小上部荷载为均勻分布，基底接触压力也为均匀分布。
刚性基础：基础的抗弯刚度较大，可认为无限刚，在外荷载作用下，基础底面基本保持平面，基础底面下地基各点的沉降相同。基础底面反力分布状态与上部荷载的分布不同。刚性基础在上部荷载的作用下，当荷载较小时，地基反力在边缘处较大，中间部位较小呈倒置的马鞍形；当荷载增大到导致基础边缘的地基土产生塑性变形时，边缘地基土层发生剪切塑性变形，边缘处的基底反力不再增加，地基反力向中心区域集中呈典型的抛物线分布。
根据弹性理论中圣维南原理，在荷载总量保持恒定的条件下，对于基础底面以下一定深度范围内的土层，基础底面压应力对土层应力分布影响较小。因此，除了在基础设计中，对于面积较大的片搜基础、箱形基础等需要考虑基底压力的分布形状的影响外，对于具有一定抗弯刚度和基础底面较小的扩展基础，实际设计中通常依据材料力学的方法假定基础底面应力均勻分布，以便进行简化计算。
1.3.2基础底面反力分布特征的研究现状
朱爱军[7]通过ANSYS分析发现岩石地基上扩展基础的基底反力曲线的非线性特征比较明显，且其基础底面的受力形式与土质地基有着明显的差异，同时提出以下观点：基础高度的增加，改变了基础与地基的相对刚度，基底反力分布更均匀。
阴可通[8]进行了岩石地基扩展基础现场试验，测得了各荷载作用下的基底反力值，绘制出相关的基底反力分布曲线图，经过分析对比，总结了如下几条规律：（1)岩石地基上扩展基础的基底反力分布主要特征为中心区域大，向侧逐渐减小，靠近基础边缘又增大，边缘应力集中比较明显。（2)岩石地基的承载力是影响基底反力分布的主要因素，随着基岩刚度的增大，基底反力越來越向基底中心部位集中。（3)荷载也是影响反力分布的因素，荷载较小时基底反力分布比较均匀，荷载较大时应考虑基底边缘区域地基发生局部剪切破坏。
张莉?经过ANSYS有限元分析也得出了一些结论：（1)岩石地基上高度较小的扩展基础基底反力分布曲线呈现出典型的非线性特征，土质地基上扩展基础基底反力均勾分布的假定不适用于岩石地基。（2)岩石地基上高度较小的的扩展基础，当基岩弹性模量较大时，基底反力主要向中心区域集中，对扩展基础的抗剪和抗弯是有利的。当基岩为软质岩石时，若基底反力仍然集中在中心区域，可能会导致基础底面中心区域的软质岩石地基发生一定程度的破坏。
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第二章岩石地基上柱下独立基础设计缺陷分析
2.1工程概况
桂林市某五期住宅楼，栋号为69、70、73、74、41、42、36号楼，共7栋拟建建筑，其中69、70、73、74号楼高为18层，框剪结构；41、42号楼高为11层，框剪结构；36号楼为幼儿园，楼高3层，框架结构；本期建筑室外地坪标高158.20?159.60m，北高南低。目前在建的有69，70, 73,74号楼共4单体，为框架剪力墙结构，下设地下室一层，总建筑面积为7万平米。本工程按现行设计规范。结构设计使用年限为50年，基本风压：Wo=0. 30KN/m' (n=50年)，地面粗糙度为B类
(1)抗震设防烈度6度设计基本地震加速度值为0.058
(2)设计地震分组：第一组
⑶建筑抗震设防分类：丙类
(4)建筑结构安全等级：二级
(5 )抗震等级四级
(6)建筑场地类别：II类
(7 )砲体结构施工质量控制等级：B级
(8)地基基础设计等级：乙级。
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2.2工程地质条件
工程位于广西桂林市临桂县城西北部，根据区域地质资料，场地处于岩溶孤峰平原亚区，其主要工程地质特征是地形较平坦、第四纪覆盖层较薄，主要土层的工程性质一般，岩溶较为发育，在覆盖土层较薄及地下水较活跃的局部地段，具备形成土洞、塌陷的条件，属浅覆盖型岩溶塌陷易发区。地基土从上至下分为4层，土层分布情况见表2.1。
2.3地基基础选型
由于本场地分布的土层在水平、垂直分布极不均匀，厚度及物理力学性质差异大，各土层地基承载力不能满足拟建建筑对地基承载力的要求。但场地岩面埋藏较浅，岩石地基承载力高，仅局部地段存在溶洞、溶沟，且场地周围开阔，附近无采用土层作天然地基的建筑，地下水量中等，抽排地下水难度不大。因此场地具备进行基坑开挖的有利条件，可将地基土层全部挖除，采用独立柱（壤）基础，以石灰岩作独立柱（壤）基持力层。剪力墙下设置钢筋混凝土条形基础，且浅基础必须有合理的埋置深度，以确保稳定性要求。印象桂林前期有20栋住宅楼采用该类型基础方案，对该基础方案已有较丰富的设计、施工经验。该基础方案施工简单，工程质量可靠度高，工程造价较低或适中，工期短。
2.4岩石地基柱下独立基础设计算例
DJ5柱下独立基础，置于微风化的石灰岩上，竖向荷载标准值为NK=5000KN,MxK=20.00KN m,设计值 N=6750. 00KN，MX=27.00KN*m。经地基承载力设计值为h3000KPa,基础埋置深度的d=1.5m，柱及基础的混凝土强度等级均采用C35，柱截面尺寸为500mmx500mm钢筋级别:HRB400,fy=360N/mm，基础混凝土纵筋保护层厚度:40imn，基础与覆土的平均容重:20KN/M,修正后的地基承载力特征值:3000KPa初步选用基础底面尺寸a=b=1800mn,基础高h=1500mm。
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第三章岩石地基柱下独立基础基底反力数值分析......................................16
3.1有限元数值分析的基本思路......................................16
3.2基岩及混凝土的力学参数......................................16
3. 2.1基岩力学参数......................................16
3. 2. 2钢筋混凝土力学参数......................................17
3. 3数值分析模型......................................18
3.4有限元分析结果......................................19
3.4.1基础底部塑性区分布......................................19
3. 4. 2基础内部切片应力云图......................................22
3. 5小结......................................25
第四章岩石地基柱下独立基础基底反力分布规律......................................26
4.1基础高度对基底反力分布曲线的影响......................................26
4.1.1基岩1情况下不同基础高度的基底反力分布......................................26
4. 1. 2基岩2情况下不同基础高度的基底反力分布......................................32
4. 1. 3基岩3情况下不同基础高度的基底反力分布......................................38
4. 2基岩刚度对基底反力的影响分析......................................43
4.3本章小结......................................47
第五章岩石地基基底反力分布规律与抗剪理论探讨
基底压力的分布规律主要是取决于上部结构、基础的刚度和地基的变形条件，是三者共同工作的结果。岩石地基的承载力高和变形小，作用在上部的柱下独立基础一般基础底面积较小，基础底面积一般小于冲切破坏锥体底面积，无需进行抗冲切承载力验算，而由抗剪验算确定基础高度；其次由于基础高度较土质地基高，两种地基上基础的破坏形态也有本质差别。在这些差异下，如果釆用规范的基于土质地基独立基础的抗剪设计方法验算柱下独立基础抗剪承载力，就会导致基础高度过高，造成不必要的材料浪费。本章通过对岩石地基上柱下独立基础的基底反力的分布形式和基础的受力状态进行研究总结，对岩石地基上柱下独立基础的抗剪问题进行了探讨，对有关公式中的系数提出了修改建议。
5.1岩石地基与土质地基基底反力分布研究
基底反力的分布形式对和基础的受力状态对基础的设计起着决定性的作用，掌握基础底面实际的反力分布规律是结构概念设计的精髓。基底反力的分布状况与基础高度和基岩刚度有着直接或间接关系，伴随着基础和岩基相对刚度的强弱变化而呈现相应的特征。
5.1.1 土质地基柱下独立基础基底反力分布规律
土是由固体土颗粒、液体、气体组成的三相体，在荷载作用下土的体积容易被压缩，孔隙中液体和气体会被挤出，所以地基变形量较大、承载能力较低。目前关于土质地基上基底反力分布状况的研究比较充分，已经有许多试验研究、工程实测和理论分析，并且也取得了丰富的成果。土质地基上的基础，相对刚度大，对荷载架越作用较强，能有效的将上部荷载扩散到基底荷载作用位置以外的区域，使基底反力分布较均匀均勻，故设计上常假定基底反力均勻分布。
柔性基础：在混凝土基础底部配置受力钢筋，利用钢筋受拉抵抗弯矩，基础发生明显的弯曲变形，从而将荷载传递的远端。基础能跟随地基土表面变形而发生相应变形，一部分的柱端荷载通过基础直接传递给中部的土层，其余的柱端荷载通过基础的弯曲和剪切变形（在基础内产生相应的弯曲应力和剪切应力)，将荷载传递到柱端两侧的土层，这就是柔性基础的架越作用。这种架越作用与简支梁受集中荷载F作用时的原理是一致的。简支梁产生弯曲和剪切变形从而将竖向力荷载F传递到了支座两端。基础的抗弯刚度决定着地基土层和柔性基础的变形协调，也决定着基础架越作用的强弱。柔性基础的变形与基底应力分布情况见5-1图
刚性基础：基底土层与基础底面保持平面，即基础底面各点的变形量相同，基础的抗弯刚度较大可认为无限刚，理论与实践证明，通常刚性基础的基底反力分布呈马鞍形。基础端部除抵抗土层正应力外还需抵抗剪应力，故边缘会出现应力集中，如图5-1所示。
5.1.2岩石地基柱下独立基础基底反力分布规律
荷载有向刚度较大部位及近端传递的特点，1.当基础高度较小时，基础抗弯刚度小，由于岩石地基变形量小，基础的弯曲变形也小，基础不能对柱端荷载起到有效的架越(扩散）作用。基底反力主要集中在中心区域，向两侧反力急剧减小，只在近边缘增大趋势。2.随着基础高度的增加，基础的抗弯刚度增大，架越作用增强，柱端荷载能够较有效的扩散，故中心区域的基底反力会减小，两侧会增大，边缘应力集中更明显。但由于荷载有向刚度较大部位及近端传递的特点，基底反力曲线仍表现为：中心区域大，向两侧逐渐减小，近端部和角部又增大出现应力集中现象，基底反力最大值出现在端角部或基底中心。3.当基础高度继续增加，基础然成为墩基，基底的高宽比较大，抗弯刚度极大可视为无限刚或基础成为典型的受压构件时，基底反力趋于均勻分布，由于在端角部基础除了抵抗正应力外还需克服岩基的剪切应力，故靠近端角部出现急剧的应力集中，基底反力约为平均值的2-3倍。
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第六章结论与展望
本文通过对工程实际案例分析、有限元模拟数值计算和分析对比相结合的方法，针对不同基岩刚度和基础高度的岩石地基柱下独立基础基底反力分布做了一些分析研究：利用有限元数值分析了岩基上柱下独立基础基岩刚度与基础高度对基底反力曲线的影响规律；初步探讨了更适合岩石地基柱下独立基础抗剪承载力公式；通过本论文针对岩石地基柱下独立基础的设计提出了自己的一些观点和看法，期望能起到抛砖引玉的作用。
6.1本文主要内容与结论
1.以工程实例为背景分析了现行岩石地基柱下独立基础的设计缺陷主要表现为下面几个方面：①基于无腹筋梁抗剪计算确定的基础高度只适用于基础高宽比较小的扩展基础，对于岩石地基的柱下独立基础，基础底面较土质地基小，冲切破坏锥体常位于基础底面以外，基础的高宽比较大。新版《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011也明确说明，验算柱与基础交接处截面受剪承载力计算公式（即为无腹筋梁抗剪计算公式）只适用于当基础底面短边尺寸小于或等与柱宽加两倍基础有效高度的扩展基础。故当冲切破坏锥体常位于基础底面以外，基础的高宽比较大时，是否进行柱与基础交接处截面的抗剪计算及釆用哪个抗剪承载力计算公式，规范中并没有相关的说明和设计方法。②.扩大基础底面积来降低基础高度会导致混凝土用量急剧增加，然而基础高度降低不明显。③.抗弯计算要求的基础底面钢筋较小，但需满足基础底面0.15%的最小配筋率及底板钢筋间距100mm≤S<200mm的构造要求，由于基础高度较大，使得构造配筋量较大，造成不必要的浪费，有时还会出现底板钢筋无法按规范要求布置的情况。
2.柱端轴向内力（正应力）在基础内的扩散形式呈枣核状，随着基础高度的增加，基础边缘会出现塑性区，在基础与基岩接触的界面应力云图有明显的突变。
3.岩石地基基底反力分布规律：①.基础高度的影响主要表现为：基础高度较小时，基础抗弯刚度小，由于岩石地基变形量小，基础的弯曲变形也小，基础不能对柱端荷载起到有效的架越（扩散）作用。基底反力主要集中在中心区域，向两侧反力急剧减小，只在近边缘增大趋势。，随着基础高度的增加，基础的抗弯刚度增大，基础对荷载的架越作用增强，柱端荷载能够得到有效的扩散，故中心区域的基底反力会减小，两侧的基底反力会增加，边缘应力现象集中也更明显。当基础高度足够高的时候，基础的抗弯刚度相对于基岩可视为无限刚，基底反力几乎呈均勻分布，只在边缘部位出现应力集中现象。②.基岩刚度的影响主要表现为：基岩刚度主要影响基底中心区域的应力分布，基岩刚度越大基底反力越向中心区域集中；基础高度较高,基础的抗弯刚度可视为无限刚时，基岩的弹性模量接近或大于基础混凝土的弹性模量时，基岩刚度对基底反力的影响较小。
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本文编号：9314
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