地基承載力修正計算過程中埋置深度取值的探討

宋戰(zhàn)旺 劉獻科

(河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊，河南鄭州 450009)

0 引言

地基承載力是地基承受基底以上荷載的能力，是建筑地基評價的首要和基本任務(wù)，能否正確評價地基承載力關(guān)乎建筑工程的使用安全與投資效益。目前綜合體建筑項目越來越多，綜合體內(nèi)不同分部的荷載差異懸殊，相互影響密切，使不同分部的基礎(chǔ)地基承載力的深度修正過程變得較為復雜，需要綜合考慮的因素越來越多。為了解決這方面的困擾，作者從天然地基承載力的原理出發(fā)，緊密結(jié)合規(guī)范，逐條分析，總結(jié)出了不同情況下的基礎(chǔ)埋置深度的取值方法，方便地勘設(shè)計人員參考。

1 天然地基承載力深度修正機理

在土力學專業(yè)教程中，針對地基的極限承載力的研究過程中，往往把地基土當成一理想彈塑性體。地基在豎直荷載下表現(xiàn)為三種剪切破壞模式，第一種是密實砂土、堅硬粘土的整體剪切破壞，第二種是壓縮性大的松砂和軟粘土的局部剪切破壞，第三種是壓縮性大的松砂和軟粘土沖切破壞模式。在大多數(shù)加荷過程中，土體的最終失穩(wěn)往往只在基礎(chǔ)的一側(cè)發(fā)生。

地基極限承載力理論分析方法較多，本文以普朗德爾地基極限承載力理論為基礎(chǔ)，簡要說明了天然地基承載力深度修正機理。

假定一條形荷載板(不考慮長度)底面光滑，不考慮摩擦力影響，把板放置于土的表面上(不考慮土體質(zhì)量)，當土體在荷載作用下處于塑性極限平衡狀態(tài)時，地基內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)的滑裂面?；淹馏w可以分成五個對稱的區(qū)域，即基底正下方的Ⅰ區(qū)、基礎(chǔ)邊緣兩側(cè)過渡區(qū)的Ⅱ區(qū)和基礎(chǔ)外側(cè)的Ⅲ區(qū)，且Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)分別對稱分布，如圖1所示。其中在I區(qū)的大主應(yīng)力δ1是垂直于地面的。

圖1 普朗德爾極限承載力理論的地基滑裂線網(wǎng)

Ⅰ區(qū)稱為朗肯主動區(qū)，滑裂線與水平面成45°+/2角;Ⅲ區(qū)稱為朗肯被動區(qū)，滑裂線與水平面成45°－/2角，大主應(yīng)力δ1是水平向的;Ⅱ區(qū)為過渡區(qū)，其內(nèi)有兩組滑裂線，一組為連結(jié)Ⅰ，Ⅲ區(qū)的對數(shù)螺線，另一組則是以A和B為起點的射線。

依上所述情況，普朗德爾得出極限承載力的理論解，即:

其中，Nc，Nq為承載力系數(shù)，是與土的內(nèi)摩擦角函數(shù);c為土的粘聚力;q為基底水平面以上的土重用均布超載rd。其中，Nq=e(πtan)tan2(45°+ /2)，Nc=cot(Nq－1)。

綜上所述，可以確定地基極限承載力的大小分別由兩組作用提供，一組是地基土自身剪切力作用提供，另一組是由基底水平面以上超載的反力作用提供。

2 天然地基承載力的深度修正時深度取值探討

依據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(以下簡稱基礎(chǔ)規(guī)范)第5.2.4條及該條文說明對基礎(chǔ)埋置深度的規(guī)定(具體條文參見基礎(chǔ)規(guī)范)，依次對不同情況下基礎(chǔ)埋置深度取值進行探討。

為了方便探討和理解，對文中的符號規(guī)定如下:d1為地下室室內(nèi)地面至基礎(chǔ)底的實際埋深;d2為從室外地面至基礎(chǔ)底的實際埋深;de為基礎(chǔ)兩側(cè)基底水平面以上超載的折算土層厚度;d為實際修正深度。

1)一般情況下，自室外地面標高算起。其中室外地面標高應(yīng)以基礎(chǔ)寬度兩倍范圍內(nèi)最低標高為準，這可與規(guī)范5.2.4條條文規(guī)定相呼應(yīng)。

2)在填方整平地區(qū)，一種情況是填土在主樓結(jié)構(gòu)施工前完成的，修正深度可自填土地面標高算起;另一種情況是填土在主樓上部結(jié)構(gòu)施工后完成的，應(yīng)從天然地面標高算起，這是因為在基礎(chǔ)承受全部荷載時，只要基礎(chǔ)兩側(cè)有土體(填土)作用，無論填土堆載時間長短，均可反作用于地基土向上的滑動力。

3)基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定，對于地下室，當采用箱形基礎(chǔ)或筏基時，基礎(chǔ)埋置深度自室外地面標高算起。這與基礎(chǔ)規(guī)范第5.2.4條條文說明相矛盾，因為在主裙樓一體的結(jié)構(gòu)的情況下(包括主樓基礎(chǔ)外有整體地下車庫的情況)，主樓周邊的多層—低層附屬物或地下車庫的基底平均壓力可能顯著小于基底處的土體自重應(yīng)力，即超載折算土層厚度de有可能小于d2，而地基規(guī)范要求主樓修正的埋置深度取de，此時地下室的修正深度大于主樓修正深度，顯而易見是不合理的，因此建議在純地下室進行深度修正時，其埋置深度d的取值應(yīng)選取d2和de的較小值。

4)基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定，對于地下室，當天然地基采用獨立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)時，修正深度d應(yīng)從室內(nèi)地面標高算起，即取d=d1。這是因為地基承載力深度修正的原理是基底兩側(cè)水平面以上的超載反作用于土體向上的滑動力，使地基土體保持在極限平衡范圍內(nèi)。當兩側(cè)超載不同時，地基土破壞時將在超載較小的一側(cè)發(fā)生。

5)基礎(chǔ)規(guī)范第5.2.4條條文說明規(guī)定:對于主裙樓一體的結(jié)構(gòu)，對于主體結(jié)構(gòu)的地基承載力的深度修正，宜將基礎(chǔ)底面以上范圍內(nèi)的荷載，按基礎(chǔ)兩側(cè)的超載考慮，當超載寬度大于基礎(chǔ)寬度2倍時，可將超載折算成土層厚度作為基礎(chǔ)埋深，基礎(chǔ)兩側(cè)超載不等時，取小值。

根據(jù)本人理解，建議主裙樓一體的結(jié)構(gòu)，裙房進行修正的埋置深度d的取值可按3)，4)進行。

主樓進行深度修正的埋置深度d可分別按照以下幾種情況取值:

第一種情況，主裙樓均為筏基或箱基時:

a.當主樓周邊超載寬度均大于主樓寬度2倍時，d值取周邊裙房的de值的最小值。

b.當主樓周邊至少有一側(cè)超載寬度不大于主樓基礎(chǔ)寬度的2倍時，主樓d值宜取該側(cè)自室外地面標高算至基礎(chǔ)底的實際埋深d2與其余方向裙房折算土層厚度de相比較的小值。

第二種情況，主樓為筏基或箱基，周邊裙房為獨基或條基時:

a.當裙房無地下室時，修正的埋置深度d取值按本文中1)進行。

b.當裙房有地下室時，可以結(jié)合本文4)，主樓深度修正的埋置深度d宜從地下室室內(nèi)地面標高算至主樓基礎(chǔ)底，即取d=d1。

6)基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定，巖石在強風化和全風化狀態(tài)時，其承載力的確定及修正可比照其風化后形成的對應(yīng)土的類別、名稱和性狀取值，中等風化～未風化狀態(tài)下的巖石地基承載力不修正。這是因為中等風化～未風化狀態(tài)下的巖石與土的物理特性截然不同，巖石地基的承載能力主要由巖石的抗壓強度和巖體的完整程度兩因素確定，其破壞特征主要為局壓破壞，所以規(guī)范規(guī)定巖石地基的承載載力特征值為巖石的飽和單軸抗壓強度乘以各種不利因素所確定的折減系數(shù)之積。

7)存在的幾個注意事項:

a.在主裙樓一體的建筑中，裙樓基礎(chǔ)與主樓基礎(chǔ)剛性相連，且外跨不大時，此時主樓的荷載可被裙樓基礎(chǔ)分擔一部分，使裙房基底壓力大于自身所提供的壓力，計算裙房地基承載力時必須考慮。

b.有資料建議考慮防水板對地基的約束作用，本人認為這是不安全的，因為部分基底反力轉(zhuǎn)移到由防水板承擔，但相對基礎(chǔ)的作用來說是微不足道的，加上防水板的配筋和厚度遠小于基礎(chǔ)的配筋和厚度，其抗彎抗剪抗切作用不足，往往增大了相鄰柱子承受的水平荷載，降低了整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。建議在地基深度修正時不考慮防水板的作用。

c.主裙樓一體時，由于荷載差異懸殊，沉降差異明顯，為了平衡這種沉降，往往先施工主樓，待主樓結(jié)構(gòu)完工后再施工裙房，采用這種施工順序時不能用裙房荷載的折算土層厚度進行深度修正。有時主樓與周邊地下室同時開挖土方，直到主樓結(jié)構(gòu)完工后再施工地下室部分，此時主樓地基承載力修正深度應(yīng)以基底至周邊地下室基坑內(nèi)地面的厚度為準，但這樣降低了主樓天然地基的承載能力，是不科學的。建議設(shè)計方在設(shè)計時充分考慮各種施工順序?qū)Φ鼗休d力的影響，給施工方提供合理的施工順序建議。

3 結(jié)語

地基深度修正是基礎(chǔ)設(shè)計過程中必不可少的步驟，其深度取值更是關(guān)鍵的一步，但實際過程往往情況比較復雜。建議在經(jīng)驗不足或資料不詳細時，地勘設(shè)計單位宜從安全的角度出發(fā)，采用保守方案，避免沒根據(jù)地冒進，杜絕安全事故的發(fā)生。隨著建筑市場的發(fā)展，也會出現(xiàn)新的地基深度修正問題，希望更多的地勘設(shè)計人員認真分析總結(jié)，得出正確的埋置深度取值，實現(xiàn)安全經(jīng)濟合理的建筑設(shè)計。