孔 滔

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

非均質地基的判定標準研究

孔 滔

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

非均質地基作為一種常見的地基，對于修建于其上的建筑物的安全穩(wěn)定性具有較大的影響。對地基的非均質性目前尚無定量的判定方法。文章根據大量典型場地的剪切波速和巖體力學特性實測資料，提出了非均質地基的定量判定標準,并利用有限元軟件ABAQUS建立了簡化的二維模型,以地基的極限承載力作為衡量地基非均質性的指標，對模擬場地的極限承載力進行計算，同時根據計算結果對提出的判定標準進行了驗證和調整。

非均質地基；定量；判定標準；ABAQUS

0 引言

地基的均質性廣義上是指地基巖土的巖性、物理力學特性是否一致或接近，工程上的地基均質性可擴展到地基在外部荷載作用下是否會發(fā)生過大的沉降或出現較大沉降差。在非均質地基上修建建筑物時建筑物的安全性如何保證是一個很重要的問題，在設計中取多大的安全度也在很大程度上考驗著設計者。鑒于此，判定場地是否為非均質地基就顯得十分重要。但是，目前國內外關于非均質地基的確定方法研究還很少，實際中非均質地基的確定都是依靠工程技術人員的經驗。

在國內對于巖石非均質地基的研究較少，現有的研究主要以定性評判為主，而以定量方法確定地基非均質性的研究幾乎沒有，如何解決定性評價已成為很多研究學者探討的問題?！逗穗姀S巖土工程勘察規(guī)范》意見征求稿[1]對于地基的均質性評判主要從地基巖性、巖性分布、巖石風化程度、地層產狀、 巖土力學特性等方面考慮，當巖性相同或巖土物理力學特性一致或相近時，認為這種地基是均質的。但這種均質性地基在

現實中是很少的。工程中評價地基非均質性時應結合地基基礎所受的荷載條件、基礎的平面尺寸、基礎埋置深度、地基承載力及變形等物理力學特性綜合考慮?！陡邔咏ㄖr土工程勘察規(guī)程JGJ72-2004》[2]提出了3種非均質地基的判別標準，但是這些標準在實際應用中只實用于土層，因為巖層具有多變的巖性、差異的風化狀態(tài)以及復雜的構造情況,所以《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程JGJ72-2004》提出的分析方法并不適用于巖層。姬亦工[3]根據剛性路面力學模型，提出了層狀非均質地基與多塊板相互作用力的計算方法，提出了一種簡化的粘彈性Kelvin地基,以及在這種粘彈性Kelvin地基上多塊板的計算方法。屠晟[4]運用研究發(fā)展的安定性分析原理及計算方法，在考慮非均質地基的成層分布及粘結力沿深度的非均質變化模式下，確定了成層地基的安定載荷，然后根據數值計算結果對其系統進行了分析和討論。彭彬[5]以廣西右江白色水利樞紐工程修建在非均質地基上的消力池為典型例子，根據其基巖巖體軟硬相間、物理力學性質差別大，存在高變模比、高承載力比、低抗沖性、風化深度空間變異性大的特殊地質條件，采用三維非線性有限元方法，對修建在非均質地基上的消力池的受力和變形特征進行了詳盡分析，盡可能真實地模擬了消力池地基的巖層分布、節(jié)理及材料差異。M.M.格里申[6]將均質地基上壩的強度和抗剪設計理論引申到非均質地基中,考慮了壩底直接置于不同剛度的巖體或破裂構造區(qū)時壩的設計問題。唐良琴等[7]在大量實驗研究以及總結前人研究成果的基礎上，全面分析了物質組成、結構特征等因素對軟弱夾層地基抗剪強度的影響。劉彬等[8]研究了軟硬相間層狀復雜的河湖相沉積巖的綜合變形模量，包含了礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖等多種巖性巖體并通過原位試驗獲得這種復雜組合巖體的綜合變形模量。

目前，國內外尚無非均質地基的定量判定標準，相關的研究成果也很鮮見，因此，對非均質地基的定量判定標準進行研究十分必要，也具有較大的工程意義。本文根據大量典型場地的勘察資料,獲得場地剪切波速、巖體力學特性與場地非均質性之間的關系，確定了非均質場地的定量判定標準，并利用有限元軟件對提出的非均質地基判定標準進行了驗證和修正。

1 非均質地基的判定方法

1.1 剪切波速判定地基的均質性

根據收集的諸多場地的勘察資料，特別是地球物理勘探與地質鉆探結果，發(fā)現剪切波速的差異與地基均質性之間存在著較高的相關關系。在統計一些場地的資料后發(fā)現，若場地中某一地層的剪切波速小于場地的平均剪切波速，則該層巖石質量較差，場地可以判定為非均質地基。

從收集的資料來看，場地的剪切波速平均值一般應>750 m/s，部分成巖時代較晚的沉積巖波速也應>700 m/s。如果巖體的剪切波速值較平均值小得多，則認為其質量較差[9]。對比分析一些場地剪切波速和場地的實際條件，當地基影響范圍內的剪切波速值小于0.8倍的波速平均值的巖石段長度大于總深度的8%時，該場地可以判定為非均質，判定公式如式(1)所示。

1.2 巖體力學特性判斷地基的均質性

在沉積巖地區(qū)，往往是多種巖性共生，或者是以一種或兩種巖性為主，伴生有其他巖性，諸多巖性形成互層、夾層等地層，接觸形式也多種多樣?；灼矫娣秶鷥扔袝r會由幾種巖性組成，每種巖性的物理力學性狀存在差異，導致地基的受力不均勻，在建筑物基礎上容易產生應力集中，對上部建筑物的安全不利。因此，由力學性質差異較大的兩種或幾種巖石構成的地基是一種典型的非均質地基。

一般認為，當兩種巖性的力學指標單軸飽和抗壓強度平均值的差值>20%時，就認為兩種巖性存在明顯差異，并且定義單軸飽和抗壓強度較低的巖層相對于單軸飽和抗壓強度較高的巖層為次要巖性。對比分析大量場地巖層的單軸飽和抗壓強度和場地的實際條件，發(fā)現場地中次要巖體體量占總體量的比例與場地的均質性之間存在一定的關系，如果當場地的次要巖性體量超過總體量的8%時，該場地應判定為非均質地基。

2 判定方法的有限元驗證

為驗證上述非均質地基的判定方法,選擇有限元分析軟件ABAQUS對上述兩種非均質地基的判定方法進行驗證，以數值分析的結果驗證上述判定標準的合理性[10]。

在利用有限元進行數值計算中，以地基極限承載力作為衡量場地均質性的指標，并通過計算地基極限承載力的變化來判定地基的非均質性[11]。為此我們建立了一個二維有限元模型，設定材料為各相同性的彈塑性體，為簡化建模，假設地基由兩層地層組成。通過控制低剪切波速巖石段長度占總深度的比例和次要巖體體量占總體量的比例，尋找地基極限承載力發(fā)生較大變化時的低剪切波速巖石段長度占總深度的比例和軟弱巖體體量占總體量的比例，該比例可以作為判定非均質地基的標準。由于建立的模型是二維的,因此, 低剪切波速巖石段長度占總深度的比例和軟弱巖體體量占總體量的比例由低剪切波速巖層和軟弱巖層的厚度控制。

2.1 剪切波速判識標準驗證

2.1.1 參數選取和模型建立

數值分析中建立的二維有限元模型如圖1所示,模型中的地層分為上中下三層,其中中層地層模擬的是軟弱夾層,剪切波速為Vs1,厚度為H1，上下地層為同種巖層，剪切波速為Vs2，厚度之和為H2，整個模擬地層的總厚度為H，滿足H=H1+H2。

在模型的上表面中部(圖中紅點)處施加荷載，并在這一點處監(jiān)測地表的實時沉降量，根據監(jiān)測的實時數據繪制荷載沉降曲線，用于確定地基的極限承載力。

圖1 二維有限元模型圖

分析中假定中部地層材料模擬的是軟弱夾層，即假設Vs1

(3)

得到3Vs1<2Vs1

(4)

將式(2)帶入(4)，可以得到：

8E1ρ2<4E2ρ1

(5)

為使ρ和E的取值滿足式(5)，取ρ1=2 000 kg/m3,ρ2=2 200kg/m3,E1=500kPa,E2=1 250 kPa。在數值模擬的過程中取μ=0.3。

2.1.2 計算工況

將地基影響深度范圍內剪切波速值<0.8倍的平均值的巖石段長度之和占總深度的比例作為研究的對象，并將這一比例選為模型的計算工況，研究這一比例取不同的值時地基的極限承載力的變化，數值分析中選取的計算工況如表1所示。

表1 計算工況表

2.1.3 數值分析結果

利用ABAQUS計算得到的地基荷載沉降曲線如圖2所示。

圖2 荷載沉降曲線圖

根據圖2所示的荷載沉降曲線，做出地基的極限承載力隨地基影響深度范圍內剪切波速值<0.8倍的平均值的巖石段長度之和(H1)占總深度(H)的比例的變化曲線，如圖3所示。

圖3 地基極限承載力的變化規(guī)律曲線圖

從圖3可以看出，曲線斜率在低剪切波速層厚度占地層總厚度的比例為8%時發(fā)生了變化，當這個比例為5%～8%時，地基承載力的變化十分小，平均變化比例為1.427%，而當這一比例從8%變?yōu)?%時，承載力發(fā)生了較大的變化，變化比例為5.37%，并且從此之后隨著這一比例的增大，地基的極限承載力按照5%左右的比例降低。

根據以上的數值分析結果，可以得出這樣的結論：地基影響深度范圍內剪切波速值<0.8倍的平均值的巖石段長度之和大于總深度的8%時地基的極限承載力將發(fā)生較大的變化，滿足這一條件的場地可以判定為非均質地基。

2.2 巖體力學特性判定標準驗證

2.2.1 參數選取和模型建立

本文選擇單軸抗壓強度Rc作為判定巖性是否存在明顯差異的衡量指標。但是，在利用ABAQUS進行有限元模擬時，無法直接給材料賦予單軸抗壓強度Rc進行計算，需要將Rc轉換為其他參數。已有的統計結果表明巖體的單軸抗壓強度和彈性模量E之間存在模糊的正相關關系,在數值分析的過程中，通過將Rc轉換為E并將E賦給巖層材料進行計算。

何鵬等[12]統計了300余個沉積巖試件的測試數據，得到了不同巖性、不同構造的巖體單軸抗壓強度和彈性模量之間的關系，本文選擇擬合相關性系數最高、統計樣本最多的統計關系式作為Rc和E之間的轉換關系，這個轉換關系為：

E=0.092 4Rc1.133 9(R2=0.926 9,N=52) (6)

式(6)是對層理裂隙不發(fā)育的泥巖試件測試數據統計得到的，式中R代表相關性系數，N代表統計樣本個數。

根據四川南充電廠泥巖的勘察數據，對于軟巖層，Rc1=7 000kPa,對于較硬巖層，Rc2=10 000kPa,兩者滿足強度差值>20%,將Rc1、Rc2帶入式(6)可得：

E1=839.3kPa,E2=1 257.7kPa

數值分析中建立的二維有限元模型如上頁圖1所示，模型中的地層分為上中下三層，其中中層地層模擬的是軟弱巖層，彈性模量為E1，厚度為H1，上下地層為同種巖層，彈性模量為E2，厚度之和為H2，整個模擬地層的總厚度為H，滿足H=H1+H2。

在模型的上表面中部(圖中紅點)處施加荷載，并在這一點處監(jiān)測地表的實時沉降量，根據監(jiān)測的實時數據繪制荷載沉降曲線，進而確定地基的極限承載力。

2.2.2 計算工況

將地基平面范圍內次要巖性體量之和占總體量的比例作為研究對象，研究在不同比例時地基的極限承載力的變化。針對本文建立的二維有限元模型，地基平面范圍內次要巖性體量之和占總體量的比例表現為軟弱巖層占模型總厚度的比例，分析中的計算工況如上頁表1所示。

2.2.3 數值分析結果

利用ABAQUS計算得到的地基荷載沉降曲線如圖4所示。

圖4 荷載沉降曲線圖

根據以上荷載沉降曲線得到地基的極限承載力，做出地基的極限承載力隨地基平面范圍內次要巖體體量之和占總體量的比例的變化曲線如圖5所示。

圖5 地基極限承載力的變化規(guī)律曲線圖

從圖5中可以看出，地基的極限承載力在次要巖體體量占總體量的比例為5%～9%時變化的比例較小，平均變化比例為0.412 1%；當次要巖體體量占總體量的比例達到10%時，地基的極限承載力發(fā)生了較大的變化，變化比例為1.515 6%，可以認為此時地基體現出了非均質特性，即當地基平面范圍內次要巖性體量之和占總體量的比例>9%時，便可以判定該場地為非均質地基。數值計算的結果與上文提出的判定標準有1%的差異，出現這一差異的原因既可能是因為在數值計算時用E代替了Rc,而E和Rc的關系是基于大量的統計數據得到的；也可能是因為用巖體的單軸抗壓強度代替了巖體的單軸飽和抗壓強度。結合上文對比分析場地巖層的單軸飽和抗壓強度和場地的實際條件提出的非均質地基判識方法，可以得出這樣的結論：當場地一般次要巖性體量超過總體量的8%～9%時，該場地應判定為非均質地基。

3 結語

根據以上分析，可以得到以下結論：

(1)當地基影響深度范圍內剪切波速值<0.8倍的平均值的巖石段長度之和大于總深度的8%時，場地可以判定為非均質地基。

(2)當場地一般次要巖體體量超過總體量的8%～9%時，該場地應判定為非均質地基。

本文提出了非均質地基的定量判定方法，為非均質地基的判定提供了定量的方法，具有較大的工程適用價值。

[1]GB51041-2014，核電廠巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2]JGJ72-2004，高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].

[3]姬亦工.層狀非均質地基及其與多塊板相互作用和反分析研究[D].大連:大連理工大學, 2000.

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[8]劉 彬,聶德新,張 勇,等.軟硬相間層狀復雜巖體綜合變形模量原位試驗研究[J].工程地質學報，2010,18(4):538-542.

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Research on Determination Criteria of Heterogeneous Foundation

KONG Tao

(Xinjiang Transportation Planning Surveying and Design Institute，Urumqi，Xinjiang，830006)

Heterogeneous foundation is a common foundation，which has a greater impact on the safety and stability of buildings thereon.For the heterogeneity of foundation，there is currently no quantitative determination method.Based on a number of shear wave velocity and rock mechanics properties and other actual measurement data of typical fields，this article proposed the quantitative determination criteria of heteroge-neous foundation，and established the simplified two-dimensional model by using the ABAQUS finite element software，then with the ultimate bearing capacity as the measurement index of foundation heterogeneity，it calculated the ultimate bearing capacity of simulation fields，while according to calculation results，the pro-posed determination criteria were validated and adjusted.

Heterogeneous foundation；Quantitative；Determination criteria；ABAQUS

U416.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.008

1673-4874(2015)06-0031-04

2015-05-03

孔 滔，碩士，主要從事公路勘察方面的工作和研究。