岩石地基上的扩展基础抗剪承载力浅析

岩石地基上的扩展基础抗剪承载力浅析

摘要：本文从【建筑地基基础设计规范】、【混凝土结构设计规范】中关于扩展基础及板的抗剪计算公式出发，结合实际设计中岩石地基上基础计算高度偏高的问题，考虑了基础的跨高比小的有利因素，对地基规范中给出的公式予以修正，使基础高度更趋合理。

关键词：岩石地基 基础 抗剪承载力

1、前言

在一些山地城市，由于基岩埋置较浅，加之城市建设的不断加快，高层带地下室的建筑不断涌现，岩石地基上的基础(本文中基础均指钢筋混凝土基础)采用越来越多。基础工程是建筑物的根本，随着地质条件的复杂性和结构的多样性，基础工程的作用越来越重要，其勘察、设计和施工质量的好坏将直接影响到建筑物的结构安全和正常使用。基础工程一般在地下或水下进行，施工难度大，其造价和工期所占比例较大，对于高层建筑，基础工程的造价和工期可占整个建筑造价和工期30%-50%，甚至更多。此外基础工程为隐蔽工程，一旦失事，不仅损失巨大，且补救十分困难。因此，基础工程在土木工程中具有十分重要的地位。合理的设计地基基础，不仅保证上部结构的安全可靠，也显著影响整个工程的造价。在岩石地基上，由于地基承载力高，钢筋混凝土扩展基础也被大量应用于多、高层建筑中，相对于其它基础型式，岩基上的扩展基础施工简便，造价低，工期短，具有显著的经济效益。

现行《建筑地基基础设计规范(GB50007—2011)》”【简称《地基基础设计规范》】中直接给出基础的抗剪承载力公式，

Vs≤0.7βhsftA0

验算截面取为基础柱边或基础变截面处。其结果往往造成岩石地基上的基础高度较高。因此，有必要对基础抗剪承载力验算公式以及验算截面进行探讨。

2、基础抗剪承载力公式的探讨

2.1基础抗剪承载力公式的规定

《地基基础设计规范》8.2.9条规定，当基础底面短边尺寸小于或等于柱宽加两倍基础有效高度时，应按下式验算柱与基础交接处截面受剪承载力：

Vs≤0.7βhsftA0式（2.1）

βhs=（800/h0）1/4

式中：VS—相应于作用的基本组合时，柱与基础交接处的剪力设计值（KN）。图1中的阴影面积乘以基底平均净反力；

βhs—受剪切承载力截面高度影响系数，当h02000mm时，取h0=2000mm；

A0—验算截面处基础的有效截面面积（㎡）。当验算截面为阶形或锥形时，可将其截面折算成矩形截面，界面的折算宽度和截面的有效高度按规范附录U计算。

2.2现行规范中基础抗剪承载力公式的局限性

由于基础基底受均布基底反力，因此，式2．1是目前基础普遍采用的抗剪承载力公式。该式是根据大量的均布荷载作用下的无腹筋简支浅梁(“L0/h≥5．0)、无腹筋简支短梁(2．0< L0/h <5．0)、无腹筋简支深梁(L0/h≤2．0)以及无腹筋连续浅梁的试验数据进行分析所的无腹筋受弯构件抗剪承载力的偏下限值．为保证公式的普遍适用性．公式中尚未体现剪跨比或跨高比对混凝土抗剪能力的

影响。然而，直接荷载作用下的钢筋混凝土受弯构件，其力的传递是随剪跨比、跨高比的减小由桁架作用过渡到拱作用，破坏形态由剪压破坏过渡到拱身混凝土被压碎的斜压破坏．混凝土的抗剪性能是在逐步提高的．从图1中也较好的反映了这一点。因此，在小剪跨比的情况下，采用式2．3作为基础的抗剪承载力过低估计了混凝土的抗剪能力，是偏保守的。

此外，基础在外力作用下要产生侧向变形。而岩石上的基础一般均有一定嵌岩深度，岩石对基础的侧向变形产生一定的约束，也就形成侧向围力。试验表明旧，侧向围压对构件的抗剪承载力起有利作用，这主要是由于其能阻滞斜裂缝的出现和开展，增加混凝土剪压区高度。从而提高混凝土的抗剪能力，这点在式2．1中也未体现。

有研究发现，岩石地基上的扩展基础的破坏模式是介于受弯破坏模式和混凝土试块受压劈裂破坏模式之间的一种破坏模式：在荷载不算很大的时候，基础底部由于岩石的约束作用，使基础中部产生一定的劈裂破坏；随着荷载的增大，基础裂缝不断开展，混凝土不断退出工作时，且主要由钢筋承担拉力的时候，岩石的约束作用就逐渐减小，使基础呈现受弯破坏模式。

2．3岩石地基上基础抗剪承载力公式的提出

由以上分析来看．岩石地基上基础的抗剪公式可由两部分组成，即混凝土抗剪性能项VC以及基础嵌岩段水平围压对抗剪性能的提高项VN，即

VCS≤VC+VN，现分述如下：

2.3.1 对VC项的分析

由于岩石地基承载力往往较高．基础的基底面积往往较小，一般来讲，基础的跨高比L0/h往往小于5，因而其抗剪性能应与无腹筋深受弯构件(L0/h<5)的抗剪性能较为相似。《混凝土设计规范》规定，对于矩形、T形和I形截面的深受弯构件，在均布荷载作用下，当配有竖向分布钢筋和水平分布钢筋时，斜截面抗剪承载力由混凝土抗剪承载力VC、水平腹筋抗剪承载力VSV以及垂直腹筋抗剪承载力VSh三项组成，即VCS≤VC+VSV+VSh，由此可确定无腹筋深受弯构件斜截面混凝土项抗剪承载力VC=αCftbh0，其中αC=1．4(L0/h≤2时，取L0/h=2)，当L0/h <2时，αC=1．4仍然过分偏于保守，故可考虑将

αC提高至2．0，但仍然满足VC/ftbh0的偏下限值。其次，无腹筋混凝土受弯构件的试验表明，斜截面受剪力随构件高度增加而降低，因此仍可参照式2．1中截面高度修正系数Bhs，那么基础混凝土项

抗剪承载力重新拟合可得：

VC≤0.7(6.62-L0/h0) βhsftbh0/1.62式（2.2）

2.3.2对VN项的分析

嵌岩段的围压作用使基础的抗剪性能得到提高。这一点与偏心受压构件的斜截面抗剪承载力较为相似。但基础与一般偏心受压构件的抗剪性能不同的是：后者处于单向轴压力作用，其轴压力对受剪承载力的有利作用受限于构件轴压比的影响．轴压比过大时将导致受剪承载力降低，并转变为带有斜裂缝的正截面小偏心受压构件。而前者处于基本相互平衡的两向水平围压作用．在满足地基水平承载力的情况下．其水平围压对基础受剪承载力的有利影响可发挥至最大。由于缺乏相关的实验数据，不便做出定量计算．在此将围压对抗剪承载力的提高作为安全储备，取VN=0。因此，在满足跨高比l0／h≤5的要求时，可得出岩石地基上基础的斜截面抗剪公式为式2.1。

3、结论

岩石地基上基础的高度主要取决于抗剪承载力验算公式及验算截面，按现有混凝土规范验算公式及验算截面往往造成岩石地基上钢筋混凝土基础抗剪截面高度过高。通过适当修正抗剪验算公式以及合理选择抗剪验算截面。可有效减小岩石地基上基础的高度。即：岩石地基上的基础，其抗剪承载力应充分考虑跨高比的减小引起的混凝土抗剪作用的提高．以及嵌岩段的侧向围压对混凝土抗剪作用的有利影响．在此基础上结合相关规范提出抗剪承载力：在满足跨高比l0／h≤5的要求下，基础斜截面抗剪公式VC≤0.7(6.62-L0/h0) βhsftbh0/1.62，由于尚缺乏相关资料．公式中未考虑嵌岩段侧向围压的有利作用。

参考文献：

【1】建筑地基基础设计规范GB 50007-2011

【2】混凝土结构设计规范GB 50010-2010