0 引言
岩石地基的低压缩变形特性使其在基础作用下 变形很小 ,同时弹性模量较大 ,地基承载力较高 ,对 上部结构非常有利 。按照我国现行设计规范 [122 ] ,岩 石地基上柱下独立基础的设计方法与土质地基上的 相同 ,将基础视为弯剪构件 ,进行受弯和受剪承载力 验算 。由于岩石地基与土质地基的压缩变形差异很 大 ,特别是岩石的成因及构成很复杂 ,使得基础设计 与其实际受力特性不符 ,文献 [ 3 ]指出了设计缺陷及 质量隐患 。鉴于贵州和重庆的地质条件 ,贵州省和 重庆市多次立项进行专项研究 。
现行地基基础设计规范 [1 ]中强调了基础的局压 验算 ,由于计算受弯和受剪承载力远远低于局压承 载力 ,教科书中均没有介绍基础的局部承压计算 。 但是在受压构件中 ,未配置钢筋时局压承载力远远 小于全截面受压 ,构件的破坏将由局部受压控制 。
2 数值分析
采用大型有限元分析软件 ANSYS进行基础的应 力分析 。 2. 1 单元选取及混凝土本构模型
本文提出置于岩石地基上的钢筋混凝土柱下独 立基础为受压构件 ,并通过数值模拟和试验分析 ,从 混凝土基 本 破 坏 理 论 方 面 对 独 立 基 础 进 行 应 力 分 析 ,论述在一定条件下岩石地基上的柱下独立基础 为受压构件 ,在未配置钢筋的情况下其破坏由局部 承压控制 。
1. 3 基础受力分析 基础承受上部荷载的同时也承受地基反力的作
柱下 独 立 基 础 采 用 C20 素 混 凝 土 , 平 面 尺 寸 为 600mm ×600mm ,其余尺寸如图 2所示 。
图 3 为 地 基 弹 模 为 30GPa, 基 础 高 度 分 别 为 300mm、400mm、500mm 时的基底反力分布曲线 。
压区域 (局压区域 )后拉应力突然增大 。随着基础高 度的增加压应力分布变得均匀 ,在地基的约束下拉 应力逐渐减小 。
基金项目 : 贵州省建设厅 2009年科技计划项目 (黔建科标通 [ 2009 ]312号 ) 作者简介 : 须亚平 (1953— ) ,女 ,江苏宜兴人 ,副教授 。 E2mail: xyap ing@126. com 收稿日期 : 2009年 10月
298
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
文献 [ 4 ]在对基底反力进行非线性分析后指出 , 在硬质岩石地基上当基础高度较低时 (柔性基础 ) , 地基反力向基础中央集中 ;当基础达到一定高度时 , 基底反力趋于均匀并向边缘集中 。文献 [ 526 ]指出 在软质岩石地基上 ,当基础高度较低时 ,基底反力有 向中间集中的趋势同时也向边缘集中 ,当基础达到 一定高 度 时 , 基 底 反 力 中 间 趋 于 均 匀 同 时 向 边 缘 集中 。
建 筑 结 构 学 报 (增刊 2) nal of B uilding Structures ( Supp lem entary Issue 2)
置于岩石地基的独立基础力学特性研究
须亚平 1 , 查万理 1 , 彭 煜 2 , 曾 义 1 , 朱爱军 1 , 王 磊 3 , 王辉刚 4 (1. 贵州大学 , 贵州贵阳 550003; 2. 贵阳建筑勘察设计院 , 贵州贵阳 550003; 3. 贵州中建科研设计院 , 贵州贵阳 550002; 4. 贵州新基石建筑设计院 , 贵州贵阳 550003)
图 1 单元划分 Fig. 1 Element division
根据文献 [ 9 ]选用美国 E. Hognestad建议的本构
模型 ,其表达式如下 :
σ = fc
ε 2ε -
0
ε ε
0
2
ε ≤ε0
(1)
σ = fc
1
-
0.
15
ε
-
ε 0
ε u
-
ε 0
ε0 ≤ε≤εu ( 2)
式中
:
相应于峰值应力时的应变
文献 [ 426 ]分别对置于硬质岩石和软质岩石地 基上基础的基底反力加以研究 ,并得到无论硬质岩 基还是软质岩基基底反力均为非线性分布的结论 。 文献 [ 7 ]通过试验得出岩石地基与基础一定时 ,在承 载力范围内基底反力分布与上部荷载无关的结论 。 但是上述研究都将独立基础视为弯剪构件进行 分析 。
用 。根据圣维南原理 ,钢筋混凝土柱在独立基础上 形成局压 ,局压的影响高度同挑出长度 。 1. 3. 1 基础受力特点
基础受到上部混凝土柱的作用和岩石地基反力 作用 。由于岩石地基的低压缩性 ,且基础与地基协 调变形 ,无论基础的跨高比 (文献 [ 1 ]称其为宽高比 ) 大还是小 ,基础的受力特点均符合受压构件 。当基 础跨高比较大时 ,地基反力向基础中央集中 ,对地基 和基础的承载力不利 。只有当独立基础具备一定的 高度时 ,上部荷载才能均匀传给地基 。 1. 3. 2 基础局部承压
ε 0
= 0. 002; 极限应
变
ε u
= 0. 0038 。
混凝土破坏准则采用 W illiam2W arne五参数强度
模型 。
2. 2 基底反力分布
选择弹性模量为 5GPa和 30GPa两种岩石地基 ,
299
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
在硬 质 岩 石 地 基 上 ( E = 30GPa ) 基 础 高 度 为 300mm 时 (跨高比为 1 /1. 5) ,基底反力向中间集中 。 当基础高度为 400mm 时 (跨高比为 1 /2 ) 时 ,基底反 力呈直线分布并向边缘集中 。
图 2 混凝土柱及基础尺寸图 Fig. 2 Size of concrete column and foundation
图 4 软质岩石地基基底反力曲线 ( E = 5GPa) Fig. 4 Curves of soft rock subgrade reaction ( E = 5GPa)
图 3 硬质岩石地基基底反力曲线 Fig. 3 Curves of hard rock subgrade reaction
摘要 : 置于岩石地基上的柱下独立基础长期以来都是按照国家及地方相关规范进行设计 ,即将基础视为弯剪构件进行受弯 和受剪承载力验算 。由于岩石地基与土质地基的压缩变形差异很大 ,使得基础设计与其实际受力特性不符 ,由此造成的独 立基础设计缺陷在高层和超高层中尤为严重 。基础自身刚度及地基的压缩变形是影响其受力特性的主要因素 。通过数值 模拟和试验结果分析得到以下结论 :置于硬质岩石地基上的独立基础为受压构件 ;置于软质岩石地基上的独立基础在满足 一定高度的条件下也为受压构件 。在岩石地基上不能做柔性基础 ,必须满足最小高度的条件才能使上部荷载在独立基础 内充分扩散并均匀传给地基 。在没有配置钢筋的情况下独立基础以局压破坏为先 。 关键词 : 独立基础 ; 岩石地基 ; 数值模拟 ; 试验研究 ; 破坏形态 ; 局压破坏 中图分类号 : TU471 TU317. 1 文献标志码 : A
分析模型采用 8节点三维等参数单元 ,见图 1。
1 受力分析
在岩石地基上独立基础的受力特性与其自身的 材料 ,形状等密切相关 ,同时也与其边界条件有关 。 1. 1 岩石地基分类
岩石的成因及构造很复杂 ,综合《岩石力学参数 手册 》[8 ]及现行建筑地基基础设计规范 [1 ]的分类 ,按 饱和单轴抗压强度分 、按硬质岩及软质岩分 、按岩石 的完整程度分 、按风化程度分等 。本文在研究中根 据岩石地基的低压缩变形特性 ,用两个具有代表性 的地基条件对独立基础进行受力分析 。 1. 2 地基反力非线性分布
3. Guizhou Construction Science D esign Institute, Guiyang 550003, China; 4. Guizhou X injishi Construction D esign Institute, Guiyang 550003, China)
Abstract: The design of independent foundations under columns and on rock subgrade is generally carried out in accordance with the national or regional codes, which regards the foundations as flexure2shear members that requires the calculation of flexural and shear resistance. Because of the great difference of comp ression deformation between rock subgrade and soil subgrade, the foundation design is inconsistent with its mechanical characteristics. So it causes serious design defects, especially in tall and super tall buildings. The main factors that affect the mechanical characteristics of foundations are the stiffness and comp ression deformation of subgrade. According to numerical simulation and test results, the paper gets following important conclusions: An independent foundation on hard rock subgrade is a comp ression member, an independent foundation on soft rock subgrade is also a comp ression member at certain height. The flexible foundation can′t be designed on rock subgrade. Only if the independent foundation satisfies m inimum height condition, upper loads will sp read sufficiently in independent foundation and is transferred to subgrade uniform ly. In the case of no reinforcement, local comp ression failure will occur firstly in the independent foundation. Keywords: independent foundations; rock subgrade; numerical simulation; experimental research; failure modes; local comp ression failure