基底附加應力計算中相關參數的取值問題探討

曹建勇

(四川省地礦局404地質隊, 四川西昌 615000)

基底附加應力計算中相關參數的取值問題探討

曹建勇

(四川省地礦局404地質隊, 四川西昌 615000)

勘察設計工作中，常需進行附加應力的計算，以便進行地基沉降量估算、軟弱下臥土層承載力驗算等。然而，現有規范、教材、手冊、文獻等，對基底附加應力的概念定義并不很統一，GB 5007-2011《建筑地基基礎設計規范》對基底處附加應力計算中相關參數的取值并無具體條文解釋和說明，給廣大巖土工程技術人員在實際生產工作中造成了困擾。文章根據基底附加應力的術語定義和相關行業規范條文規定，對基底附加應力計算中相關參數的取值問題進行了探討，提出對基底附加應力計算中相關參數的取值，當規范有具體條文規定時，應嚴格按規范條文取值；當規范無條文明確時，則應按相關參數的術語定義和工程設防中的不利原則進行取值。

基底； 自重應力； 附加應力； 術語定義； 規范規定

勘察設計工作中，常需進行附加應力的計算，以便進行地基沉降量估算、軟弱下臥土層承載力驗算等。然而，現有規范、教材、手冊、文獻等，對基底附加應力的概念定義并不很統一，GB 5007-2011《建筑地基基礎設計規范》(以下簡稱《地基基礎規范》)對基底處附加應力計算中相關參數的取值并無具體條文解釋和說明，給廣大巖土工程技術人員在實際生產工作中造成了困擾。本文根據基底附加應力的術語定義和相關行業規范條文規定，對基底附加應力計算中相關參數的取值問題進行了探討，以此與廣大巖土工程技術人員共勉。

1 沉降量計算時相關參數取值探討

《地基基礎規范》5.3.5條：計算地基變形時，地基內應力分布，可采用各向同性均質線性變形體理論。其最終變形量可按下式進行計算：

式中：P0為相應于作用的準永久組合時基礎底面處的附加應力。

對上述公式，《地基基礎規范》并未就附加應力P0進行概念定義，也未對具體計算方法進行條文說明。這種情況，工作中應嚴格按照相關參數的術語定義進行附加應力P0的準確計算。在基礎頂面準永久組合荷載F已確定，則P0應按下述方法進行計算：

P0=P-γh

式中：

式中：G按文獻[1]為基礎及其上土的總重力，kN，G=γGAd,基礎埋深d必須從設計地面或室內外平均設計地面算起。

但在計算P0=P-γh中γh時，《地基基礎規范》并未交代清楚，當設計地面與原天然地面標高不一致、涉及挖填方等時常給廣大工程技術人員帶來困擾，此時就應根據術語定義進行計算。

對γh的定義，文獻[1]定義為“基底處建造前土中自重應力”，并明確γh從天然地面算起；文獻[2]定義為“基礎底面處土的自重應力”。

對基底附加應力P0的定義，文獻[1]定義為“基底壓力與基礎底面處土的自重應力之差”；文獻[2]定義為“基底壓力減去底面處的自重應力”；文獻[3]定義為“地基中應力發生改變的部份稱為附加應力”；文獻[4]定義為“在土中產生的應力增量稱為附加應力”。

雖然各文獻對γh和附加應力的定義用詞用語不相同，但總體概念為附加應力為增加的部份才是附加應力。此時針對如下四種情況根據術語進行基底附加應力計算。

1.1 第一種情況

如圖1所示，設計室外地面與原天然地面標高相同。

圖1 設計地面與天然地面標高相同

第一種情況計算無爭議。基礎及其上土重力計算G=γGAd中d按圖1中d計取?；赘郊討τ嬎愎絇0=P-γh中h取圖中d值，相應γ取d內各層土的厚度加權平均重度值。

1.2 第二種情況

如圖2所示，設計室外地面高于原天然地面標高。

圖2 設計地面高于天然地面標高

第二種情況，《地基基礎規范》中未具體規定和說明，則應根據術語的定義計算?；A及其上土重力計算G=γGAd中d按圖2中d1計取?；赘郊討τ嬎愎絇0=P-γh中h應取圖2中d2值，相應γ取d2內土的厚度加權平均重度值。

1.3 第三種情況

如圖3所示，室內、外地面標高不相同。

圖3 室內外地面標高不相同

第三種情況，《地基基礎規范》中也無具體取值說明，也應根據術語的定義計算。在基礎及其上土重力計算G=γGAd中，文獻[1]指出d按圖3中1/2(d1+d2)計取，筆者認為教材不是規范，從安全設防角度d應按圖3中d1取值，因為規范并沒有說必須要按1/2(d1+d2)。基底附加應力計算公式P0=P-γh中h應取至原天然地面。

1.4 第四種情況

如圖4所示，大面積挖方整平場地，設計地面高于挖方整平地面。

圖4 大面積挖方整平場地

第四種情況，應根據術語的定義取值，并應充分考慮大面積挖方整平后地基土發生回彈卸荷的因素，基礎及其上土重力計算G=γGAd中d按圖4中d1計取。基底附加應力計算公式P0=P-γh中h應取圖4中d2值，即計取至挖方整平后地面標高，以有利于安全設防又不違反規范規定。

2 軟臥層驗算時相關參數取值探討

《地基基礎規范》5.2.7條：當地基受力層范圍內存在軟弱下臥層時，應按下式驗算軟弱下臥層的地基承載力：

PZ+PCZ≤faz

式中：PZ為相應于作用的標準組合時，軟弱下臥層頂面處的附加應力；PCZ為軟弱下臥層頂面處土的自重應力。

對條形基礎和矩形基礎，上式中PZ可按下列公式簡化計算：

條形基礎：

矩形基礎：

應注意的是，此兩式中pc為基礎底面處土的自重應力，地基基礎規范中也未給予條文解釋說明。作者認為，此處兩式中Pc=γh，相應γ和h也應按前述1款的四種情況分別取值。

3 行業規范相關參數取值問題探討

JTGD 63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》4.3.4條：墩臺基礎的最終沉降量，可按下式計算：

P0=P-γh

J 464-2005《鐵路橋涵地基與基礎設計規范》: 基礎由于其底面以下受壓土層Zn壓縮產生的總沉降量S可按下式計算：

σz(0)=σh-γh

JTGD 63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》和J 464-2005《鐵路橋涵地基與基礎設計規范》兩個規范對墩臺基底面以上土的自重應力γh計算時，對基礎底面埋深h取值有明確規定：當基礎受水流沖刷時，從一般沖刷線算起；當不受水流沖刷時，從天然地面算起；如位于挖方內，則由開挖后地面算起。另外這兩個規范對基底壓力的取值也有專門規定。

DL/T 5395-2007《碾壓式土石壩設計規范》附錄G.2.2也對壩基土體自重應力和壩體荷載引起的附加應力計算有詳細規定。

像這類行業規范有明確規定的，則應按行業規范的具體條文規定進行相關參數的取值。

4 結論

基底附加應力計算中相關參數的取值問題，不僅僅是個當前學術界認識不很統一的學術問題，它還涉及到建筑工程地基與基礎的選擇，不僅與安全設計有關，并直接影響到工程造價，出了工程事故它還是個法律問題。綜上所述，筆者對基底附加應力計算中相關參數的取值，認為當規范有具體條文規定時，應嚴格按規范條文取值；當規范無條文明確時，則應按相關參數的術語定義和工程設防中的不利原則進行取值。

[1] 東南大學， 浙江大學， 湖南大學， 等. 土力學[M]. 2版.北京：中國建筑工業出版社，2005.

[2] 周景星，李廣信，虞石民.基礎工程[M]. 2版..北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3] 龔曉南， 劉松玉， 李廣信, 等. 土力學[M]. 北京：清華大學出版社，2007.

[4] 工程地質手冊[M]. 4版. 北京：中國建筑工業出版社，2007.

[定稿日期]2017-07-24

曹建勇(1972～),男，大學本科,工程師，主要從事巖土工程勘察設計工作。

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