抗震設防烈度為6度地區的常規建筑基礎最小埋深討論

周含川，張朝

（重慶市設計院，重慶400015）

抗震設防烈度為6度地區的常規建筑基礎最小埋深討論

周含川，張朝

（重慶市設計院，重慶400015）

通過公式推導和算例對比分析抗震設防烈度為6度地區常規建筑（200m高度內不同高度、各場地類別、各種地基情況、不同平面形狀滿足規范高寬比的鋼筋混凝土房屋、結構形式為框架、框架剪力墻、剪力墻等）在罕遇地震和50年一遇風荷載作用下基礎抗滑穩定性和抗傾覆穩定性，以確定基礎最小埋深。結果表明，基礎無需埋深時，絕大多數建筑抗傾覆穩定性滿足，絕大多數建筑抗滑移穩定性滿足。建筑高度增加一般并不需要增加基礎埋深。提出抗震設防烈度為6度地區常規建筑基礎最小埋深的設計建議。

基礎埋深；6度設防；抗滑移；抗傾覆；基礎最小埋深

0　引言

建筑物基礎埋深是重要的設計內容。根據《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011第5章［1］對基礎埋深的規定，要求抗震地區淺基礎埋深不宜小于建筑高度H/15，樁基礎不小于H/18。《全國民用建筑工程設計技術措施2009（地基基礎）》第5章對基礎埋深的要求為高層建筑天然地基或者復合地基可取H/ 18，且不宜小于3m，樁基礎可取1/20［2］。根據《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011條文說明，基礎埋深規定的主要依據為8度設防地區對地基滑動破壞驗算得到的結論［3］。低烈度地區并未給出說明。設計實踐中，有的地方低烈度地區也強制執行埋深H/15的要求，例如一個100m高層基礎埋深按H/15需要約7m埋深，可能造成不必要的浪費［4］。

1　研究范圍和假定

建筑物基礎的埋深主要考慮以下幾個主要因素：建筑的用途，有無地下室、設備基礎和地下設施，基礎的形式和構造；作用在地基上的荷載大小和性質；工程地質和水文地質條件；相鄰建筑物的基礎埋深；地基土凍脹和融陷。很多時候，特別是高層建筑荷載因素對基礎埋深起控制作用。為確保建筑物在水平荷載下抗傾覆穩定性和抗滑移穩定性，建筑物的水平荷載主要為地震作用、風荷載作用和側向土壓力作用。

水平荷載及作用考慮以下范圍：地震作用主要討論6度設防地區，采用罕遇地震進行驗算。風荷載取值為具代表性，基本風壓取50年一遇全國覆蓋率達97.3%的較大值0.9kN/m2，風壓高度系數根據A類、B類、C類、D類場地取不利值。側向土壓力的影響主要體現為非對稱土壓力的影響，不屬于普遍情況，暫不考慮。

分別考慮I0～IV類場地。

地基巖土類別參考地基基礎手冊中常見類別，主要為砂土、粘性土、碎石土、巖石等。不考慮淤泥土等特殊土體。

建筑結構類型為常用的結構類型：框架、框架剪力墻、剪力墻結構。為盡量接近實際情況，60m以下采用框架結構，60m以上采用框架-剪力墻結構。剪力墻結構剛度大，穩定性好于同等情況下框架-剪力墻結構。

建筑平面形狀的影響，通過算例對比了10層框架結構幾種典型幾何形狀。

為體現高度、層數的影響，建筑層高考慮為4m，樓層數從1層到50層（超過50層或200m的建筑一般須進行抗震專項審查，埋深問題都會專門分析）。

根據相關規范抗滑移安全系數為1.3，抗傾覆安全系數為1.6。

主要討論在常規情況下的基礎最小埋深問題。建筑基礎埋深問題還涉及到如地下水、相鄰建筑埋深關系、地基凍脹、砂土液化等問題，不屬于討論內容。

2　抗滑移分析

建筑基礎的抗滑力由基礎與地基摩擦力、基礎側壁土壓力及基礎與地基的粘聚力等構成。為簡化分析，基礎無埋深時只考慮基礎與地基的摩擦力。摩擦力按庫倫定律由地基抗剪強度確定。

2.1地震作用時

非粘性土滑移破壞時為平面滑動，根據力的平衡方程：

其中R為抗滑力，A為基礎底面面積，Gk為建筑豎向荷載標準值，φ為土的內摩擦角

Geq（重力荷載代表值）取值略小于Gk，偏安全取Geq=Gk，則有Gktanφ≥1.3α1Gk，消去Gk簡化為：tanφ≥1.3α1

可以看出，罕遇地震作用下建筑抗滑移穩定與地基的抗剪參數和建筑自振周期相關。

作為建筑持力層的土分為粘性土和非粘性土，其力學指標取值范圍見表1。

表1　砂土物理力學指標

砂土忽略其黏聚力，內摩擦角取最小值，因此：tanφ= tan28=0.53>1.3αmax=1.3x0.28=0.364≥1.3α1。都能滿足抗滑移要求。

對于粘性土滑動破壞面一般為曲面，工程計算中假定滑動面為圓弧面采用瑞典條分法或畢肖普法進行計算，按平面問題進行考慮。取上部結構產生的基礎壓力等于地基承載力fa大震作用下的水平力為faxαmax，其中αmax取0.28［5］，計算簡圖見圖1。

圖1　均布豎向抗滑移計算簡圖

圖2　梯形豎向抗滑移計算簡圖

圖形三角形豎向抗滑移計算簡圖

粘性土力學參數取值見表2［6］。

表2　粉土、粘性土物理力學指標

根據公式fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck地基承載力主要與粘土的容重、基礎寬度、基礎埋深、粘聚力和內摩擦角相關。由于不考慮埋深，去除一個變量，基礎寬度和土容重對基礎強度的影響較小，相對于粘聚力和內摩擦角不是一個數量級的影響。取b為6m，γ為20，主要考慮粘聚力和內摩擦角，根據工程經驗，地基承載力取值范圍為100～500kPa的不同粘聚力和內摩擦角組合，進行抗滑移計算，穩定系數均大于1.3（見表3）。

表3　不同粘聚力和內摩擦角下的抗滑移穩定

考慮豎向荷載非均勻布置對抗滑移的影響。根據設計規范，非均布荷載時最大地基壓力不大于1.2fa，分別考慮取一端為1.2fa，另一端0.8fa的梯形荷載（見圖2）以及一端1.2fa，另一端0的三角形荷載（見圖3）。結果表明，偏心荷載對地基穩定有一定影響，但影響較小（見表4）。

表4　偏心荷載對地基抗滑移穩定的影響

考慮基礎寬度對抗滑移穩定的影響（見表5）。基礎尺寸對抗滑移穩定的影響較大，相同情況下基礎尺寸越大，抗滑移穩定性越好。

表5　粘性土基礎寬度對罕遇地震地基抗滑移穩定的影響

綜上所述，對于淺基礎，持力層砂土及粘土均確保抗滑移穩定。

對于樁基礎，由于樁周土的約束作用及樁底的摩擦力一般可滿足抗滑移穩定，當承臺下為軟弱土層或液化土層時，需驗算樁身在大震下抗剪承載力。樁身抗剪切承載力截面條件為αG≤0.25fA，A為樁身截面積，為滿足樁身強度要求A=eqc代入上式得αG≤0.25fγ，γ=1.3，α≤α=0.28，故樁身抗剪eqcmax截面條件肯定滿足。當α較大時，需按抗剪要求計算配置箍筋。

前述公式推導可知，6度設防地區抗滑移穩定主要與基礎和地基間摩擦力及水平作用大小相關，與建筑平面形狀、基礎土壓力分布、結構形式、荷載大小有關系，但均滿足抗滑移穩定要求。建筑高度影響了地震力的相對大小，從而間接影響抗滑移穩定，隨著建筑增高，自振周期變長，地震力與重力的比值下降，抗滑移穩定性有所提高。

2.2風荷載作用時

風荷載簡化為倒三角荷載，基底摩擦系數取最小值0.25，風壓高度系數根據A類、B類、C類和D類場地取大值，風振系數按規范取值［7］（見表6）。

表6　風荷載下抗滑移穩定分析樓層數

可見在風荷載作用下，各高度建筑抗滑移穩定性足夠。

3　抗傾覆分析

抗傾覆分析地震作用取6度（第一組）大震，場地類別為IV類，風荷載基本風壓取0.9kN/m2，地面粗糙類別為A類。為體現較不利情況，選取高寬比較大的情況，60m以下，取2跨8.1m柱網，60～200m高度建筑平面取3跨8.1m柱網，最大高寬比8.2。通過SATWE軟件建模計算，調整模型確保軸壓比及小震作用下位移角滿足規范要求，風荷載下位移角可以大于規范要求（見表7）。

表7　高度不同建筑的抗傾覆對比

算例中6度設防地區地震作用為抗傾覆的控制工況。很明顯，隨著建筑高度增加抗傾覆力矩與傾覆力矩比并不呈線性趨勢，但均大于1.6，滿足抗傾覆要求。

根據抗震規范要求，高寬比大于4的建筑，基礎底面不出現脫離區，其他建筑脫離區不超過基礎底面面積的15%。從算例結果看，滿足規范該條要求的地震作用下傾覆力矩比均大于1.6。

為了分析建筑平面形狀對抗傾覆的影響，對比分析層高4m的10層框架結構以下幾種典型的平面形狀，其他條件同上例（見圖4）。

圖4　10層框架結構不同平面形狀建筑抗傾覆對比分析

模型A與B形狀差別大，最小高寬比相同，抗傾覆力矩相差不大；模型C、D、E、F形狀區別較大，最小高寬比差不多，傾覆力矩比相差不大，影響抗傾覆穩定的主要因素是高寬比而不是形狀（見表8）。

表8　10層框架結構不同平面形狀建筑抗傾覆對比分析

前述分析說明風荷載作用下抗傾覆安全系數較高，下面僅分析地震作用下高寬比對抗傾覆的影響。進行如下簡化分析：基底角部剛出現零應力，僅考慮豎向構件作用，不考慮框架梁、連梁等水平抗側力構件作用（見圖5）。

高寬比對抗傾覆穩定的影響關系圖形類似反應譜圖形翻轉，自振周期比特征周期長時，地震作用減小，高寬比可以更大。對沒有埋深的建筑，當不滿足上圖要求時應復核大震下的抗傾覆穩定，應調整設計滿足抗傾覆要求。

從圖5可以看到，對于高寬比大于1.8且自振周期小于特征周期的建筑（高寬比大但總高度不高的建筑）1/15H埋深是否能保證抗傾覆安全還有待證明。建議還是通過設計確保抗傾覆安全。

結構類型的影響主要表現為能提供較高抗側力剛度的結構體系抗傾覆穩定性更好。

圖5　高寬比與傾覆力矩比的關系（僅考慮豎向構件作用時）

4　結論

6度設防地區200m高度內的常規建筑（坡地建筑除外），在滿足規范設計要求（除埋深要求外）條件下，埋深大小對建筑物抗滑移穩定性影響不顯著。

建議一般建筑的基礎埋深，在滿足構造和功能要求下，可以不必考慮基礎埋深與建筑高度成正比的關系。

［1］住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50007-2011建筑地基基礎設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［2］住房和城鄉建設部，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施2009結構（地基與基礎）［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［3］張在明，陳雷.高層建筑地基整體穩定性與基礎埋深關系的研究［J］.工程勘察，1994（06）.

［4］韓小雷，季靜，李麗榮.地震作用下高層建筑箱（筏）基礎埋深探討［J］.華南理工大學學報：自然科學版，2000，28（9）：93-98.

［5］住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局. GB50011-2010建筑抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［6］林宗元.簡明巖土工程勘察設計手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2003：90-91.

［7］住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局. GB50009-2012建筑抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

責任編輯：孫蘇，李紅

Study on Minimum Embedded Foundation Depth of Conventional Buildings in Regionswith Seismic Fortification Intensity of Six Degree

Through formula derivation and sample studies，the foundation anti-sliding stability and anti-overturning stability of the conventionalbuildings in regionsw ith seism ic fortification intensity of six degree are studied under conditions of rare earthquake and w ind load occurring in 1/50 years. The study show s that the anti-sliding stability ofmostbuildings are qualified when the foundation needs no embedded depth，and no further foundation embedded depth isnecessaryw ith the increaseofbuilding height.Somedesign advicesarealso presented for similar projects.

embedded foundation depth；seism ic fortification intensity of six degrees；anti-sliding；anti-overturning；m inimum embedded foundation

TU 3

A

1671-9107（2015）03-0023-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2015.03.023

2014-10-28

周含川（1977-），男，云南昭通人，研究生，高級工程師，主要從事高層建筑結構設計。