基礎剛度變化與軟弱下臥層對基礎設計的研究

薛萬凱

0 引言

隨著建筑行業的不斷發展，基礎工程的重要性不言而喻。基礎工程已成為影響建筑施工總工期和總造價的重要因素。在軟土地基地區高層建筑工程造價要占總造價的25%～40%，工期占1/3左右，因此對于基礎的設計要盡量把各種因素考慮進去，一定要在保證強度的前提條件下，盡量降低造價。

1 基礎剛度變化對地基的影響

在這里按基礎的剛度不同，先討論柔性和剛性兩種極端的基礎。

1)柔性基礎。

所謂柔性基礎就是抗彎剛度很小，受荷載后基礎發生變形。它好比放在地上的柔軟薄膜，可以隨著地基的變形而任意彎曲。基礎上任意點的荷載傳遞到基底時不可能向旁邊擴散分布，就像直接作用在基礎上一樣。因此，柔性基礎的基底反力分布與作用于基礎的荷載分布一致，如圖1所示。

圖1 柔性基礎的基底反力和沉降

如果假設地基是均質的彈性半空間，利用腳點法求得柔性基礎底面任意點的沉降。所得的計算結果以及工程實踐經驗表明，均布荷載下柔性基礎的基底沉降是中部大邊緣小，見圖1a)。由此可見，缺乏剛度的基礎，由于無力調整基底的不均勻沉降，就不可能使傳至基底的荷載改變其原來的分布情況。如果要使柔性基礎底面沉降一致的話就必須增加基礎邊緣處的荷載，減小基礎中部的荷載，見圖1b)。

2)剛性基礎。

所謂剛性基礎就是抗彎強度很大，受外力荷載后不變形，因此基礎底面沉降后能保持平面。如基礎的荷載合力通過基底形心，剛性基礎將迫使基底各點同步、均勻下沉。這樣根據以上柔性基礎沉降均勻時基底反力分布不均的論述，可以推斷中心荷載在剛性基礎基底反力的分布也應該是邊緣大中間小，見圖2a)，而當荷載為偏心荷載，見圖2b)，沉降后基底向一側傾斜。這是因為剛度基礎，剛度很大，受荷載后不會變形，迫使基底沉降趨于均勻的同時，也使基底壓力發生由中部向邊緣轉移(跨越作用)。另外圖中的基底反力是按均質彈性半空間理論求得的反力，在基底邊緣處其值是無限大的(如圖2中的實線所示)，但實際中由于地基局部剪切破壞邊緣處的接觸壓力不可能超過一個數值，因而發生應力重分布，基底的應力為虛線所畫的馬鞍形。

圖2 剛性基礎的基底反力和沉降

基礎在架越作用和土中塑性區的開展而發生應力重分布的兩方面作用影響下，基底反力隨著上部荷載的加大，鄰近基底邊緣的塑性區擴大，所增加的荷載必須靠基底中部反力的增加來平衡，于是反力圖可以由馬鞍形變成拋物線形。但是一般來說，由于設計中基底的截面尺寸足夠大，基底反力應力分布圖基本呈馬鞍形。

3)基礎相對剛度的影響。

以上討論了基礎的兩種極限形式，可以得出地基與基礎的相互作用，即基底反力與基礎的架越作用有關，而架越作用的強弱取決于基礎與地基的相對剛度、土的壓縮性以及基底下塑性區的大小，見圖3。

從圖3a)我們可以看出粘土地基上相對剛度很大的基礎，如土中不存在塑性區或其范圍相對很小，則基礎的架越作用很強。剛性基礎基底反力的分布只與基礎荷載合力的大小和作用位置有關，而與荷載的分布情況無關。當偏心荷載很大的時候就如同圖3b)。如果柔性基礎位于基巖之上或者地基土壓縮性很低時，其跨越作用就很小了，見圖3c)。

圖3 基礎相對剛度對架越作用的影響

2 軟弱下臥層對基礎設計的影響

對任何建筑物的地基基礎設計均需滿足承載力的要求。實際工程中常常碰到地基較為復雜的情況，其中成層地基中的軟弱下臥層就是一種常見的情況。GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范規定，當地基中存在軟弱下臥層時，除了驗算持力層承載力之外，還必須驗算軟弱下臥層承載力，公式如下:

Pz+Pcz＜ fz。

其中，Pz為軟弱下臥層頂面處的附加應力設計值，kPa;Pcz為軟弱下臥層頂面處土的自重應力標準值，kPa;fz為軟弱下臥層頂面經深度修正后地基承載力設計值，kPa。

如果軟弱下臥層強度(承載力)不滿足上式要求，基礎的沉降可能會較大或地基產生剪切破壞。國內外眾多的工程事故已充分說明了這一點。若軟弱下臥層的驗算不滿足要求，就要對軟弱下臥層進行處理，處理方法通常有下列三種方案:

1)加大基礎底面積，減小基底壓力，從而減小地基中的附加應力;2)對軟弱下臥層進行處理，即提高軟弱下臥層承載力;3)加大基礎埋深，即將基底落在滿足承載力要求的那層土上。

3 基礎剛度變化與軟弱下臥層對基礎設計的影響在實際工程的應用

以四平某企業辦公樓基礎設計為例。因為該工程有軟弱下臥層(如圖4所示)，所以在基礎設計中采用了兩種不同的基礎類型:一種是獨立基礎，另一種是條形基礎，獨立基礎作用在第③層土中(作用在②層土中軟弱下臥層的驗算不滿足)，條形基礎作用在②土層中。

1)獨立基礎。把獨立基礎作用在第③層土中，計算結果見圖5，圖6。

圖4 工程地質剖面圖

圖5 基礎平面圖

圖6 基礎剖面圖

2)條形基礎。把條形基礎作用在第②層土上，經計算得圖7，圖8。

圖7 條形基礎平面圖

圖8 條形基礎剖面圖

經過沖切驗算和軟弱下臥層驗算均滿足要求。

經過對比驗算利用條形基礎較合理。因為條形基礎整體剛度加大，抗彎能力加大，因此配筋比獨立基礎小很多，截面也小很多，而且埋深比獨立基礎要潛的多，造價減少了大約30萬元。

[1]吳湘興，楊小平.建筑地基基礎[M].南京:華南理工大學出版社，2002.

[2]袁聚云，李鏡培，樓曉明.基礎工程設計原理[M].上海:同濟大學出版社，2001.

[3]康谷貽.混凝土結構(上冊)[M].北京:中國建筑出版社，2002.

[4]李智毅，楊裕云.工程地質學概論[M].北京:中國地質大學出版社，2004.

[5]GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].