在地基“排水”和“不排水”条件下计算地基承载力

技术文章

使用 RF-/FOUNDATION Pro 能够计算设计一个 RFEM /RSTAB 模型独立基础(基础板、杯形基础和无阶杯口基础)的所有支座反力。

岩土验算在这里按照规范 EN 1997-1 进行。

在本文中根据[1] 中附录 D 以及在“排水”和“不排水”条件下地基的区别主要计算地基承载力。

示例: 基础板上的铰接柱

为了解释其中的区别,这里计算设计一个在基础板上的铰接柱作为示例。

图片 01 - 铰结柱

柱子分别被自重、活荷载、雪荷载和风荷载四种荷载作用加载。 荷载值可以在下面的图表中找到。

图片 02 - 荷载

承载力极限状态下(STR/GEO) 的荷载组合在软件 RFEM 中按照规范 EN 1990 自动生成,并用于模块 RF-/FOUNDATION Pro 中的计算设计。

在 RF-/FOUNDATION Pro 中的输入

因为对于地基板的地基承载力应该按照 [1] 中附录 D 计算的,在对话框 "1.1 基本输入" 中可以选择该选项。

基础板的尺寸预设为长和宽都是 1.25 米以及厚 d 为 25cm。

其它设置,如混凝土等级、柱子尺寸,可能使用的钢筋直径、钢筋种类等等,在这里不是很重要,因此在详细设置中仅选择了激活地基承载力验算以及滑移。 上述参数不在计算中给出,可以在默认设置中保留。

预设土壤参数对于确定地基承载力至关重要。 这有可能要使用“土层剖面”。 在早期的一篇技术文章中,详细解释了土层剖面的输入,以及确定在各土层的排水情况下的地基承载力。

在这种情况下要计算基础底部土层的土壤参数。 应用到的土壤参数如下:

砂砾、沙质的、黏质的混合 (GC)
γ = 21 kN/³
φk = 35°
c'k = 0.007 MN/m²
cuk = 0.040 MN/m²

这里要注意的是,RF/FOUNDATION Pro 中仅默认显示使用的参数。 这取决于在 "1.1 基本输入" 对话框中是否选择了"排水"或者"不排水" 的地基条件。 如果没有选择“仅显示使用的参数”,那么就会显示全部的土层参数。

图片 05 - 土层参数

决定性的支座反力和支座弯矩

对于地基承载力的计算在这种情况下生成的荷载组合 4 的支座反力是起决定性的。 该荷载组合如下定义:

$\frac12\;\cdot\;\mathrm{CO}4\;=\;1.35\;\cdot\;\mathrm G\;+\;1.50\;\cdot\;\mathrm Q\;+\;0.75\;\cdot\;\mathrm S\;+\;0.90\;\cdot\;\mathrm W$

由此得出的支座反力见下图。

图片 06 - CO4 的决定性支座反力

“排水”和“不排水”的区别

在 RF-/FOUNDATION Pro 中也说明了“排水”和“不排水”的概念。 在开始计算之前,用户必须选择并控制是否按照公式(D.1)和(D.2)计算地基承载力。

图片 07 - 选择“排水”和“不排水”

通常,假设在排水条件下土层结构吸收或者除去应力的增加(排水状态)。 在不排水条件下,土层中应力的增量是不会通过土层结构吸收,而是由受到超压下的孔隙水除去(不排水状态)。

不排水情况下的地基承载力

不排水情况下地基承载力根据 [1] 附录 D, 公式 (D.1) 得出:

$\frac{\mathrm R}{\mathrm A'}\;=\;\left(\mathrm\pi\;+\;2\right)\;\cdot\;{\mathrm c}_\mathrm{uk}\;\cdot\;{\mathrm b}_\mathrm c\;\cdot\;{\mathrm s}_\mathrm c\;\cdot\;{\mathrm i}_\mathrm c\;+\;\mathrm q$
这里
A' = 基础底面积计算值 B' ⋅ L'
cuk = 不排水地基的总粘结力
bc = 基础板倾角的系数
sc = 基础底面的形状系数
ic = 荷载倾斜系数
q = 在基础底部的高度处的荷载

通过上面的在设计时的设置,可以得出下面中间结果:

A' = 1.5404 m²
bc = 1.00,因为在 RF-FOUNDATION Pro 中一直假设基础缝是水平位置
sc = 1.197
ic = 0.963
q = 0.005 kN/m²

带入 (D.1) 中得出地基承载力标准值 Rk/A' :

$\frac{\mathrm R}{\mathrm A'}\;=\;\left(\mathrm\pi\;+\;2\right)\;\cdot\;0.040\;\mathrm{MN}/\mathrm m²\;\cdot\;1.197\;\cdot\;0.963\;+\;0.005\;\mathrm{MN}/\mathrm m²$

由此得出地基承载力设计值:

$\frac{{\mathrm R}_\mathrm k}{\displaystyle\frac{\mathrm A'}{{\mathrm\gamma}_{\mathrm R,\mathrm v}}}\;=\;\frac{0.242\;\mathrm{MN}/\mathrm m²}{1.40}\;=\;0.173\;\mathrm{MN}/\mathrm m²$

图片 08 - 地基承载力计算的详细结果

排水情况下的地基承载力

早期的一篇文章中介绍了排水情况下地基承载力的确定,在这里不再介绍公式 (D.2)。

排水情况下的地基承载力得出为:

$\frac{{\mathrm R}_\mathrm k}{\displaystyle\frac{\mathrm A'}{{\mathrm\gamma}_{\mathrm R,\mathrm v}}}\;=\;\frac{1.124\;\mathrm{MN}/\mathrm m²}{1.40}\;=\;0.803\;\mathrm{MN}/\mathrm m²$

小结

本文介绍了在对话框 1.1 中根据规范 EN 1997-1 附录 D 选择“排水”或者“不排水”土层条件对确定地基承载力的影响。 实际上大多数情况下都属于土层排水条件。

此外 RF- / FOUNDATION Pro 还提供了两种方法之间的选择,在土层条件不清楚的情况下,在排水和不排水条件下进行案例分析研究的选项。

除了对确定地基承载力外,“排水”或者“不排水”的设置还影响验算滑移安全性和确定抗滑移的计算。 其它信息可以查看 RF-FOUNDATION Pro Manual 中的第三章“Sliding(滑移)”。

关键词

基础 排水 不排水

参考

[1]   Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik - Teil 1: Allgemeine Regeln; DIN EN 1997-1:2014-03

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