地基承载力与物理力学指标参数取值及基础选型分析.pdf

江西建材岩土工程与勘察1412023年7 月地基承载力与物理力学指标参数取值及基础选型分析林自顺厦门市政工程研究所有限公司，福建 厦门 361000摘 要：文中围绕地基承载力内涵与拟建物在不同地质条件下的基础形式选择，结合工程实例，计算分析了拟建工程采用桩基础时的单柱竖向承载力标准值、桩基沉降量及在单柱最大荷载下承台底桩数，在采用片筏基础持力层深宽修正后，将地基承载力特征值与拟建工程上部荷载传递基底单位面积进行对比，并对地基沉降量进行计算分析，最后，对比了不同基础选型的成本，可供其他工程参考。关键词：地基承载力；单桩竖向承载力标准值；沉降量；基础选型中图分类号：TU192 文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）07-0141-03Analysis of the Values of Foundation Bearing Capacity and Physical and Mechanical Index Parameters and Foundation SelectionLin ZishunXiamen Municipal Engineering Research Institute Co.Ltd.,Xiamen,Fujian 361000Abstract:Based on the connotation of foundation bearing capacity and the selection of foundation forms of proposed buildings under different geological conditions,and combined with the actual project,the paper calculates and analyzes the standard value of vertical bearing capacity of single column,the settlement of pile foundation,and the number of piles at the bottom of cushion cap under the maximum load of single column when the proposed project adopts Pile foundation,And when using raft foundation,the characteristic value of the bearing capacity of the foundation after adjusting the depth and width of the bearing layer is compared with the unit area of the upper load transfer base of the proposed project.The settlement of the foundation is calculated and analyzed,and the cost of different foundation types is compared,which can be used as a reference for other projects.Key words:Foundation bearing capacity;Standard value of vertical bearing capacity of a single pile;Settlement amount;Basic selection0引言地基基础关系到整个建筑的安全和正常使用，因此，正确选择地基基础类型十分重要。在选择地基基础类型时，主要考虑两个方面的因素：（1）建筑物的性质（包括用途、重要性结构形式荷载性质和荷载大小等）；（2）地基的工程地质和水文情况（包括岩土层分布、岩土性质和地下水等）1。而地基承载力与物理力学指标的取值又是工程勘察报告的重要内容，取值是否合理关系到后期的基础选型是否适用，取值方法应由岩土工程勘察设计人员掌握2。1工程概况泉州台商投资区东园镇某高层建筑，地上建筑共 14 层，地下1 层地下室。工程设计地坪标高 0.00（黄海高程为5.30 m）。地下室高度为5 m，地下室底板标高黄海高程为0.30 m，拟采用框剪结构，设计最初拟采用桩基础。2 地基承载力及基础选型计算确定2.1 土层资料简析 根据上文所述，选择合适的地基基础，需对地下土层结构与建筑荷载进行综合分析。其中，基底土层与地基承载力建议值是极其重要的参考依据3。本工程周边地形整体相对平整，无起伏地段，地势较为开阔。勘察期间，勘测点测定的孔口地面高程大部分为4.204.50 m。具体土层分布情况如下：杂填土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩、1强风化花岗岩（砂土状）、2强风化花岗岩（砂砾状）、3强风化花岗岩（碎块状）与中风化花岗岩。2.2 岩土地基承载力与物理力学指标取值与分析根据地层结构、室内试验数据及原位测试数据，本文对重要岩土地基承载力参数与岩土层指标进行取值分析。按室内土工试验成果确定，参照 DBJ 13072006建筑地基基础技术规范有关附表，残积砂质黏性土，n=9，e=0.841，IL=0.353，查表得 fak=221.1 kPa；按标准贯入试验成果确定，参照 DBJ13072006建筑地基基础技术规范有关附表，残积砂质黏性土，n=16，N=15.6 击，查表取fak=284.8 kPa；按不利因素考虑，取二者之间低值，残积砂质黏性土 fak=220 kPa。参照 JGJ 942008建筑桩基技术规范第5.3.5 条与DBJ13072006建筑地基基础技术规范，残积砂质黏性土，IL=0.353，qsik=77 kPa，取整80 kPa；全风化花岗岩，N=29.7，qsik=120 kPa，强风化花岗岩（砂砾状）2，强风化硬质岩，qsik=160 kPa，3强风化花岗岩（碎块状），强风化硬质岩，qsik=220 kPa，中风化花岗岩，qsik=300 kPa，qpk=12 000 kPa。作者简介：林自顺（1989-），男，福建平潭人，本科，工程师，主要研究方向为岩土工程。江西建材岩土工程与勘察1422023年7 月参考福建省DBJ 13842006 岩土工程勘察规范，估算全风化花岗岩压缩模量 Es=18 MPa，强风化花岗岩（砂砾状）2压缩模量 Es=45 MPa。2.3 基础选型简化计算拟建工程最大柱重为15 000 kN，地下室底板顶标高为0.3 m，主要位于残积砂质黏性土与全风化花岗岩，设计初步采用冲孔灌注桩。现将桩基方案初步设计过程做如下介绍。根据 JGJ 942008 建筑桩基技术规范 5.3.5 与5.3.6 条有关公式进行试算，混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值如下。选取 ZK3 计算，桩径取800 mm，桩端持力层选取中风化花岗岩，桩端进入持力层1 m，根据地勘资料揭示地层，有效桩长为23.82 m，分别为残积砂质黏性土1.62 m、全风化花岗岩3.70 m、强风化花岗岩（砂砾状）7.40 m、强风化花岗岩（碎块状）10.10 m、中风化花岗岩1 m，计算单桩竖向极限承载力标准值如下：（1）式中，Qsk为总极限侧阻力标准值（kPa），Qpk为总极限端阻力标准值（kPa），为桩身周长（mm），Ap为桩端面积（mm2），lsi为桩周第 i层土厚度（mm），n为桩数，qsik为桩侧第 i层土的极限侧阻力标准值（kPa），qpk为极限端阻力标准值（kPa）。单桩竖向承载力特征值为，经计算，最大单桩荷载下应配桩数 n为2。桩基沉降计算，根据 JGJ 942008建筑桩基技术规范中5.3.14 条，对单柱、单排桩、桩中心距大于6 倍桩径的疏桩基础的沉降计算，可分两种情况：（1）按承台底地基土不分担荷载的桩基考虑；（2）按承台底地基土分担荷载的复合桩基考虑4。拟建工程大多数承台均为双桩承台或单桩承台，按承台底地基土不分担荷载的桩基考虑，桩基的最终沉降量可按以下公式计算：（2）式中，s为桩基最终沉降量（mm）；为桩基沉降计算经验系数；m代表以沉降计算点为圆心时，0.6 倍桩长为半径的水平面影响范围内的基桩数；n为沉降计算深度范围内土层的计算分层数；zi为水平面影响范围内各基桩对应力计算点桩端平面以下第 i层土2/1 厚度处产生的附加竖向应力之和（kPa）；zci为承台压力对应力计算点桩端平面以下第 i计算土层1/2 厚度处产生的应力（kPa）；zi为第 i计算土层厚度（m）；Esi为第 i计算土层的压缩模量（MPa）；Qj为第 j桩在荷载效应准永久组合作用下，桩顶的附加荷载（kN）；lj为第 j桩桩长（m）；Aps为桩身截面面积（m2）；j为第 j桩总桩端阻力与桩顶荷载之比；Ip,ij为第 j桩的桩端阻力（kN）；Is,ij为桩侧阻力对计算轴线第 i计算土层2/1 厚度处的应力影响系数；Ec为桩身混凝土的弹性模量（MPa）；pc,k为第 k块承台底均布压力（kPa）；aki第 k块承台底角点处，桩端平面以下第i计算土层1/2厚度处的附加应力系数；se为计算桩身压缩系数，e为桩身压缩系数，为沉降计算经验系数。由于桩端持力层为中风化花岗岩，按不可压缩层考虑，仅需计算 Se，其中,e按端承桩考虑取1，Qj取7500 kN，lj=23.82，桩身混凝土弹性模量 Ec取3.0104 MPa，桩身截面积Aps=3.140.82/4=0.5024 m2,e=11.85 mm，满足 JGJ 942008建筑桩基技术规范第5.5.4 条的规定。上文已对桩基方案进行必要分析与计算，下文结合地勘资料对拟建工程天然地基方案进行分析，拟建工程为14 层地上建筑与1层地下室，活荷载按1.5 kN/m2，恒荷载按2.0 kN/m2，框剪结构自重大致可按13 kN/m2，根据 GB 500072011 建筑地基基础设计规范第5.2.4 条，地基承载力特征值应进行修正，可采用片筏基础方案，基础持力层为残积砂质黏性土5。上部沉降计算满足 GB 500072011建筑地基基础设计规范第5.3.7 条。（3）式中，si为在计算深度范围内，第 i层土的计算变形值（mm）；sn为在计算深度向上取厚度为 z的土层计算变形值（mm）。变形计算深度范围内压缩模量的当量值：（4）p0 fak，Es=16.63MPa，s=0.335，s=ss=0.3358.13=2.72 cm 满足 GB500072011建筑地基基础设计规范第5.3.4条，高耸结构基础的沉降量，最大沉降量不超400 mm。2.4 基础选型比较与分析对比上述桩基础与片筏基础方案，桩基础沉降主要参考桩身压缩变形 Se为11.82 mm；片筏基础方案采用残积砂质黏性土为持力层，中心点最大沉降量为2.72 cm，二者均满足规范要求。在经济上，上述两种方案，拟建工程需50 根冲孔灌注桩，桩径800 mm，平均有效桩长21 m，按目前冲孔灌注桩单位造价800 元/m3估算，拟建工程桩基造价计算如下：桩基总造价=50213.140.824800=422016 元 。工期建设中，一根冲孔桩按7 d工期计算，可节省台班数350。采用浅基础方案比桩基方案节省40 余万元。对比同一工程的桩基础与浅基础两种方案，原设计单位最初计划采用深基础作为基础方案6，在地勘报告中，我方勘察人员提供出采用片筏基础的可行性依据，经原设计单位复核后采纳。在进行方案对比时，勘察单位人员需明确基础持力层的力学参数，这关乎基础选型方案的成败；后期工程建设过程中，应进行沉降观测，对比最终沉降量与我们初步设计的计算沉降量存在的误差（本工程后续最终沉降量为12 mm，比我们初步计算沉降量要小得多，主要原因应该是压缩模量参数的选用以及代表性钻孔过于保守，但也能满足地基基础设计要求）。3 结语（1）勘察报告需要保证地基承载力与物理力学参数的选取及准确性，掌握数据计算的方法与依据，并在地基基础方案设计期间，基于地基承载力进行取值，从而对相关参数进行分析。（2）地基基础方案设计影响因素较多，地基承载力取值也（下转第146页）江西建材岩土工程与勘察1462023年7 月图7 中为考虑土体加固时的有限元计算结果，钢板桩最大水平位移为21.4 mm，最大弯矩为194.5 kN m，最大的剪力为132 kN，内撑轴力为408.5 kN。考虑坑底土体加固后，有限元计算结果的最大水平位移、钢板桩弯矩剪力与设计软件计算结果相比略小，误差在10%左右，而内撑轴力高于设计软件计算结果33%左右。（a）变形图 （b）弯矩图 （c）剪力图图7 考虑坑底加固图8 给出了不考虑和考虑坑底加固时，坑底及坑后填土竖向位移云图。由图8（a）可见，不考虑坑底加固时，坑底最大隆起量为147.9 mm，坑后最大沉降为53.5 mm；由图8（b）可见，考虑坑底加固时，坑底最大隆起量为28.4 mm，坑后最大沉降为4.9 mm。考虑坑底加固后，坑底隆起只有不考虑坑底加固的20%左右，坑外最大竖向沉降则只有不加固时的10%左右。由此可见，坑底土体加固对基坑支护设计的影响非常大。（a）不考虑坑底加固（b）考虑坑底加固图8 地表沉降及坑底隆起4 结语（1）本文对建筑基坑支护设计方法进行了系统总结，指出了现有设计方法未能考虑管廊基坑长条形的空间特性和坑底地基加固的有利作用。（2）计算分析三款常用支护设计软件表明，绕支撑的踢脚破坏稳定性在海涂围垦区狭长形基坑支护设计中起控制作用。（3）通过有限元分析，在考虑坑底地基土体加固处理后，支护内力、变形以及坑内外土体变形均大幅减小，这可为后续有效减小桩长、提高设计的经济性提供相应的理论依据。参考文献 1 刘志军，朱明星，王胜年，等.软土地区某地下综合管廊工程基坑设计优化分析J.水利与建筑工程学报，2018，16（5）：172-175，180.2 高文华，杨林德，沈蒲生.软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析J.土木工程学报，2001（5）：90-96.3 钱七虎，陈晓强.国内外地下综合管线廊道发展的现状、问题及对策J.地下空间与工程学报，2007（2）：191-194.4 胡静文，罗婷.城市综合管廊特点及设计要点解析J.城市道桥与防洪，2012（12）：196-198，18.5 林财.地下综合管廊软弱地基处理技术的优化及应用J.福建建设科技，2016（5）：73-75，86.6 张江涛，豆红强，王浩.滨海软土地区综合管廊基坑开挖钢板桩支护性状分析J.水利与建筑工程学报，2016，14（6）：120-125.7 俞建霖，龙岩，夏霄，等.狭长型基坑工程坑底抗隆起稳定性分析J.浙江大学学报（工学版），2017，51（11）：2165-2174.8 胡红亮.平潭综合管廊深基坑内支撑支护优化设计与分析J.土工基础，2018，32（6）：594-598.9 周恒，范翔，杜超，等.地下综合管廊软土地基水泥土搅拌桩处理的优化设计研究J.土工基础，2018，32（1）：4-9.10 罗万宇.软土地基地下综合管廊较易出现的病害及修复 J.水利与建筑工程学报，2021（4）：177，180.11 马云峰.岩土工程中的深基坑支护设计问题分析J.住宅与房地产，2017（6）：146.12 姚爱国，汤凤林，SmithI.M.基坑支护结构设计方法讨论J.工业建筑，2001（3）：7-10.存在多重干扰因素，需要保障取值的准确度，并保证在勘察、规划设计、施工、后续使用阶段地基承载力的有效性。（3）结合相关参数，采取合理、可行、科学的施工措施，明确工程责任制度，确保工程地基基础方案满足安全、经济的标准。参考文献 1 杨道光.工民建工程勘察中地基承载力的确定方法研究J.工程技术研究，2021（9）：24-26.2 高大钊，姜安龙，张少钦.确定地基承载力方法若干问题的讨论J.工程勘察，2004（3）：3-8.3 李勇伟.对确定地基承载力的几点认识J.西北水力发电，2005（S2）：162-163.4 张辉能.高层建筑地基承载力极限数值模拟研究J.土工基础，2023，37（2）：241-244.5 李凭雨，吴文经，陶连金.CFG 桩复合地基沉降计算方法的分析J.山西建筑，2007（10）：12-13.6 郭兴轩，陶卫东.合理确定不同地基基础和持力层的地基承载力J.江淮水利科技，2013（3）：10-11.（上接第142 页）