160福 建 地 质 GeologyofFujian第 2 期
有关地基均匀性及稳定性分析探讨
朱发垒
(福建省地质工程勘察院,福州,350002)
摘 要 根据有关规范结合工作实践经验,对岩土工程地质勘察工作中均匀性地基和不均
匀地基的稳定性进行分析,提出不均匀地基基础设计时应采取的技术措施。
关键词 地基 均匀性 稳定性 技术措施
地基的均匀性及稳定性评价是岩土工程地质勘察中非常重要的一项内容, 岩土工程勘察规范![1]和 建筑地基基础设计规范![2]对地基的均匀性及稳定性评价均有明确的规定,但均未作具体的评价标准和准则,笔者根据有关规范并结合工作实践经验对地基的均匀性评价提出一些浅见。
1 天然地基的均匀性评价
建筑物的地基变形可引起建筑物的变形,目前建筑物的变形设计多采用极限状态的原则设计,即建筑物的变形是否超过变形允许范围值。而造成地基变形最主要的原因之一就是地基的不均匀性。
1 1 地基均匀性的评价范围
对地基的均匀性评价,首先应确定其评价的平面范围和深度范围。评价平面范围多以建筑物水平投影面积范围为标准,也即通常以建筑物角点包络线所占的面积为评价范围;评价深度范围包括以下几点。
(1)条形基础为基底下3b(b为基础底面宽度),对于独立基础为基底下1 5b,且评价深度均不小于5m。
(2)天然地基浅基础,独立基础或条形基础其压缩层深度按变形比法确定其评价深度。
s#0 025i= 1 s∀i (1)
式中: s∀i∃在计算深度范围内,第i层土的计算变形值; s∀n∃在由计算深度向上取厚度为 z的土层计算变形值。
(3)对大面积基础其评价深度范围。
Zn=b(2 5-0 4lnb) (2)
式中:b∃基础宽度;且对于大面积基础其评价范围应不小于1倍基础宽度范围。 ∀nn收稿日期:2008 10 21),,,
第 2 期朱发垒:有关地基均匀性及稳定性分析探讨161
(4)对于桩基础以等效实体深基础的底面积按应力比确定评价深度Zn,即Zn处的附加应力( z)与土的自重应力( c)。
z=0 2 c (3)
z= !jp0jj=1
力。
1 2 地基均匀性的评价内容
地基的均匀性评价是岩土工程分析与评价的重要内容之一,根据有关规范和基础设计经验,地基的均匀性评价,首先结合场地地质特征进行分析评价。
(1)根据现场调绘情况,确定场地是否跨越不同的地貌单元,再根据钻孔揭露资料,绘制场地纵横工程地质剖面图,分析评价岩土层的成因、沉积年代、力学性质,分析地基岩土纵横方向上物理力学性质的差异情况,分析建筑物基础平面是否跨越不同的地貌单元或位于同一工程地质单元。
(2)根据建筑物的荷载特征,结合建筑物拟采用的基础型式估算地基岩土的压缩层深度范围,分析评价压缩层范围内的地基岩土的物理力学性质,进而进行地基均匀性的定性及定量评价。
(3)不均匀地基的评价内容。
建筑物基础平面跨越不同地貌单元,岩土层的工程特性在纵横方向上具明显差异的为不均匀地基。
%建筑物所在场地构造破碎带(非全新活动断裂带)发育或构造引起的节理、裂隙发育导致岩体极为破碎(非风化破碎岩体)的为不均匀地基。
&场地内有大面积的软弱粘性土和填土分布、经人工处理过的地基均为不均匀地基。∋根据工程地质剖面图,相邻钻孔压缩层范围内岩土层界面坡度>10(时为不均匀地基。
)建筑物平面范围内各钻孔压缩层范围内压缩模量厚度加权平均值的最大值与最小值的比值作为不均匀系数,并结合同一工程地质单元岩土层厚度的统计变异系数进行分析评价(表1)。
表1 地基不均匀系数界限值
Table1 Thresholdvaluesofnon uniformitycoefficientsoftheroundwork同一工程地质单元岩土土层厚度统计变异系数∀
地基不均匀系数k(k=Esmax/Esmin)#0 12 500 1~0 32 000 3~0 51 8∗0 51 5m(4)式中:!j∃附加应力系数,查有关规范确定;P0j∃等效实体基础底面的平均附加应
+地基主要受力层范围内的岩土层在基础宽度方向上存在厚度明显不同,层厚统计变异系数大于等于0 50,并且相邻钻孔同一工程地质单元的岩土层厚度差值大于等于0 05b(b
162福 建 地 质 GeologyofFujian第 28 卷
∀∗0 50 (5)
H1-H2 ∗0 05b (6)
式中:H1、H2∃相邻钻孔同一工程地质单元岩土层厚度(m);b∃基础宽度。
,在同一钻孔内的地基土压缩层范围内任意相邻两层岩土层的地基土压缩模量比值满足下式要求为不均匀地基。
Es1/Es2>3 (7)
式中:Es1∃上层土压缩模量;Es2∃下层土压缩模量。
−对于桩基础其桩底高差大于等于下式计算结果时应判定为不均匀地基。
H∗Dtan! (8)
式中:D∃桩径;!∃相邻桩底中点连线与水平线的夹角。
2 不均匀地基的稳定性评价
对于被判为不均匀地基的场地,应按规范要求进行地基变形的验算评价,以免地基变形失效给建筑物带来安全隐患,地基变形一般包括地基的压缩变形,通常采用规范建议的等效分层总和法进行,而地基失效验算即通常所说的地基稳定性验算;当规范不要求进行地基变形验算的建筑,在基础设计时应采取相应的结构加强措施。
(1)不均匀地基岩土层承载力取值。通常分为上部结构、地基、基础三部分进行独立求解,假定上部结构的柱是嵌固在基础上的,求解出结构内力(柱的轴力、弯矩、剪力、转角),这些内力作用在基础梁或基础底板上,基础梁或基础底板同时承受地基反力,地基反力与上部结构荷载(含基础自重及其悬挑部分以上的土自重)保持静力平衡,并假定地基反力是按直线分布,即此时假定基础是绝对刚性,而计算地基变形时又把基础看作是柔性的,即地基反力是均匀分布的;在对地基土进行承载力和变形验算时,所采用的荷载组合也不同,进行承载力验算时采用的是荷载效应的标准组合,而在进行地基的变形验算时,采用的是荷载效应的准永久组合,表明基础刚度的不同地基土的发挥度也不同,即地基土的承载力非定值,其随基础的刚度不同而变化。上述取值方法,仅仅考虑了总荷载与总反力之间的静力平衡条件,而忽略了上部结构与基础以及基础与地基土之间的变形的连续性,使得在利用地基土承载力取值时将地基土独立看待,承载力取定值,导致地基土承载力取值偏高或偏低,给建筑物留下安全隐患或造成投资浪费。根据多年的设计经验和地基反力观测,地基土反力由于基础刚度的不同,存在不同程度的集中现象,故基础设计时地基土的承载力可根据基础刚度和基础型式的不同作调整。
当基础刚度较大时地基土承载力可采用偏高值;
%当基础刚度较小时地基土的承载力可取偏低值;
&对独立基础,地基土承载力可取低值;
∋条形基础或其它大面积基础时地基土承载力取高值。
(2)不均匀地基的稳定性计算。对于被判为不均匀的地基,除应按有关规范要求进行建筑物的沉降、差异沉降、倾斜等特征分析外,还应根据建筑物的重要性进行地基稳定性验算。根据 建筑地基基础设计规范!建议地基稳定性分析采用圆弧法进行验算(图1),即
第 2 期朱发垒:有关地基均匀性及稳定性分析探讨163
图1 地基稳定性计算简图
Fig 1 Diagramshowingthecalculatedresultsoffoundationstability
K=MR/MS∗1 2 (9)
其稳定安全系数:
K=R( Wicos!itan#i+ cili)/{(p-pc)bx+Hz} (10 )
式中:p-pc∃基底附加压力平均值;X∃附加压力重心到滑弧圆心的水平距离;Wi∃土条重量;li∃土条内滑弧长度;H∃水平外力;ci、#i∃土的抗剪强度;R∃圆弧半径。
该式的整体稳定性计算,仅适用于小偏心荷载的建筑物,其关键是滑弧深度的确定,滑弧深度确定了其地基土整体破坏范围也就确定了,根据多项工程地基土圆弧滑动稳定性验算,认为基础外角点底面以下1/4基础宽度范围深度内,且该点与地面的连线呈45(-#/2夹角的验算范围可满足建筑物安全使用要求;若经上式验算所得地基稳定性安全系数小于1 2,则应加大基础埋深,继续验算直至满足要求;或采用增强滑带土抗剪强度的办法重新验算地基稳定性安全系数。
3 不均匀地基基础设计时应采取的结构措施
由于不均匀地基的地基岩土在纵向和横向上物理力学性质均有不同程度的差异,地基反力的集中现象比均匀地基更为明显,基础设计若不采用一定的结构措施易给建筑物埋下安全隐患。此类地基基础设计除应沿基础纵横向设分布钢筋外,应采取如下措施。
(1)建筑物基础应加大基础刚度。
(2)建筑物尽量避免采用不同的基础型式。
(3)同一建物基础不应置于岩土性质绝然不同的地基岩土层上;当不可避免时,应采取适当的建筑与结构措施。
(4)多层和高层钢筋混凝土结构的房屋单独柱基应沿基础纵横两个主轴方向设置系梁,特别是各柱基重力荷载代表值差异明显的柱基或各柱基埋深差较大的基础。
(5)桩基应设置桩帽(单桩)或桩承台(多桩)且沿纵横主轴方向设置系梁,特别是桩底持力层差异较大的桩基础。
164
应力管桩。福 建 地 质 GeologyofFujian第 28 卷
(7)多层砌体房屋和底部框架、内框架房屋及单层或多层厂房宜设置基础圈梁。
(8)对于单层或多层厂房也可采取减小柱距、增加内支撑或斜撑。
参 考 文 献
1 GB50021-2001 岩土工程勘察规范
2 GB50007-2002 建筑地基基础设计规范
3 GB50011-2001 建筑抗震设计规范
4 JGJ72-2004 高层建筑岩土工程勘察规范
OntheDiscussionofUniformity
andStabilityAnalysisofaGroundwork
ZhuFalei
(FujianInstituteofGeologicalEngineeringExploration,Fuzhou,350002)
Abstract
Basedontherelevantspecificationsandsomepracticalexperience,theauthormadeastabilityanalysisofthehomogeneousnessgroundworkandheterogeneousfoundationinthegeologicexplorationofageotechnicalengineeringandputforwardsometechnicalmeasuresadoptedinthebasedesignofheterogeneousfoundation.
Keywords substructure,uniformity,stability,technicalmeasures
160福 建 地 质 GeologyofFujian第 2 期
有关地基均匀性及稳定性分析探讨
朱发垒
(福建省地质工程勘察院,福州,350002)
摘 要 根据有关规范结合工作实践经验,对岩土工程地质勘察工作中均匀性地基和不均
匀地基的稳定性进行分析,提出不均匀地基基础设计时应采取的技术措施。
关键词 地基 均匀性 稳定性 技术措施
地基的均匀性及稳定性评价是岩土工程地质勘察中非常重要的一项内容, 岩土工程勘察规范![1]和 建筑地基基础设计规范![2]对地基的均匀性及稳定性评价均有明确的规定,但均未作具体的评价标准和准则,笔者根据有关规范并结合工作实践经验对地基的均匀性评价提出一些浅见。
1 天然地基的均匀性评价
建筑物的地基变形可引起建筑物的变形,目前建筑物的变形设计多采用极限状态的原则设计,即建筑物的变形是否超过变形允许范围值。而造成地基变形最主要的原因之一就是地基的不均匀性。
1 1 地基均匀性的评价范围
对地基的均匀性评价,首先应确定其评价的平面范围和深度范围。评价平面范围多以建筑物水平投影面积范围为标准,也即通常以建筑物角点包络线所占的面积为评价范围;评价深度范围包括以下几点。
(1)条形基础为基底下3b(b为基础底面宽度),对于独立基础为基底下1 5b,且评价深度均不小于5m。
(2)天然地基浅基础,独立基础或条形基础其压缩层深度按变形比法确定其评价深度。
s#0 025i= 1 s∀i (1)
式中: s∀i∃在计算深度范围内,第i层土的计算变形值; s∀n∃在由计算深度向上取厚度为 z的土层计算变形值。
(3)对大面积基础其评价深度范围。
Zn=b(2 5-0 4lnb) (2)
式中:b∃基础宽度;且对于大面积基础其评价范围应不小于1倍基础宽度范围。 ∀nn收稿日期:2008 10 21),,,
第 2 期朱发垒:有关地基均匀性及稳定性分析探讨161
(4)对于桩基础以等效实体深基础的底面积按应力比确定评价深度Zn,即Zn处的附加应力( z)与土的自重应力( c)。
z=0 2 c (3)
z= !jp0jj=1
力。
1 2 地基均匀性的评价内容
地基的均匀性评价是岩土工程分析与评价的重要内容之一,根据有关规范和基础设计经验,地基的均匀性评价,首先结合场地地质特征进行分析评价。
(1)根据现场调绘情况,确定场地是否跨越不同的地貌单元,再根据钻孔揭露资料,绘制场地纵横工程地质剖面图,分析评价岩土层的成因、沉积年代、力学性质,分析地基岩土纵横方向上物理力学性质的差异情况,分析建筑物基础平面是否跨越不同的地貌单元或位于同一工程地质单元。
(2)根据建筑物的荷载特征,结合建筑物拟采用的基础型式估算地基岩土的压缩层深度范围,分析评价压缩层范围内的地基岩土的物理力学性质,进而进行地基均匀性的定性及定量评价。
(3)不均匀地基的评价内容。
建筑物基础平面跨越不同地貌单元,岩土层的工程特性在纵横方向上具明显差异的为不均匀地基。
%建筑物所在场地构造破碎带(非全新活动断裂带)发育或构造引起的节理、裂隙发育导致岩体极为破碎(非风化破碎岩体)的为不均匀地基。
&场地内有大面积的软弱粘性土和填土分布、经人工处理过的地基均为不均匀地基。∋根据工程地质剖面图,相邻钻孔压缩层范围内岩土层界面坡度>10(时为不均匀地基。
)建筑物平面范围内各钻孔压缩层范围内压缩模量厚度加权平均值的最大值与最小值的比值作为不均匀系数,并结合同一工程地质单元岩土层厚度的统计变异系数进行分析评价(表1)。
表1 地基不均匀系数界限值
Table1 Thresholdvaluesofnon uniformitycoefficientsoftheroundwork同一工程地质单元岩土土层厚度统计变异系数∀
地基不均匀系数k(k=Esmax/Esmin)#0 12 500 1~0 32 000 3~0 51 8∗0 51 5m(4)式中:!j∃附加应力系数,查有关规范确定;P0j∃等效实体基础底面的平均附加应
+地基主要受力层范围内的岩土层在基础宽度方向上存在厚度明显不同,层厚统计变异系数大于等于0 50,并且相邻钻孔同一工程地质单元的岩土层厚度差值大于等于0 05b(b
162福 建 地 质 GeologyofFujian第 28 卷
∀∗0 50 (5)
H1-H2 ∗0 05b (6)
式中:H1、H2∃相邻钻孔同一工程地质单元岩土层厚度(m);b∃基础宽度。
,在同一钻孔内的地基土压缩层范围内任意相邻两层岩土层的地基土压缩模量比值满足下式要求为不均匀地基。
Es1/Es2>3 (7)
式中:Es1∃上层土压缩模量;Es2∃下层土压缩模量。
−对于桩基础其桩底高差大于等于下式计算结果时应判定为不均匀地基。
H∗Dtan! (8)
式中:D∃桩径;!∃相邻桩底中点连线与水平线的夹角。
2 不均匀地基的稳定性评价
对于被判为不均匀地基的场地,应按规范要求进行地基变形的验算评价,以免地基变形失效给建筑物带来安全隐患,地基变形一般包括地基的压缩变形,通常采用规范建议的等效分层总和法进行,而地基失效验算即通常所说的地基稳定性验算;当规范不要求进行地基变形验算的建筑,在基础设计时应采取相应的结构加强措施。
(1)不均匀地基岩土层承载力取值。通常分为上部结构、地基、基础三部分进行独立求解,假定上部结构的柱是嵌固在基础上的,求解出结构内力(柱的轴力、弯矩、剪力、转角),这些内力作用在基础梁或基础底板上,基础梁或基础底板同时承受地基反力,地基反力与上部结构荷载(含基础自重及其悬挑部分以上的土自重)保持静力平衡,并假定地基反力是按直线分布,即此时假定基础是绝对刚性,而计算地基变形时又把基础看作是柔性的,即地基反力是均匀分布的;在对地基土进行承载力和变形验算时,所采用的荷载组合也不同,进行承载力验算时采用的是荷载效应的标准组合,而在进行地基的变形验算时,采用的是荷载效应的准永久组合,表明基础刚度的不同地基土的发挥度也不同,即地基土的承载力非定值,其随基础的刚度不同而变化。上述取值方法,仅仅考虑了总荷载与总反力之间的静力平衡条件,而忽略了上部结构与基础以及基础与地基土之间的变形的连续性,使得在利用地基土承载力取值时将地基土独立看待,承载力取定值,导致地基土承载力取值偏高或偏低,给建筑物留下安全隐患或造成投资浪费。根据多年的设计经验和地基反力观测,地基土反力由于基础刚度的不同,存在不同程度的集中现象,故基础设计时地基土的承载力可根据基础刚度和基础型式的不同作调整。
当基础刚度较大时地基土承载力可采用偏高值;
%当基础刚度较小时地基土的承载力可取偏低值;
&对独立基础,地基土承载力可取低值;
∋条形基础或其它大面积基础时地基土承载力取高值。
(2)不均匀地基的稳定性计算。对于被判为不均匀的地基,除应按有关规范要求进行建筑物的沉降、差异沉降、倾斜等特征分析外,还应根据建筑物的重要性进行地基稳定性验算。根据 建筑地基基础设计规范!建议地基稳定性分析采用圆弧法进行验算(图1),即
第 2 期朱发垒:有关地基均匀性及稳定性分析探讨163
图1 地基稳定性计算简图
Fig 1 Diagramshowingthecalculatedresultsoffoundationstability
K=MR/MS∗1 2 (9)
其稳定安全系数:
K=R( Wicos!itan#i+ cili)/{(p-pc)bx+Hz} (10 )
式中:p-pc∃基底附加压力平均值;X∃附加压力重心到滑弧圆心的水平距离;Wi∃土条重量;li∃土条内滑弧长度;H∃水平外力;ci、#i∃土的抗剪强度;R∃圆弧半径。
该式的整体稳定性计算,仅适用于小偏心荷载的建筑物,其关键是滑弧深度的确定,滑弧深度确定了其地基土整体破坏范围也就确定了,根据多项工程地基土圆弧滑动稳定性验算,认为基础外角点底面以下1/4基础宽度范围深度内,且该点与地面的连线呈45(-#/2夹角的验算范围可满足建筑物安全使用要求;若经上式验算所得地基稳定性安全系数小于1 2,则应加大基础埋深,继续验算直至满足要求;或采用增强滑带土抗剪强度的办法重新验算地基稳定性安全系数。
3 不均匀地基基础设计时应采取的结构措施
由于不均匀地基的地基岩土在纵向和横向上物理力学性质均有不同程度的差异,地基反力的集中现象比均匀地基更为明显,基础设计若不采用一定的结构措施易给建筑物埋下安全隐患。此类地基基础设计除应沿基础纵横向设分布钢筋外,应采取如下措施。
(1)建筑物基础应加大基础刚度。
(2)建筑物尽量避免采用不同的基础型式。
(3)同一建物基础不应置于岩土性质绝然不同的地基岩土层上;当不可避免时,应采取适当的建筑与结构措施。
(4)多层和高层钢筋混凝土结构的房屋单独柱基应沿基础纵横两个主轴方向设置系梁,特别是各柱基重力荷载代表值差异明显的柱基或各柱基埋深差较大的基础。
(5)桩基应设置桩帽(单桩)或桩承台(多桩)且沿纵横主轴方向设置系梁,特别是桩底持力层差异较大的桩基础。
164
应力管桩。福 建 地 质 GeologyofFujian第 28 卷
(7)多层砌体房屋和底部框架、内框架房屋及单层或多层厂房宜设置基础圈梁。
(8)对于单层或多层厂房也可采取减小柱距、增加内支撑或斜撑。
参 考 文 献
1 GB50021-2001 岩土工程勘察规范
2 GB50007-2002 建筑地基基础设计规范
3 GB50011-2001 建筑抗震设计规范
4 JGJ72-2004 高层建筑岩土工程勘察规范
OntheDiscussionofUniformity
andStabilityAnalysisofaGroundwork
ZhuFalei
(FujianInstituteofGeologicalEngineeringExploration,Fuzhou,350002)
Abstract
Basedontherelevantspecificationsandsomepracticalexperience,theauthormadeastabilityanalysisofthehomogeneousnessgroundworkandheterogeneousfoundationinthegeologicexplorationofageotechnicalengineeringandputforwardsometechnicalmeasuresadoptedinthebasedesignofheterogeneousfoundation.
Keywords substructure,uniformity,stability,technicalmeasures