削坡開挖條件下軟弱下臥層的驗(yàn)算

全鋁興

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，廣西 柳州 545000）

1 概況

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）施行多年后，在規(guī)范的指導(dǎo)下，工程勘察和設(shè)計中常規(guī)的軟弱下臥層驗(yàn)算已經(jīng)運(yùn)用得很成熟了，但隨著工程建設(shè)的發(fā)展，在工程實(shí)踐中亦出現(xiàn)了非常規(guī)條件下的軟弱下臥層驗(yàn)算。削坡大開挖便是其中一種工程情況，建設(shè)項(xiàng)目多位于緩坡丘陵和低山丘陵地區(qū)，建設(shè)范圍內(nèi)地形起伏高差較大，通常高差可達(dá)幾米至十幾米，設(shè)計建設(shè)±0.00 以丘陵坡腳為基準(zhǔn)面，為使現(xiàn)狀地面滿足設(shè)計要求，需通過非回填式大開挖手段整體降低工程項(xiàng)目區(qū)的地面標(biāo)。在此工況下部分區(qū)域上覆土層厚度已發(fā)生較大改變，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）對于地基受力層范圍內(nèi)的軟弱下臥層，應(yīng)按GB 50007—2001（5.2.7-1）驗(yàn)算軟弱下臥層的地基承載力[1]。

Pz+pcz≤faz

式中：Pz——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；Pcz——軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值，kPa；faz——軟弱下臥層頂面處的經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值，kPa。

該驗(yàn)算式中附加壓力值Pz可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷重和基礎(chǔ)形式計算得出，土的自重壓力值Pcz亦能根據(jù)土的容重計算出，都屬于較容易確定的參數(shù)，但該工況下的軟弱下臥層修正后的地基承載力特征值faz的確定較容易出現(xiàn)錯誤。原因在于場地地形經(jīng)削坡大開挖后，局部地形高差變化可達(dá)十幾米，軟弱下臥層承載力特征值（faz）的深度（d）修正取值易陷入原狀地面埋深或是現(xiàn)狀地面埋深的矛盾中。以下本人將在理論層面和現(xiàn)實(shí)案例對比中對此問題進(jìn)行分析闡述。

巖土工程中軟弱下臥層是指在建筑持力層以下，地基受力層范圍內(nèi)，其承載力顯著低于持力層的高壓縮性土。由于地基受力范圍內(nèi)軟弱下臥層的存在，使得地基承載能力發(fā)生突變，上部土體自重在疊加上部建筑的附加壓力后，若總壓力值超過軟弱下臥層的承載能力，軟弱下臥層的土體將發(fā)生破壞，建筑地基發(fā)生非均勻變形，最終將危及建筑安全。因此，如地基受力層范圍內(nèi)存在軟弱下臥層，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011），需進(jìn)行軟弱下臥層承載力的驗(yàn)算。在上述驗(yàn)算公式5.2.7-1 中，軟弱下臥層承載力的深度修正公式為：

式中：fak——軟弱下臥層的天然地基承載力特征值，kPa；ηd——承載力修正系數(shù)，可根據(jù)軟弱下臥層土體性質(zhì)查表取值；γm——軟弱下臥層頂面以上土的厚度加權(quán)平均重度，kPa；d——軟弱下臥層層頂埋置深度，m。

公式中的參數(shù)fak、ηd、γm，可通過原位測試、室內(nèi)土工試驗(yàn)和查表取值，較容易確定。但參數(shù)d 的取值確定受地形大幅變化的影響，其在削坡情況下的層頂埋深取值成為軟弱下臥層驗(yàn)算的關(guān)鍵。非回填式削坡情況下局部地形大幅變化，軟弱下臥層的層頂埋深應(yīng)考慮原始狀態(tài)下上覆土層對軟弱土層的壓縮固結(jié)作用而取值原始狀態(tài)下的層頂埋深h0（m）還是考慮削坡施工后改變了基礎(chǔ)邊載作用而取值削坡后的層頂埋深h1（m），值得研究。

2 理論分析與實(shí)例分析

通過對前人理論原理模型各要素的推導(dǎo)分析，弄清各要素在地基極限承載力中的組成形式和組成權(quán)重，另外通過實(shí)際的工程案例分析，明確地基極限承載力的驗(yàn)算。

2.1 理論分析

從《土力學(xué)》的基礎(chǔ)太沙基理論公式出發(fā)進(jìn)行分析，太沙基地基承載力計算的基本理論假定如下[2]：

（1）基礎(chǔ)的埋深不大于基礎(chǔ)的寬度。

（2）基礎(chǔ)底面以下土體時有自重的，即γ≠0。

（3）基礎(chǔ)底面完全粗糙，基礎(chǔ)與地基之間存在摩擦力。

（4）忽略底面以上土的抗剪強(qiáng)度，將基礎(chǔ)底面以上的土當(dāng)成作用在基礎(chǔ)兩側(cè)的均布荷載q（q=γod，γo為基礎(chǔ)底面以上土體的加權(quán)平均重度，d 為基礎(chǔ)的埋置深度）。

（5）極限荷載作用下，地基發(fā)生整體剪切破壞。

太沙基理論公式分析方法為：剛體極限平衡法；分析模型為：將地基失穩(wěn)時地基滑動簡化為重力式擋土墻，分析其抗滑穩(wěn)定性以確定承載力。太沙基地基滑動圖見圖1。

圖1 太沙基地基滑動圖

根據(jù)太沙基理論，基礎(chǔ)底面與土體之間的摩擦力限制了基底土體的抗剪變形的發(fā)展，即圖1（a）中基底下部的Ⅰ區(qū)處于彈性狀態(tài)，為彈性區(qū)。彈性區(qū)中的AB、AB′與水平面的夾角等于土的內(nèi)摩擦角φ。圖1（a）中Ⅲ區(qū)為被動朗肯區(qū)，對平面AB、AB′產(chǎn)生被動土壓力，Ⅱ區(qū)為過渡區(qū)，連接Ⅰ、Ⅲ區(qū)的滑動面為對數(shù)螺旋線。取彈性區(qū)為隔離體進(jìn)行受力分析（如圖b），進(jìn)行豎直方向的受力平衡驗(yàn)算：

式中：Ca——作用在彈性區(qū)AB 和AB′平面上的黏聚力，C——土的黏聚力。Pp——作用在彈性區(qū)AB 和AB′平面上的被動土壓力，其由三部分引起，分別為土的黏聚力C、基礎(chǔ)兩側(cè)的均布荷載q 和土體的自重，并推導(dǎo)得出：

根據(jù)太沙基的假定和公式推導(dǎo)演化，我們可知地基極限承載力的影響因子受土體的強(qiáng)度指標(biāo)（C、φ）控制，另外還受AB 和AB′平面上的被動土壓力影響，該部分被動土壓力來自于Ⅲ區(qū)的土體自重及其上表面受到的均布荷載q。結(jié)合工程實(shí)際，地基土體的極限承載力受地基受力范圍內(nèi)的土體強(qiáng)度指標(biāo)（C、φ）控制，同時受基礎(chǔ)兩側(cè)底面以上的荷載（即基礎(chǔ)埋置深度范圍內(nèi)的土體自重）在滑動面上產(chǎn)生的抗力影響。隨著基礎(chǔ)埋深的增大，基礎(chǔ)兩側(cè)土體的總自重增大，在基底彈性區(qū)的被動土壓力也相應(yīng)增大。非回填式削坡開挖改變了場地原始上覆土層結(jié)構(gòu)，軟弱下臥層的上覆土體自重因開挖而減小，導(dǎo)致基礎(chǔ)兩側(cè)的上部均布荷載減小。由土的黏聚力C、基礎(chǔ)兩側(cè)的均布荷載q 和土體的自重共同作用，所產(chǎn)生的作用于基底彈性區(qū)AB 和AB′平面上的被動土壓力減小，最終導(dǎo)致軟弱下臥層的極限承載力減小。因此，從巖土層承載力形成的機(jī)理，即太沙基公式理論層可知，在非回填削坡大開挖情況下，軟弱下臥層的邊載條件已然改變，上部土層的厚度因開挖而減小，作用于軟弱下臥層頂面的土體自重荷載減小。軟弱下臥層承載力驗(yàn)算參數(shù)的層頂埋深d 的取值應(yīng)取削坡開挖后的現(xiàn)狀埋置深度h1而非原始狀態(tài)下的埋置深度。

2.2 工程實(shí)例分析

南寧某地進(jìn)行住宅小區(qū)開發(fā)，場地原始地形為低山丘陵，項(xiàng)目區(qū)建設(shè)場地包含低山丘陵山腳及部分丘陵山體。為保證項(xiàng)目建設(shè)效果，項(xiàng)目建設(shè)基準(zhǔn)面定為略低于山腳高程，項(xiàng)目場地需進(jìn)行大面積削坡開挖以符合設(shè)計整平標(biāo)高，開挖高度為0.5～9.0m，其中靠近山體的場地開挖高度最大為9.0m。根據(jù)勘察資料，平整后場地下伏地層資料如下：0.0～4.0m 為硬塑狀黏土，天然重度r1=19.3kN/m3，天然地基承載力特征值為fak1=220kPa，土層壓縮模量Es1=8.18MPa；4.0～6.0m 軟～可塑狀粉質(zhì)黏土，天然重度r2=18.5kN/m3，天然地基承載力特征值為fak2=120kPa，土層壓縮模量Es2=4.0MPa；基礎(chǔ)底面附加荷載為Fk=1600kN，設(shè)計基礎(chǔ)為方形獨(dú)立柱基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度b=2.0m，基礎(chǔ)埋深1.5m，基礎(chǔ)位置處軟弱下臥層頂面距開挖前原地面高度為12.0m。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）5.2.7 節(jié)，軟弱下臥層承載力驗(yàn)算如下[1]：

Es1/Es2=8.18/4.0=2.05＜3.0，z/b=2.5/2=1.25，則地基壓力擴(kuò)散角為θ=23°；ηd=1.0。

Pcz=4×19.3=77.2（kPa）；

附加應(yīng)力與上部土體自重應(yīng)力為：Pz+Pcz=271.4（kPa）。

軟弱下臥層經(jīng)修正后的地基承載力特征值在不同的層頂埋深取值下將得出不同的驗(yàn)算結(jié)果：

（1）原始地面的軟弱下臥層層頂埋置深度h0=12.0m，則經(jīng)深度修正后的軟弱下臥層承載力特征為：

faz1=fak+ηd×rm（d-0.5）

=120+1×19.3×（12-0.5）=332.9（kPa）

由faz1＞Pz+Pcz得出結(jié)論軟弱下臥層承載力特征值滿足上部結(jié)構(gòu)要求。

（2）場地平整后，現(xiàn)狀軟弱下臥層層頂埋置深度h1=4.0m，則經(jīng)深度修正后的軟弱下臥層承載力特征為：

faz2=fak+ηd×rm（d-0.5）

=120+1×19.3×（4-0.5）=187.6（kPa）

由faz2＜Pz+Pcz得出結(jié)論軟弱下臥層承載力特征值不滿足上部結(jié)構(gòu)要求。

同一工程場地條件下，不同的工程認(rèn)識會選取不同的參數(shù)進(jìn)行承載力驗(yàn)算，也因此得出了不同的結(jié)論。但若不在正確的理論指導(dǎo)下進(jìn)行正確的工程計算會給工程建設(shè)帶來很大風(fēng)險，甚至可能危及建筑的安全。

3 載荷試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)要求

為確定軟弱下臥層經(jīng)深度修正后承載力特征值，擬采用深層平板載荷試驗(yàn)法對軟～可塑狀粉質(zhì)黏土進(jìn)行載荷試驗(yàn)，現(xiàn)場選取3 個點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計修正后該層承載力特征值不小于272kPa。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 5007—2011）要求，深層平板載荷試驗(yàn)的承壓板采用0.8m 剛性板，緊靠承壓板周圍外側(cè)的土層高度大于80cm，最大試驗(yàn)荷載大于設(shè)計要求的地基土承載力特征值的2 倍，即544kPa，共分10 級，且采用逐級等量加載，每級加載增量為50kPa，第一級加載量取分級荷載的2 倍，即為100kPa，每級加荷穩(wěn)定后可加下一級荷載。

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，可終止加載：①沉降s 急驟增大，荷載-沉降（p-s）曲線上有可判定極限承載力的陡降段，且沉降量超過0.04d（d 為承壓板直徑）；②在某一級荷載下，24h 以內(nèi)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定；③本級沉降量大于前一級沉降量的5 倍；④最大加載量不小于設(shè)計要求的2 倍。

3.2 試驗(yàn)成果分析

試驗(yàn)1 號點(diǎn)加至最大試驗(yàn)荷載450kPa，加載總歷時1200min，周圍地面出現(xiàn)輕微隆起，荷載-沉降（P-S）曲線上出現(xiàn)承載力陡降段，且沉降量超過0.04d，故終止加荷。此時承壓板總沉降量為35.22mm。試驗(yàn)的極限荷載為400kPa，曲線比例界限對應(yīng)的荷載為212kPa，大于極限荷載的一半，故本試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值取極限荷載的一半，即200kPa。

試驗(yàn)2 號點(diǎn)加至最大試驗(yàn)荷載450kPa，加載總歷時1320min，荷載-沉降（P-S）曲線上出現(xiàn)承載力陡降段，且沉降量超過0.04d，故終止加荷。此時承壓板總沉降量為34.57mm。試驗(yàn)的極限荷載為400kPa，曲線比例界限對應(yīng)的荷載為198kPa，小于極限荷載的一半，故本試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值取比例界限，即198kPa。

試驗(yàn)3 號點(diǎn)加至最大試驗(yàn)荷載500kPa，加載總歷時2840min，在該級荷載下，24h 內(nèi)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定，故終止加荷。此時承壓板總沉降量為39.46mm。試驗(yàn)的極限荷載為450kPa，曲線比例界限對應(yīng)的荷載為232kPa，大于極限荷載的一半，故本試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值取極限荷載的一半，即225kPa。

本次深層平板載荷試驗(yàn)的3 個試驗(yàn)實(shí)測值的極差不超過平均值的30%，因此，取平均值作為該土層的承載力特征值，即207.7kPa。

深層平板載荷試驗(yàn)的剛性承壓板緊靠周圍外側(cè)土層，試驗(yàn)過程已經(jīng)模擬了基礎(chǔ)底面以上土體荷載的邊載條件，因此，其試驗(yàn)結(jié)果——軟弱下臥層承載力特征值207.7kPa，已經(jīng)包含了深度修正條件，即為faz值。該試驗(yàn)實(shí)測值faz=207.7kPa 較接近faz2=187.6kPa，遠(yuǎn)小于faz1=332.9kPa。這也從現(xiàn)場試驗(yàn)層面驗(yàn)證了軟弱下臥層承載力與上部土體邊載有較緊密的聯(lián)系，其層頂埋置深度應(yīng)取值現(xiàn)狀地面埋置深度h1。

4 結(jié)語

工程建設(shè)中，巖土層的特性與建筑安全關(guān)系緊密，遵循土力學(xué)理論的正確巖土思維能指導(dǎo)正確的巖土工程計算，為工程建設(shè)的安全保駕護(hù)航。在非回填式削坡大開挖條件下，地基中若存在軟弱下臥層，其承載力驗(yàn)算的參數(shù)d（軟弱下臥層層頂埋深）的取值應(yīng)取現(xiàn)狀條件下的埋深。本文僅以淺薄的學(xué)識提出軟弱下臥承載力的驗(yàn)算的觀點(diǎn)，以供大家參考。