基于广义三维Hoek-Brown准则的软岩地基承载力深度修正理论与工程验证

针对现行规范低估软岩地基承载力导致设计保守的问题，本研究结合Mindlin应力解与广义三维Hoek-Brown准则，建立了考虑深度效应的软岩地基数学模型。通过MATLAB数值分析揭示了承载力与埋深呈线性正相关（k2=5.733），特征值稳定在4-6MPa区间，为桥梁工程优化设计提供了理论依据，成果发表于《Results in Engineering》。

　　

在长江流域大型桥梁工程建设中，软岩地基的承载力评估一直是困扰工程师的难题。传统设计规范往往低估软岩的实际承载能力，导致基础工程过于保守，造成资源浪费。以泸州蓝田长江五桥为例，这座主跨578.4米的世界最大中跨钢箱拱桥，其地基承载层的风化泥质粉砂岩和细砂岩表现出显著的深度效应。然而，现行《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）的深度修正方法存在明显缺陷——未修正的软岩承载力竟低于强风化软岩修正值，这种不合理现象亟需理论突破。

针对这一工程痛点，中国研究人员开展了一项创新性研究。通过将Mindlin应力解与广义三维Hoek-Brown（H-B）强度准则相结合，建立了考虑中间主应力σ₂、完整度系数s和扰动因子D等参数的软岩地基数学模型。研究团队提出用破坏区形状系数η（=HD²）量化地基极限状态，借助MATLAB实现了不同深度下承载力的精确计算。这项发表于《Results in Engineering》的成果，为软岩地基设计提供了全新的理论工具。

关键技术方法包括：1）基于Mindlin理论构建三维应力场模型，考虑埋深D和泊松比v的影响；2）采用广义三维H-B准则判断单元破坏，引入参数m_b、s、a表征岩体特性；3）通过0.1m精度的网格离散，追踪破坏点扩展范围（D、H）；4）以离心试验数据（1.35倍桩径破坏深度）验证模型合理性。

研究结果揭示：

1. 应力分析与深度因子：通过Mindlin解获得σ_x、σ_y、σ_z等9个应力分量，发现自重应力γh与围压vγh共同提升承载力。当h/b>4时，土拱效应使应力增长趋缓。

2. 三维H-B数学模型：建立x-y-z坐标系（-15≤x,y≤15，0<>

3. 工程参数验证：泸州桥址区泥质粉砂岩（f_a0=750kPa，m_b=0.469）的计算表明，承载力与深度呈线性关系（k=137.1kPa/m），深度修正系数k₂=5.376，与现场试验反演值[2.588,8.055]高度吻合。

4. 多方法对比：数值模拟（k=140.6kPa/m）、理论计算（6105kPa@27.26m）与规范公式（5699kPa）的横向对比证实，软岩实际承载力普遍高于推荐值30%以上，存在显著优化空间。

该研究首次将三维H-B准则系统应用于软岩地基分析，证实深度修正在工程实践中的必要性。提出的数学模型作为承载力上限解，为拱桥阶梯式基础设计提供了理论支撑。值得注意的是，当埋深超过7倍荷载板宽度（5.6m）后，承载力增长趋缓，这对深基础经济性评估具有指导价值。未来研究需结合变形控制理论，进一步探索复杂地质条件下承载力与位移的耦合关系。