地基承载力深度修正原理及基础埋深取值探讨

2020-08-20李艳娇张春梅

陕西理工大学学报(自然科学版) 2020年4期

李艳娇，张春梅

(沈阳城市建设学院土木工程系，辽宁沈阳 110167)

在工程结构设计中，地基承载力的深度、宽度修正是结构设计师必然要面临的问题。目前，广大结构设计人员对地基承载力的宽度修正并无异议，大家的争论主要集中在地基承载力深度修正问题上，尤其是对主群楼一体结构等比较复杂的工程，如何取用基础埋深，从规范中并不能直接得到答案。

针对地基承载力深度修正中的若干问题，国内学者的看法并不一致。比如，对于主群楼一体的结构，何时应考虑裙房荷载对主楼地基承载力的有利影响，李国胜[1]认为，对于主楼基础为箱基或筏基、裙房基础为独基或条基且设有防水板时，仅当地基土为低-中压缩性土时才可适当考虑防水板的有利作用，将裙房基础底面以上荷载折算成土层厚度de考虑其有利影响；张维斌[2]指出，无论主楼和裙房的基础为何种形式、是否设有防水板，只要周边超载宽度大于基础宽度的2倍，裙房基础底面以上荷载就可以折算成土层厚度de考虑其有利影响。再比如，对于《GB50007—2011建筑地基基础设计规范》[3]5.2.4条文说明中的“超载宽度”的理解，陈向东[4]、李国胜[1]、王允锷等[5]学者认为，超载宽度指主楼基础一侧的宽度；朱炳寅[6]等学者则认为超载宽度指主楼基础两侧超载宽度之和。又比如，当基础周边的土层厚度、裙房设置等情况不同时，地基承载力深度修正时如何确定基础埋深的问题，北京市建筑设计标准化办公室在《建筑设计技术细则》[7](结构部分)中指出，基础埋深可按加权平均的方法取值；陈向东[4]、李国胜[1]等学者则认为应取最小值。

诸如上述此类问题很多，这些问题能否正确解决关系着地基承载力深度修正的正确与否，最终关系到工程结构的安全性和经济性。而深度修正问题具体体现在基础埋置深度的取值问题上，因此，正确取用基础埋深非常关键。本文将从地基承载力深度修正的理论基础出发，旨在对工程中地基承载力深度修正时存在的诸多争议问题进行深入的分析和探讨，以期得到正确的结论，为广大结构设计人员提供一定的参考和借鉴。

1 地基承载力深度修正的原理

1.1 基础规范的相关规定

根据《GB50007—2011建筑地基基础设计规范》[3](以下简称“基础规范”)中5.2.4的规定：当基础宽度大于3 m或埋置深度大于0.5 m时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应进行修正。修正公式中的基础埋深d的取值比较复杂，视基础类型、填土等情况的不同会对应不同的值，如何正确取用d值是地基承载力深度修正的关键。

1.2 浅基础地基的破坏模式

试验研究表明，浅基础地基的破坏模式主要有3种：整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲切剪切破坏[8]。

整体剪切破坏的破坏特征：地基达到极限承载力时，地基土的剪切破坏区连成一片、形成由基底一侧至地面的连续滑动面，基础急剧下沉并向一侧倾斜或倾倒，基础两侧的地面向上隆起。

局部剪切破坏的破坏特征：地基达到极限承载力时，地基的剪切破坏面没有发展到地面，基础两侧土体有部分隆起，基础没有明显的倾斜和倒塌。基础由于产生过大的沉降而失去继续承载的能力。

冲切剪切破坏也称刺入剪切破坏，其破坏特征：在荷载作用下基础产生较大的沉降，基础周围的部分土体产生下陷，破坏时基础好像“刺入”地基土层中，不出现明显的破坏区和滑动面，基础没有明显的倾斜。

影响地基破坏模式的因素有很多，如土的条件(包括土的种类、密度、含水量、压缩性、抗剪强度等)和基础条件(包括基础的形式、埋深、尺寸等),其中，土的压缩性是影响破坏模式的主要因素[8]。

目前对于压缩性小的地基土或整体剪切破坏模式可在一定的假设条件下得到理论求解，对于局部剪切破坏和冲切剪切破坏仍然采用整体剪切破坏的解答，只不过考虑相应的折减系数加以修正[9]。

1.3 地基临塑荷载、临界荷载和极限承载力

由弹性半无限理论及极限平衡条件，假设基础为条形基础且作用有均匀分布荷载，依据弹性力学的平面应变问题可推导出地基塑性变形区的边界方程和临塑荷载、临界荷载的理论公式。

地基极限荷载的理论公式很多，大都是按整体剪切破坏模式推导，由于假设条件不同，这些公式得出的结果并不一致。但这些理论公式有一个共同点：在考虑基础周围土体的影响时，均是把其看做是作用在基底水平面上的均匀分布荷载。

由临塑荷载、临界荷载及极限荷载的理论公式可知，它们都是随着基础两侧荷载的增大而增大，这也就是地基承载力深度修正的理论基础。由于浅层平板试验获得的地基承载力没有考虑承压板周围土重对地基承载力的有利影响，所以应进行地基承载力的深度修正。

2 深度修正时基础埋深的取值

实际工程千差万别，地基承载力深度修正时d的取值会有很多种情况。下面将从地基承载力深度修正的理论基础出发，探讨各种工程状况下深度修正时基础埋深d的取值。

2.1 无地下室的一般情况

当建筑物不设置地下室时，用于地基承载力深度修正的基础埋深d的取值比较简单，应为室外地面至基础底面的距离，如图1所示。当室外地面标高不同时，根据地基的破坏机理，地基破坏在荷载小的一侧先发生，所以应按较低的室外地面标高算起。

图1 无地下室时基础埋深d取值示意图

2.2 填方整平地区

按照基础规范的规定，在填方整平地区的基础埋置深度与回填土的回填时间有关。当回填土在上部结构施工前完成时，深度修正时基础埋深d可取填土面至基础底面的距离；填土在上部结构施工后完成时，基础埋深d应取自天然地面。学者对于基础规范中的“填土在上部结构施工后完成”的理解不尽相同。

文献[4]认为，无论挖方区还是填方区，均与最终完成的地坪标高有关，而与何时进行挖方或填方无关。对于上部结构施工完部分楼层但填土未完成时的不利情况，应进行施工过程的地基承载力验算。笔者认为，文献[4]的说法虽然从理论上并无问题，但与规范的本意并不一致。如若填土区均按最终完成的地坪标高计入深度修正，对于复杂的工程施工状况，则需要对多个不利情况进行地基承载力的验算。而在工程设计时，设计人员并不能完全掌握工程的施工状况，所以通常在地基承载力验算时仅需验算全部荷载作用的情况。按基础规范规定，是否考虑填土对地基承载力的有利影响则看填土的完成时间是否早于上部结构开始施工的时间，这样做可以减少施工因素对工程设计的影响，是偏于保守和安全的。

文献[6]认为，只有填土在基础施工前完成时基础埋深d才能从填土地面标高算起。这种观点认为，只有进行长时间固结的填土才能计入深度修正。实际上，地基土的深度修正与土的固结加强是两个不同的概念。填土计入深度修正是因其形成了基础周边均匀分布在基底平面上的荷载，抵抗基底土的向上滑动，而土的固结加强提高地基承载力是由于土的密实度增加。

文献[1]认为，只要回填在上部结构施工前完成，基础埋深就可以从填土地面标高算起。

笔者对规范的理解与文献[1]相同，即填土在上部结构未施工时完成，基础埋深可从填土地面标高算起；当上部结构施工后(无论施工一层、两层还是全部楼层)完成填土时，修正埋深应从天然地面算起，如图2所示。因为根据前面对于深度修正原理的分析，上部结构施工前完成的填土已经形成了基础周边均匀连续的荷载，可以阻止地基土的向上滑动，因此填土厚度可计入深度修正中。

(a) 回填土在上部结构施工前完成 (b) 回填土在上部结构施工后完成

2.3 有地下室的情况

当建筑设有地下室时，d的取值与基础的形式有关。当基础为整体性好、刚性较大的筏板基础或箱型基础时，室外地面至基础底的土体形成了基础周边均匀连续分布的荷载，所以d可取室外地面至基础底面的距离，如图3(a)所示。

当建筑设有地下室、基础为独立基础或条形基础且无防水板时，只有地下室室内地面至基础底面的土体形成了基底周边连续均匀的荷载，所以d应取地下室室内地面至基础底面的距离，如图3(b)所示。

(a) 基础为筏基或箱基 (b) 基础为独基或条基

对于地下室为独立基础或条形基础且设有防水底板时，文献[1]认为应根据防水板的做法及地基土层的压缩性来确定是否考虑防水板的荷载对地基承载力的有利影响。笔者认为，设置防水板的主要目的是抵抗水浮力，且在实际设计中防水板的刚度很小，一般均采取构造措施减小防水板承担地基反力，因此不宜考虑防水板的有利作用。且基础规范规定，地下室基础为独立基础或条形基础时d取自室内地面，并未区分是否设有防水板。

2.4 主群楼一体结构

对于主群楼一体结构，主楼在进行地基承载力深度修正时埋深d的确定是最复杂的，下面将结合相关文献及笔者本人对规范的理解对此进行探讨。

基础规范5.2.4的条文说明指出：对于主体结构地基承载力的深度修正，宜将基础底面范围以上的荷载，按基础两侧的超载考虑，当超载宽度大于基础宽度两倍时，可将超载折算成土层厚度作为基础埋深，基础两侧超载不等时，取小值。

对于“超载”的概念，规范并未明确。文献[5]指出：“超载”指的是裙房部分基础底面的基底压力大于土的自重压力。实际工程中也可能存在裙房基底压力小于土重的情况，比如裙房层数较少、地下室埋深较大时，可称为负超载基础或超补偿基础。

把裙房基础底面的荷载作为“超载”考虑和将其“折算成土层厚度”是两个不同的概念。作为超载处理，是把结构自重中的土体自重q部分按基础规范5.2.4条进行深度修正，考虑深度修正系数ηd；结构自重的剩余部分(p-q)作为超载代入基础规范5.2.4条，即ηd取为1.0。超载宽度小于基础宽度时，不计超载仍然按实际埋深进行深度修正。折算成土层厚度处理时，是将全部结构自重p除以土层重度折算成一定厚度(大于实际埋深)的土层，代入基础规范5.2.4条，考虑深度修正系数ηd[9]。

按照基础规范的条文说明，当超载宽度大于基础宽度的两倍时，可以按“折算土层”处理，否则按“超载”处理。

2.4.1 主楼、裙房的基础均为筏基或箱基

当主楼、裙房的基础均为整体性好、刚度大的筏板基础或箱型基础时，裙房的荷载可近似认为均匀分布在基础底面，对下部的土体能够产生有效约束，能够阻止主楼基底下土体的侧向滑动，所以可考虑裙房荷载对主楼地基承载力的有利影响。

(1)p>q时，即裙房基础为欠补偿基础，当主楼裙房一侧超载宽度大于主楼基础宽度的2倍时，完全符合基础规范5.2.4条文说明的条件，裙房一侧埋深取值应按“折算土层”处理，折算厚度记为de，主楼无裙房侧室外地面至基础底面的距离记为d1，最终用于主楼地基承载力深度修正的d取d1、de中的较小值，如图4所示；当超载宽度不大于主楼基础宽度的两倍时，按“超载”处理，笔者建议，此时不计超载仍然按实际埋深进行深度修正。文献[10]认为，对于欠补偿基础，主楼深度修正时d取实际埋深，未考虑超载宽度与主楼基础宽度的关系。且文献[10]认为，任何情况下计算埋深不能超过其实际埋深，对于此说法，笔者在基础规范中并未找到相关规定。

图4 主群楼均为筏基或箱基时d取值示意图

(2)p

2.4.2 主楼为筏基或箱基、裙房为独基或条基

当主楼采用筏板基础或箱型基础、裙房采用独立基础或条形基础时，地基承载力深度修正时应分情况确定主楼的基础埋深d。

(1)当裙房无地下室时，主楼基础埋深取主楼实际埋深，即主楼室外地面至主楼基础底面的距离。文献[1,6]也持此观点。

(2)当裙房有地下室时，由于裙房基底下并非连续均匀的荷载，对主楼基底下土体的侧向滑动不能形成有效约束，可不考虑非整体基础对主楼地基承载力的有利影响，主楼深度修正时d取裙房地下室室内地面至主楼基础底面的距离，如图5所示。文献[1]认为，当主楼基础为箱基或筏基、裙房基础为独基或条基且设有防水板时，当地基土为低-中压缩性土时，可适当考虑防水板的有利作用。

图5 主楼筏基或箱基、裙房独基或条基时d取值示意图图6 基础高差较大的主群楼一体结构d取值示意图

(3)当主群楼基底高差相差较大时，虽然裙房是非整体性基础，但由于裙房基底的压力扩散，扩散至主楼基础底面时已经形成主楼周边连续的超压，可考虑其有利影响。文献[4]也持此观点，但其并未明确主群楼高差为多少时可将裙房荷载折算成土层厚度计入主楼基础埋深。笔者认为，可参考基础规范5.2.7条关于地基压力扩散角的规定。首先根据基底土的压缩模量、裙房基础底面至主楼基础底面的距离、独立基础或条形基础的宽度确定地基压力扩散角θ，再根据裙房基础之间的距离可得到主楼基底周边的压力分布状况，当此压力已经在主楼基础底面形成主楼周边连续且较为均匀的超压时，可考虑裙房荷载对主楼地基承载力的有利影响，将裙房一侧在主楼基底平面的恒载折算成土层厚度de，d1表示主楼无裙房侧室外地面至基础底面的距离，如图6所示，d取d1、de中的较小值。

3 深度修正时应注意的问题

3.1 施工顺序的影响

地基承载力深度修正时不能忽略施工顺序的影响。对于主群楼一体的结构，只有当主楼完成时周边裙房已经建成，才可考虑裙房荷载对主楼地基承载力的有利影响。如果工程是先建成主楼然后再施工裙房，这时就不应该将裙房荷载折算成土层厚度进行深度修正。

3.2 水浮力的影响

对于地下水位高于基础底面的工程，地基承载力深度修正时，水位以下土的重度取有效重度，裙房荷载折算土层厚度应为(p-10h)/γm(p为永久荷载标准值产生的基底压力，h为地下水位至裙房基底的距离，γm为基底以上土的加权平均重度)。

3.3 荷载的取用

裙房荷载折算成土层厚度时取用何种荷载，基础规范并未明确。文献[1]认为取恒载标准值，文献[2，6]认为活荷载可按基础规范5.1.2折减后计入。笔者认为，活荷载无法形成稳定持续的压力，故不应考虑其有利影响。

3.4 超载宽度的理解

目前对于基础规范5.2.4条文说明中的“超载宽度”有两种说法。一种说法是，超载宽度指主楼基础一侧的宽度，文献[1，4，5]均持此观点。另一种说法是，超载宽度指主楼基础两侧超载宽度之和，文献[6，10]即持此观点。文献[11-12]根据太沙基理论假设的滑动面方程求得一侧滑动面的最大宽度约为2～4倍主楼基础宽度。而超载宽度需达到滑动面的宽度才能成为抵抗土体侧向滑动的有效荷载，所以一侧超载宽度应至少为主楼基础宽度的2倍。

3.5 d取值应加以限制

前述地基的破坏模式及承载力的理论公式均是对浅基础而言的。依据设计常识，无限增大基础埋深，并不能无限增大地基的承载力。文献[13]指出：太沙基的地基极限承载力公式是以基础埋深小于基础宽度为前提的；我国《TJ 7—74工业与民用建筑地基基础设计规范》[14]中规定深度修正的条件是：埋深h>3 m且h/b<4；美国铁路工程师协会将浅基础的极限承载力公式的使用条件限定为d/b<1。因此，在地基承载力深度修正时，基础埋深d应加以限制。