挖底层地坪改建房屋风险的评估与处置

【摘要】基础底面以上的覆土层能显著提高地基的承载力，挖去覆土层、地基承载力降低，塑性变形区增加，沉降增加。在房屋部分区域下挖进行改建，将产生局部区域沉降增加，造成基础间的沉降差，沉降差产生的结构应力，超过结构可调整的范围，将引发建筑结构的损坏，影响建筑物的安全和使用。故需对下挖改建进行安全性评、处置，保证建筑物安全。

【关键词】下挖地坪；临塑荷载；塑性变形区；地基承载力；沉降差；应力

【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

当多层房屋是埋深小于5米的浅基础时，下挖底层地坪（以下简称下挖）进行房屋改建，增加底层净高，以满足不同营业的需要；或做成夹层、地下室，增加室内使用面积。这样的改建，有时施工尚未结束，上部建筑结构就出现损坏，引发上、下层业主间的纠纷，因此有必要认识下挖改建的危害性，慎重决策是否改建、科学制定改建方案，以保证地基基础、房屋结构的安全。

1. 覆土层的作用

基础埋深D范围内的土称为覆土层，明确它在地基基础中的作用，理解地基破坏机理，才能认清下挖改建的危害。

1.1地基受力破坏过程。

土力学试验表明，随着外荷载的增加（图1：曲线1），一般的地基变形分为三个阶段。第一阶段：线性变形阶段，压力与沉降基本成直线关系，引起地基中出现、但尚未出现塑性变形区的荷载称为临塑荷载（pcr）；第二阶段：塑性变形阶段，基础边缘局部范围内发生剪切破坏，出现塑性变形区（图2）；第三阶段：整体剪切破坏阶段，塑性变形区发展、地基沉降增加、形成连续滑动面，基础周边隆起，地基破坏（图3），此时的荷载称极限荷载（Pu ）。这个过程中，地基应力变化与地基变形、破坏间的关系，是理解覆土层的作用，控制、处置下挖改建的理论基础。

1.2覆土层能提高地基承载力。

覆土层对提高地基承载力有显著的作用，其大小，受埋深、土质等因素的影响。

滑动面应力分析。与中学物理中叙述的物体间摩擦力概念相似，滑动面（图3）上存在一对方向相反的摩擦力，其大小与滑动面间的摩擦系数、以及其上受到的压力有关，摩擦系数与土的抗剪强度指标粘聚力c、内摩擦角φ有关；压力与覆土层厚度D有关。将覆土层向下的力用均布荷载q=γD来表示，D越大q越大，滑动面上受到的正压力越大、摩擦力也就越大。基于此，普朗德尔（Prandtl）、赖斯特（Reissnre）指出，破坏图式中，区域Ⅰ是主动朗肯（Rankine）区，它推挤放射形的普朗特尔（Prandtl）Ⅱ区，并向上推挤被动朗肯区Ⅲ区，可明显看出q有抵抗Ⅲ区向上滑动的作用。

鉴于此，众多土力学研究成果均考虑覆土层在提高地基抗剪强度中的作用，提出用大于1的深度系数对地基承载力进行修正。

我国《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）（以下简称《规范》），考虑到覆土层厚度的影响规定：当基础的宽度大于3m，埋深大于最小埋深0.5m时，对按载荷实验、公式计算并结合工程经验确定的地基承载力特征值fak 进行修正：

fa=fak+ηb γ（b-3） + ηd γm（D-0.5） （1）

修正后的 fa 是确定地基承载力f 的基础数据。式中ηd为大于等于1的地基承载力埋深修正系数。当D>0.5 m时，fak 提高至 fa 。

由公式可见覆土层的厚度越大、地基承载力越高。

本文只讨论覆土层厚度对抗剪强度的影响，为简洁明了，对基底宽度、加荷速率、滑动线上覆土层厚度范围内的抗剪强度、覆土层与基础及持力层间的摩擦力等因素不予讨论。

1.3覆土层减小的危害。

覆土层减小地基承载力降低。按1.2节的讨论，宏观上看，随着下挖深度增加D的减小，q减小、滑动面间的摩擦力减小，抗剪强度减小；从内因上分析，滑动面上土单元体受到q形成的侧限应力，随着D的减小而减小，由土的实验学知识可知，随着侧限应力减小，土单元体的抗剪强度减小，地基承载力相应减小，原设计值 f减小为f/。当D=0时，覆土层的作用完全丧失。

覆土层减小沉降量增加。在地基设计过程中，根据基底所受的应力（p）小于或等于地基承载力设计值（ f）的条件：

p= F+ADA f（2） 得基底宽度： A F f- D（3）

式中：F为上部结构的荷载设计值，AD 为基底范围内，基础及回填土的平均重度，改建时，基础台阶上的土同时会被挖去，会部分减小对地基的压力，但相对于被挖去的、整个室内面积上的土对地基的压力，其数值较小，分析中忽略这部分影响。从公式（2）、（3）可以看出，下挖后承载力降低， f减小为f/ ，基底面积A不变，公式失去平衡 P>f/，基底下土单元体所受应力增加，压缩量增加。相当于在地基荷载实验中，土体所受的应力由pcr向pu发展，随之塑性变形区深度增加，沉降量也随之增加（图2：曲线2）。

综上所述，覆土层对提高地基承载力有较大作用，减小了覆土层、地基承载力降低，塑性变形区增加，沉降量增加。

2.下挖改建对建筑物的影响

下挖深度增加，危害性也随之增加，严重时基础及上部结构将会发生破坏。

2.1不同下挖深度的后果。

2.1.1下挖深度小于等于室内外高差。通常室内地坪高于室外地坪，地基承载力没有考虑室内高于室外部分的土对承载力的影响，下挖深度不超过室内外高差，对地基承载力、上部结构没有影响，很少出现纠纷。

2.1.2下挖深度小于等于基础埋深D的情况：

（1）下挖深度≤0.5时m，由公式（1）可知，地基承载力不需修正，挖去后不会影响建筑物安全。只是地基的安全储备能力有所降低。

（2）0.5 m <下挖深度

2.1.3下挖深度大于基础埋深D的情况。以条形荷载为例，图4、图5分别系条基基底下，x方向应力σx及剪应力τxz 的等值线图，σx、τxz 的最大值均出现于基底边缘下，当下挖深度超出覆土层厚度D，进入σx、 τxz值均较大的区域，基底边缘部分失去抵抗剪应力τxz 的能力，首先发生滑动、崩塌（图6），地基承载力急剧降低，基底面积进一步缩小，恶性循环造成地基失效。这类改建是极其危险的状态，必须十分警惕。

可见，不同程度地减小覆土层厚度或超出埋深下挖，地基承载力会不同程度地下降，将产生不同的后果。

2.2基础及上部结构应力调整能力的讨论。

有观点认为：地基与基础是一个整体，下挖发生在建筑物的局部区域，这个局部位置承载力发生变化，可以通过基础整体的应力调整来加以平衡。现就这一观点，作一点分析。

2.2.1条形基础应力调整。

墙下条形基础的纵、横墙含基础下的梁，是按受压进行设计的，局部区域下挖后，地基承载力下降，导致局部地基塑性变形区增加，局部沉降量S增加，基础间沉降差增加。沉降差引起基础、上部结构产生的附加应力，需要承重横墙下的基础及以上的结构逐层调整，基础（圈）梁、上部结构虽有一定的调整能力，但这种调整能力有一定的限度；从结构力学观点可知，当沉降差产生的附加应力，超出基础、结构的允许应力，裂缝就不可避免地出现、直至失效。

这类基础是民用建筑基础的主体，下挖造成结构破坏的建筑也以此为主，应成为关注的重点。

2.2.2独立基础的应力调整。

独立基础局部区域的下挖，相邻基础间也会产生沉降差、产生附加应力，用结构力学的观点分析，此类基础无基础梁连系、完全依赖上部结构进行应力调整，而上部结构的调整能力更弱，对沉降更敏感，更易产生裂缝，引起结构破坏。

这类基础以底层为营业房的商住楼较多，且基底向二个方向扩散应力，浅层土体整体所受应力较大、下挖后承载力下降较多且快，加上使用环境具有不确定性（如：可能渗水的营业项目，渗水后软化地基。），更要予以重视。

2.2.3井格基础的应力调整。

设计柱下条形与十字形钢筋砼基础，通常采用反梁法和弹性地基梁法。

反梁法按基础梁和地基土之间的反力呈直线分布进行计算。局部下挖地基承载力下降后，假设的前题不存在，内力重分布、基础弯矩图发生变化，当受力筋所受拉应力超出原设计值、或受拉区超出原设计范围后，基础梁调整能力减弱直至破坏，基础失效。

弹性地基梁法适用于压缩性较高的软土地基。按文克勒地基模型，以地基单位面积上所受的压力p与该点的沉降量y成正比：p（x）=ky，为边界条件，求出基础梁上不同截面的弯矩和剪力值，作出弯矩图和剪力图，进行结构计算。同样局部下挖、承载力变化，基床系数K变化，地基梁的内力重分布、且因下挖地点的的不确定而无法预知、预防，地基梁也同样具有失效的风险。

整体筏式基础埋深较浅，有底板的限制，下挖地坪深度受限，一般不会出现问题。故不予讨论。

总之，无论何种类型的基础，其应力调整能力是有限度的。

2.3地基土固结问题。

使用时间较长的建筑物地基土固结，提高了地基的整体承载力，但局部下挖、地基整体和局部区域间同样会出现承载力的差异，同样会产生沉降差，超出一定限度，同样会引起结构破坏，只不过固结时间的长短，确定其应力调整能力的强弱。

综上所述，局部下挖后基础间沉降差增加，需要基础及上部结构调整。而它们的调整能力受材料、结构、强度富余系数等限制，一旦超过一定限度，则裂缝不可避免直至破坏。

3. 评估与控制

为保证建筑物的安全，需对确需进行下挖改建的建筑物进行安全评估与控制，选择合理的改建方案。

3.1下挖后重新确定地基承载力。

本文所提出的方案，因限于篇幅，仅提出保证改建安全性的思路，具体的技术方案，可根据未挖与下挖区域间承载力差异大小，在规范、相关手册、书籍中找到处理的办法。

4. 结束语

下挖进行房屋改建，会对建筑物造成不同程度的损害。当确需改建时，根据下挖的深度、地基的土质等情况，进行地基基础的重新验算，制定出保证建筑物安全的改造方案，同时职能部门要加强对建筑市场的稽查、监管，加强对改建方案、改建图纸的审核，保证结构安全，杜绝后患。

参考文献

[1]《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中华人民共和国国家标准 中国建筑工业出版社 2002.2.

[2]《基础工程手册》[美]H.F.温特科恩、方晓阳主编 钱鸿缙 叶书麟等译校 中国建筑工业出版社 1983.4.

[3]《地基基础设计手册》 沈杰编 上海科技出版社 1988.11.

[4]《建筑工程事故分析及处理实例应用手册》 范锡盛 王跃主编 中国建筑工业出版社1994.6.

[5]《地基及基础》华南工学院 南京工学院 浙江大学 湖南大学编 中国建筑工业出版社1981.6.

[6]《土力学及基础工程》 陈希哲主编 中央广播电视大学出版社 1995.10.

[文章编号]1619-2737（2015）01-01-521

[作者简介] 欧小平（1954.10-），男，职称： 高级工程师，工作单位：江宁广播电视大学。