挖底層地坪改建房屋風險的評估與處置

【摘要】基礎底面以上的覆土層能顯著提高地基的承載力，挖去覆土層、地基承載力降低，塑性變形區增加，沉降增加。在房屋部分區域下挖進行改建，將產生局部區域沉降增加，造成基礎間的沉降差，沉降差產生的結構應力，超過結構可調整的范圍，將引發建筑結構的損壞，影響建筑物的安全和使用。故需對下挖改建進行安全性評、處置，保證建筑物安全。

【關鍵詞】下挖地坪；臨塑荷載；塑性變形區；地基承載力；沉降差；應力

【Abstract】Above the base underside of the casing layer can significantly improve the bearing capacity of foundation， the digging of overburden， foundation bearing capacity decreased plastic deformation zone increase， the settlement increased. Dug to carry out alterations in the housing part of the region， will result in the local area deposition， resulting in differential settlement between the basis， the settlement difference between the structure of stress， more than the structure of adjustable range will cause damage to the building structure， affect the safety of buildings and to use. Therefore， the need for the next dig converted safety assessments， disposal， and to ensure building safety.

【Key words】The next dig Ping；Critical edge load；Plastic deformation zone；Bearing capacity of foundation；Differential settlement；Stress

當多層房屋是埋深小于5米的淺基礎時，下挖底層地坪（以下簡稱下挖）進行房屋改建，增加底層凈高，以滿足不同營業的需要；或做成夾層、地下室，增加室內使用面積。這樣的改建，有時施工尚未結束，上部建筑結構就出現損壞，引發上、下層業主間的糾紛，因此有必要認識下挖改建的危害性，慎重決策是否改建、科學制定改建方案，以保證地基基礎、房屋結構的安全。

1. 覆土層的作用

基礎埋深D范圍內的土稱為覆土層，明確它在地基基礎中的作用，理解地基破壞機理，才能認清下挖改建的危害。

1.1地基受力破壞過程。

土力學試驗表明，隨著外荷載的增加（圖1：曲線1），一般的地基變形分為三個階段。第一階段：線性變形階段，壓力與沉降基本成直線關系，引起地基中出現、但尚未出現塑性變形區的荷載稱為臨塑荷載（pcr）；第二階段：塑性變形階段，基礎邊緣局部范圍內發生剪切破壞，出現塑性變形區（圖2）；第三階段：整體剪切破壞階段，塑性變形區發展、地基沉降增加、形成連續滑動面，基礎周邊隆起，地基破壞（圖3），此時的荷載稱極限荷載（Pu ）。這個過程中，地基應力變化與地基變形、破壞間的關系，是理解覆土層的作用，控制、處置下挖改建的理論基礎。

1.2覆土層能提高地基承載力。

覆土層對提高地基承載力有顯著的作用，其大小，受埋深、土質等因素的影響。

滑動面應力分析。與中學物理中敘述的物體間摩擦力概念相似，滑動面（圖3）上存在一對方向相反的摩擦力，其大小與滑動面間的摩擦系數、以及其上受到的壓力有關，摩擦系數與土的抗剪強度指標粘聚力c、內摩擦角φ有關；壓力與覆土層厚度D有關。將覆土層向下的力用均布荷載q=γD來表示，D越大q越大，滑動面上受到的正壓力越大、摩擦力也就越大。基于此，普朗德爾（Prandtl）、賴斯特（Reissnre）指出，破壞圖式中，區域Ⅰ是主動朗肯（Rankine）區，它推擠放射形的普朗特爾（Prandtl）Ⅱ區，并向上推擠被動朗肯區Ⅲ區，可明顯看出q有抵抗Ⅲ區向上滑動的作用。

鑒于此，眾多土力學研究成果均考慮覆土層在提高地基抗剪強度中的作用，提出用大于1的深度系數對地基承載力進行修正。

我國《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）（以下簡稱《規范》），考慮到覆土層厚度的影響規定：當基礎的寬度大于3m，埋深大于最小埋深0.5m時，對按載荷實驗、公式計算并結合工程經驗確定的地基承載力特征值fak 進行修正：

fa=fak+ηb γ（b-3） + ηd γm（D-0.5） （1）

修正后的 fa 是確定地基承載力f 的基礎數據。式中ηd為大于等于1的地基承載力埋深修正系數。當D>0.5 m時，fak 提高至 fa 。

由公式可見覆土層的厚度越大、地基承載力越高。

本文只討論覆土層厚度對抗剪強度的影響，為簡潔明了，對基底寬度、加荷速率、滑動線上覆土層厚度范圍內的抗剪強度、覆土層與基礎及持力層間的摩擦力等因素不予討論。

1.3覆土層減小的危害。

覆土層減小地基承載力降低。按1.2節的討論，宏觀上看，隨著下挖深度增加D的減小，q減小、滑動面間的摩擦力減小，抗剪強度減??；從內因上分析，滑動面上土單元體受到q形成的側限應力，隨著D的減小而減小，由土的實驗學知識可知，隨著側限應力減小，土單元體的抗剪強度減小，地基承載力相應減小，原設計值 f減小為f/。當D=0時，覆土層的作用完全喪失。

覆土層減小沉降量增加。在地基設計過程中，根據基底所受的應力（p）小于或等于地基承載力設計值（ f）的條件：

p= F+ADA f（2） 得基底寬度： A F f- D（3）

式中：F為上部結構的荷載設計值，AD 為基底范圍內，基礎及回填土的平均重度，改建時，基礎臺階上的土同時會被挖去，會部分減小對地基的壓力，但相對于被挖去的、整個室內面積上的土對地基的壓力，其數值較小，分析中忽略這部分影響。從公式（2）、（3）可以看出，下挖后承載力降低， f減小為f/ ，基底面積A不變，公式失去平衡 P>f/，基底下土單元體所受應力增加，壓縮量增加。相當于在地基荷載實驗中，土體所受的應力由pcr向pu發展，隨之塑性變形區深度增加，沉降量也隨之增加（圖2：曲線2）。

綜上所述，覆土層對提高地基承載力有較大作用，減小了覆土層、地基承載力降低，塑性變形區增加，沉降量增加。

2.下挖改建對建筑物的影響

下挖深度增加，危害性也隨之增加，嚴重時基礎及上部結構將會發生破壞。

2.1不同下挖深度的后果。

2.1.1下挖深度小于等于室內外高差。通常室內地坪高于室外地坪，地基承載力沒有考慮室內高于室外部分的土對承載力的影響，下挖深度不超過室內外高差，對地基承載力、上部結構沒有影響，很少出現糾紛。

2.1.2下挖深度小于等于基礎埋深D的情況：

（1）下挖深度≤0.5時m，由公式（1）可知，地基承載力不需修正，挖去后不會影響建筑物安全。只是地基的安全儲備能力有所降低。

（2）0.5 m <下挖深度

2.1.3下挖深度大于基礎埋深D的情況。以條形荷載為例，圖4、圖5分別系條基基底下，x方向應力σx及剪應力τxz 的等值線圖，σx、τxz 的最大值均出現于基底邊緣下，當下挖深度超出覆土層厚度D，進入σx、 τxz值均較大的區域，基底邊緣部分失去抵抗剪應力τxz 的能力，首先發生滑動、崩塌（圖6），地基承載力急劇降低，基底面積進一步縮小，惡性循環造成地基失效。這類改建是極其危險的狀態，必須十分警惕。

可見，不同程度地減小覆土層厚度或超出埋深下挖，地基承載力會不同程度地下降，將產生不同的后果。

2.2基礎及上部結構應力調整能力的討論。

有觀點認為：地基與基礎是一個整體，下挖發生在建筑物的局部區域，這個局部位置承載力發生變化，可以通過基礎整體的應力調整來加以平衡?，F就這一觀點，作一點分析。

2.2.1條形基礎應力調整。

墻下條形基礎的縱、橫墻含基礎下的梁，是按受壓進行設計的，局部區域下挖后，地基承載力下降，導致局部地基塑性變形區增加，局部沉降量S增加，基礎間沉降差增加。沉降差引起基礎、上部結構產生的附加應力，需要承重橫墻下的基礎及以上的結構逐層調整，基礎（圈）梁、上部結構雖有一定的調整能力，但這種調整能力有一定的限度；從結構力學觀點可知，當沉降差產生的附加應力，超出基礎、結構的允許應力，裂縫就不可避免地出現、直至失效。

這類基礎是民用建筑基礎的主體，下挖造成結構破壞的建筑也以此為主，應成為關注的重點。

2.2.2獨立基礎的應力調整。

獨立基礎局部區域的下挖，相鄰基礎間也會產生沉降差、產生附加應力，用結構力學的觀點分析，此類基礎無基礎梁連系、完全依賴上部結構進行應力調整，而上部結構的調整能力更弱，對沉降更敏感，更易產生裂縫，引起結構破壞。

這類基礎以底層為營業房的商住樓較多，且基底向二個方向擴散應力，淺層土體整體所受應力較大、下挖后承載力下降較多且快，加上使用環境具有不確定性（如：可能滲水的營業項目，滲水后軟化地基。），更要予以重視。

2.2.3井格基礎的應力調整。

設計柱下條形與十字形鋼筋砼基礎，通常采用反梁法和彈性地基梁法。

反梁法按基礎梁和地基土之間的反力呈直線分布進行計算。局部下挖地基承載力下降后，假設的前題不存在，內力重分布、基礎彎矩圖發生變化，當受力筋所受拉應力超出原設計值、或受拉區超出原設計范圍后，基礎梁調整能力減弱直至破壞，基礎失效。

彈性地基梁法適用于壓縮性較高的軟土地基。按文克勒地基模型，以地基單位面積上所受的壓力p與該點的沉降量y成正比：p（x）=ky，為邊界條件，求出基礎梁上不同截面的彎矩和剪力值，作出彎矩圖和剪力圖，進行結構計算。同樣局部下挖、承載力變化，基床系數K變化，地基梁的內力重分布、且因下挖地點的的不確定而無法預知、預防，地基梁也同樣具有失效的風險。

整體筏式基礎埋深較淺，有底板的限制，下挖地坪深度受限，一般不會出現問題。故不予討論。

總之，無論何種類型的基礎，其應力調整能力是有限度的。

2.3地基土固結問題。

使用時間較長的建筑物地基土固結，提高了地基的整體承載力，但局部下挖、地基整體和局部區域間同樣會出現承載力的差異，同樣會產生沉降差，超出一定限度，同樣會引起結構破壞，只不過固結時間的長短，確定其應力調整能力的強弱。

綜上所述，局部下挖后基礎間沉降差增加，需要基礎及上部結構調整。而它們的調整能力受材料、結構、強度富余系數等限制，一旦超過一定限度，則裂縫不可避免直至破壞。

3. 評估與控制

為保證建筑物的安全，需對確需進行下挖改建的建筑物進行安全評估與控制，選擇合理的改建方案。

3.1下挖后重新確定地基承載力。

本文所提出的方案，因限于篇幅，僅提出保證改建安全性的思路，具體的技術方案，可根據未挖與下挖區域間承載力差異大小，在規范、相關手冊、書籍中找到處理的辦法。

4. 結束語

下挖進行房屋改建，會對建筑物造成不同程度的損害。當確需改建時，根據下挖的深度、地基的土質等情況，進行地基基礎的重新驗算，制定出保證建筑物安全的改造方案，同時職能部門要加強對建筑市場的稽查、監管，加強對改建方案、改建圖紙的審核，保證結構安全，杜絕后患。

參考文獻

[1]《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）中華人民共和國國家標準 中國建筑工業出版社 2002.2.

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[5]《地基及基礎》華南工學院 南京工學院 浙江大學 湖南大學編 中國建筑工業出版社1981.6.

[6]《土力學及基礎工程》 陳希哲主編 中央廣播電視大學出版社 1995.10.

[文章編號]1619-2737（2015）01-01-521

[作者簡介] 歐小平（1954.10-），男，職稱： 高級工程師，工作單位：江寧廣播電視大學。