新填土區淺基礎設計

梁 峰，周 屹

(1.桂林市建筑設計研究院，廣西 桂林 541002；2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

0 引言

《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)(簡稱地基規范)中對于基礎埋置深度d指出[1]：在填方整平地區，可自填土地面高程算起，但填土在上部結構施工后完成時，應從天然地面標高算起。實際工程中，回填土在完成基礎施工后，未施工上部結構前這一段時間，規范并未明確規定。如何采用基礎埋深，關系到地基承載力修正值的大小，決定了基礎面積、配筋大小，甚至關系到基礎形式，與工程基礎造價、建筑安全息息相關，合理地運用該規范條文意義重大。本文結合有關文獻和實例對此進行深入探討，并對有新填土場地的基礎設計中容易忽略的變形控制進行了闡述。

1 規范當中經驗計算公式

《地基規范》中指出：當基礎寬度大于3 m或埋置深度大于0.5 m時，從荷載試驗或其他原位測試，經驗值等方法確定的地基承載力特征值，尚應按公式(1)修正：

fa=fak+ηb(b-3)+ηdγm(d-0.5)

(1)

根據太沙基承載力理論[2]，地基破壞時理論上的塑流邊界見圖1。

圖1 基礎埋深形成的超載與地基破壞簡化的滑動面Fig.1 Simplified sliding surface due to foundation failure andoverload due to embedded depth of foundation

基礎周邊土形成的重力即超載(q=γd)，超載能抵抗土體向上滑動，從而提供土體的穩定性，式(1)第3項即表示基礎兩側超載(q=γd)的作用。只有位于圖1中被動朗肯區上的超載才能提高地基承載力。被動區的大小可以參照《地基規范》條文說明中的“目前建筑工程大量存在著主裙樓一體的結構，對于主體結構地基承載力的修正，宜將基礎底面以上范圍內的荷載，按基礎兩側的超載考慮，當超載寬度大于基礎寬度兩倍時，可將超載折算成土體厚度作為基礎埋深，基礎兩側超載不等時，取小值。”據此認為，當超載寬度大于基礎寬度的2倍時，才能夠起到提高地基承載力的作用。根據地基的破壞形態，基礎會向最不利方向破壞，所以基礎埋深d應當取基礎周邊最小埋深。

2 對《地基規范》的解讀與工程運用

d為基礎埋置深度(單位：m)，宜自室外高程算起。在填方整平地區，可自填土地面高程算起，但填土在上部結構施工完成時，應從天然地面高程算起。規范中只講了以下前面兩種情況：

1)當新填土在開挖基槽前完成堆填時，可自填土地面高程算起，對于這一點，要濾清概念(圖2a)。常有人問起：“雖然填土在自填土上地面完成堆填，這填土是否有時間要求？是否只有固結完成的土才能計入基礎埋置深度d。”這種想法實際上是將基礎的深度修正與土的固結加強兩個概念混淆了。根據文獻[2-3]，基礎的深度修正針對的是基底以上基礎周邊超載對基底下地基土的穩定性和承載力提高所做的貢獻，只與基底以上的土的重度有關，與此部分土是否完成固結無關。而土的固結加強是指長期上部壓力下土的固結壓密使得基底下土的承載力提高。這是兩個概念，有本質區別。基于對這一點的認同下，大部分設計者均對規范條文無異議。

工程實例：桂林市寶湖教育園區項目就屬于這種情況。由于本工程場地大部分區域是一個洼地，深2～3 m，業主和施工方考慮到施工機械入場的便利。在開挖前就已經平整場地。工程為5～6層的教學建筑，采用獨立柱基為主，以淺層硬塑黏土為持力層，埋深自填土地面算起。

2)當填土在上部結構施工完成時堆填，應以天然地面高程算起(圖2b)。這是因為此時上部結構作用下基底壓力已接近最大，但新填土并未形成超載，對地基土的穩定性和承載力沒有提供任何幫助，因此地基承載力的埋深只能以天然地面高程算起。顯而易見，這種方式不方便施工，筆者所做的工程還未遇到這種情況。

3)對于當新填土在基礎施工完成后，并于上部主體施工前完成堆填，進行深度修正時，基礎埋深的取值(圖2c)，規范并未明確。大部分工程均屬于這種情況。對于此類基礎埋深取值，業內人士觀點不同。朱炳寅等[4]認為，只有新填土在基礎施工前完成，進行深度修正的埋深d才能從新填土地面高程算起，而這種情況只能從天然地面高程算起，是從設計角度出發，偏于安全。而張維斌[5]和李艷嬌等[6]認為，基礎施工完成后立即回填新填土，進行深度修正的埋深d可自新填土地面算起。筆者也基本同意這種觀點。因為，在基礎剛施工完時完成新堆填土堆填，上部荷載還未起作用時，基礎四周的超載已形成。這對地基土的承載力和穩定性都有貢獻。但實際工程設計時，卻并不完全按此取值。請看以下實例分析。

工程實例：陽朔縣福利鎮初級中學設計為教學類建筑，5～6層框架結構，采用獨立柱基為主，以淺層硬塑黏土為持力層fak=180 kPa。由于場地處于洪水位以下，為方便使用，整個場地填高2 m。施工時，天然地面開挖，單棟樓施工完基礎后立即回填土至室內地面，為了方便搭外架，室外地面也堆填少量新填土，但僅比外墻寬出1.5～2 m。而1.5～2 m以外的場地均未堆填新填土，保持原狀地面，等主體封頂后，拆除外架，把室外管網(距外墻2～3 m處)鋪設完成后再回填剩下的新填土2 m厚，見圖3。

圖2 新填土場地基礎埋深Fig.2 Embedded depth of the foundation of the newly filled site

圖3 福利鎮初級中學基礎實際埋深Fig.3 Actual embedded depth of foundation atJunior Middle School in FuLi Town

這種情況計算埋深按照張維斌[5]取d=d1+2 m就不安全，因為《地基規范》條文說明中提到，需超載寬度大于基礎寬度的2倍時，才能夠起到提高地基承載力作用，而這種情況顯然未滿足此要求。但若d=d1又太保守，使得地基承載力修正值fa過低，基礎面積偏大，不經濟。參考中國建筑設計院有限公司編著的《結構設計統一技術措施》(2018版)[7]中第169頁，對于圖4中的外墻基礎，d=0.5(d1+d2)。因此，本工程采用的埋深為d=0.5(d1+d1+2 m)=d1+1 m。再則，由文獻[8]中橋臺背路基填土對橋臺基底引起附加壓應力算式為(圖5)：

P01=α1γ1H1

(2)

式中：H1為基底后邊緣填土高度；γ1為填土重度；α1為豎向附加壓力系數，據文獻[8]中橋臺基底或樁尖平面邊緣附加應力系數α1和α2表所示：填土高度≤5 m時，α1=0.44，即填土自重引起的壓力需進行折減。與上述措施原理相同。

因此筆者認為，當新填土在基礎施工完成后，并于上部結構施工前完成堆填時，埋深d=d1+0.5×新填土厚度(d1為天然地面至基礎底面的距離)，是安全合理的。現福利中學已竣工，各棟建筑均完好，不論從理論上和實踐上都證明本工程的基礎設計是安全合理的。類似本文中福利鎮初級中學的情況有很多：如靈川三中、陽朔高中等工程，因這種情況施工節約成本，避免新填土堆完又開挖的環節，室外工程一次性成形，方便快捷。

圖4 室內外有高差時基礎埋深Fig.4 Embedded depth of foundation when there isan height difference between indoor and outdoor

圖5 橋臺填土對基底附加壓應力的計算圖Fig.5 The calculation diagram of additional pressurestress of abutment filling soil to base

由此可見，新填土區淺基礎的埋置深度應根據施工需求、填土的階段來進行取值，并非一成不變，設計人員應根據不同的情況做出判斷。

3 變形控制設計

新填土覆蓋的天然地基上的基礎設計除了合理采用計算埋深之外，還有一個很要的環節：變形控制設計。根據馬智英[9]承載力設計應以變形控制設計為基礎，是為變形控制設計服務的。承載力驗算控制確定了基礎大小，是基礎設計的第一步，對于新填土場地承載力可能滿足要求，但變形不一定滿足要求。一般情況下，滿足變形要求的地基不會出現強度破壞，而未考慮變形控制的地基往往產生過大沉降，導致房屋傾斜開裂，這樣的工程事故屢見不鮮。實際工程設計中，變形控制是許多設計人容易忽略的環節，但這一環節非常重要，會直接影響到基礎大小、基礎形式，甚至房屋安全。

3.1 計算方法

(3)

用于新填土，則式(3)中，地基最終變形量為

(4)

p0=γ′H′

(5)

式中：γ′為新填土重度；H′為新填土厚度。

3.2 計算實例

對于前面提到的陽朔縣福利鎮初級中學的新填土場地，新填土平均厚2 m，夯實后容重γ=18 kN/m3，平時地下水在自然地面以下。典型的土層剖面見圖6，由于有軟弱下臥層②3層，地基變形計算深度取至巖面，由3.1計算方法所述：

p0=γ′H′=18×2=36kPa

(6)

(7)

圖6 土層剖面圖Fig.6 Soil layer profile

此工程中柱下獨基，用PKPM中JCCAD計算的柱基沉降值為40～60 mm，則建筑物柱基的總沉降量為86～106 mm。由此可見，由于新填土，引起的地基沉降不容忽視，尤其是有軟弱下臥層時。新填土引起的沉降量加上建筑物本身柱基的沉降，總沉降量將大大超過非填土場地。若設計時忽略這一環節，地基有可能產生的變形過大，發生基礎傾斜等事故。而陽朔縣福利鎮初級中學有些棟號設計時由于沉降值過大，由獨立柱基改為了柱下條形基礎。因此新填土場地上變形控制設計，決定了基礎大小和基礎形式。

3.3 結構措施

為避免新填土場地的建筑物地基產生過大變形，建議采用如下結構措施：

1)《地基規范》提到，填土宜在基礎施工前3個月完成，有條件的地方建議在開挖前3個月先回填完畢，并采用超載預壓，加速地基固結，減少使用期間變形。

2)選用較小的基底壓力，即加大基底面積減少變形。

3)增加建筑物整體剛度，在一層地面加一層拉梁，有條件情況下可加一層板，避免回填土過厚下沉引起地面開裂。

4)進行沉降觀測，因為沉降計算的理論依據、假定條件與土實際情況相差較遠，新填土的固結沉降也是一個未知因素，隨著天氣變化而有諸多不確定性。沉降觀測是對建筑物使用進行安全監測的一種輔助手段。

4 結語

綜上，在新填土地區進行地基基礎設計，若考慮采用天然地基時，應根據甲方需求，施工可行性確定新填土的堆填方案，并合理采用相應的計算埋深，通過承載力計算和變形控制設計確定基礎大小及基礎形式。因設計埋深的不確定性，本文中的經驗可供相關行業設計人員參考。