削坡开挖条件下软弱下卧层的验算

全铝兴

（广西水文地质工程地质队，广西 柳州 545000）

1 概况

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）施行多年后，在规范的指导下，工程勘察和设计中常规的软弱下卧层验算已经运用得很成熟了，但随着工程建设的发展，在工程实践中亦出现了非常规条件下的软弱下卧层验算。削坡大开挖便是其中一种工程情况，建设项目多位于缓坡丘陵和低山丘陵地区，建设范围内地形起伏高差较大，通常高差可达几米至十几米，设计建设±0.00 以丘陵坡脚为基准面，为使现状地面满足设计要求，需通过非回填式大开挖手段整体降低工程项目区的地面标。在此工况下部分区域上覆土层厚度已发生较大改变，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）对于地基受力层范围内的软弱下卧层，应按GB 50007—2001（5.2.7-1）验算软弱下卧层的地基承载力[1]。

Pz+pcz≤faz

式中：Pz——相应于作用的标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值，kPa；Pcz——软弱下卧层顶面处土的自重压力值，kPa；faz——软弱下卧层顶面处的经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。

该验算式中附加压力值Pz可根据上部结构荷重和基础形式计算得出，土的自重压力值Pcz亦能根据土的容重计算出，都属于较容易确定的参数，但该工况下的软弱下卧层修正后的地基承载力特征值faz的确定较容易出现错误。原因在于场地地形经削坡大开挖后，局部地形高差变化可达十几米，软弱下卧层承载力特征值（faz）的深度（d）修正取值易陷入原状地面埋深或是现状地面埋深的矛盾中。以下本人将在理论层面和现实案例对比中对此问题进行分析阐述。

岩土工程中软弱下卧层是指在建筑持力层以下，地基受力层范围内，其承载力显著低于持力层的高压缩性土。由于地基受力范围内软弱下卧层的存在，使得地基承载能力发生突变，上部土体自重在叠加上部建筑的附加压力后，若总压力值超过软弱下卧层的承载能力，软弱下卧层的土体将发生破坏，建筑地基发生非均匀变形，最终将危及建筑安全。因此，如地基受力层范围内存在软弱下卧层，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），需进行软弱下卧层承载力的验算。在上述验算公式5.2.7-1 中，软弱下卧层承载力的深度修正公式为：

式中：fak——软弱下卧层的天然地基承载力特征值，kPa；ηd——承载力修正系数，可根据软弱下卧层土体性质查表取值；γm——软弱下卧层顶面以上土的厚度加权平均重度，kPa；d——软弱下卧层层顶埋置深度，m。

公式中的参数fak、ηd、γm，可通过原位测试、室内土工试验和查表取值，较容易确定。但参数d 的取值确定受地形大幅变化的影响，其在削坡情况下的层顶埋深取值成为软弱下卧层验算的关键。非回填式削坡情况下局部地形大幅变化，软弱下卧层的层顶埋深应考虑原始状态下上覆土层对软弱土层的压缩固结作用而取值原始状态下的层顶埋深h0（m）还是考虑削坡施工后改变了基础边载作用而取值削坡后的层顶埋深h1（m），值得研究。

2 理论分析与实例分析

通过对前人理论原理模型各要素的推导分析，弄清各要素在地基极限承载力中的组成形式和组成权重，另外通过实际的工程案例分析，明确地基极限承载力的验算。

2.1 理论分析

从《土力学》的基础太沙基理论公式出发进行分析，太沙基地基承载力计算的基本理论假定如下[2]：

（1）基础的埋深不大于基础的宽度。

（2）基础底面以下土体时有自重的，即γ≠0。

（3）基础底面完全粗糙，基础与地基之间存在摩擦力。

（4）忽略底面以上土的抗剪强度，将基础底面以上的土当成作用在基础两侧的均布荷载q（q=γod，γo为基础底面以上土体的加权平均重度，d 为基础的埋置深度）。

（5）极限荷载作用下，地基发生整体剪切破坏。

太沙基理论公式分析方法为：刚体极限平衡法；分析模型为：将地基失稳时地基滑动简化为重力式挡土墙，分析其抗滑稳定性以确定承载力。太沙基地基滑动图见图1。

图1 太沙基地基滑动图

根据太沙基理论，基础底面与土体之间的摩擦力限制了基底土体的抗剪变形的发展，即图1（a）中基底下部的Ⅰ区处于弹性状态，为弹性区。弹性区中的AB、AB′与水平面的夹角等于土的内摩擦角φ。图1（a）中Ⅲ区为被动朗肯区，对平面AB、AB′产生被动土压力，Ⅱ区为过渡区，连接Ⅰ、Ⅲ区的滑动面为对数螺旋线。取弹性区为隔离体进行受力分析（如图b），进行竖直方向的受力平衡验算：

式中：Ca——作用在弹性区AB 和AB′平面上的黏聚力，C——土的黏聚力。Pp——作用在弹性区AB 和AB′平面上的被动土压力，其由三部分引起，分别为土的黏聚力C、基础两侧的均布荷载q 和土体的自重，并推导得出：

根据太沙基的假定和公式推导演化，我们可知地基极限承载力的影响因子受土体的强度指标（C、φ）控制，另外还受AB 和AB′平面上的被动土压力影响，该部分被动土压力来自于Ⅲ区的土体自重及其上表面受到的均布荷载q。结合工程实际，地基土体的极限承载力受地基受力范围内的土体强度指标（C、φ）控制，同时受基础两侧底面以上的荷载（即基础埋置深度范围内的土体自重）在滑动面上产生的抗力影响。随着基础埋深的增大，基础两侧土体的总自重增大，在基底弹性区的被动土压力也相应增大。非回填式削坡开挖改变了场地原始上覆土层结构，软弱下卧层的上覆土体自重因开挖而减小，导致基础两侧的上部均布荷载减小。由土的黏聚力C、基础两侧的均布荷载q 和土体的自重共同作用，所产生的作用于基底弹性区AB 和AB′平面上的被动土压力减小，最终导致软弱下卧层的极限承载力减小。因此，从岩土层承载力形成的机理，即太沙基公式理论层可知，在非回填削坡大开挖情况下，软弱下卧层的边载条件已然改变，上部土层的厚度因开挖而减小，作用于软弱下卧层顶面的土体自重荷载减小。软弱下卧层承载力验算参数的层顶埋深d 的取值应取削坡开挖后的现状埋置深度h1而非原始状态下的埋置深度。

2.2 工程实例分析

南宁某地进行住宅小区开发，场地原始地形为低山丘陵，项目区建设场地包含低山丘陵山脚及部分丘陵山体。为保证项目建设效果，项目建设基准面定为略低于山脚高程，项目场地需进行大面积削坡开挖以符合设计整平标高，开挖高度为0.5～9.0m，其中靠近山体的场地开挖高度最大为9.0m。根据勘察资料，平整后场地下伏地层资料如下：0.0～4.0m 为硬塑状黏土，天然重度r1=19.3kN/m3，天然地基承载力特征值为fak1=220kPa，土层压缩模量Es1=8.18MPa；4.0～6.0m 软～可塑状粉质黏土，天然重度r2=18.5kN/m3，天然地基承载力特征值为fak2=120kPa，土层压缩模量Es2=4.0MPa；基础底面附加荷载为Fk=1600kN，设计基础为方形独立柱基础，基础宽度b=2.0m，基础埋深1.5m，基础位置处软弱下卧层顶面距开挖前原地面高度为12.0m。

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）5.2.7 节，软弱下卧层承载力验算如下[1]：

Es1/Es2=8.18/4.0=2.05＜3.0，z/b=2.5/2=1.25，则地基压力扩散角为θ=23°；ηd=1.0。

Pcz=4×19.3=77.2（kPa）；

附加应力与上部土体自重应力为：Pz+Pcz=271.4（kPa）。

软弱下卧层经修正后的地基承载力特征值在不同的层顶埋深取值下将得出不同的验算结果：

（1）原始地面的软弱下卧层层顶埋置深度h0=12.0m，则经深度修正后的软弱下卧层承载力特征为：

faz1=fak+ηd×rm（d-0.5）

=120+1×19.3×（12-0.5）=332.9（kPa）

由faz1＞Pz+Pcz得出结论软弱下卧层承载力特征值满足上部结构要求。

（2）场地平整后，现状软弱下卧层层顶埋置深度h1=4.0m，则经深度修正后的软弱下卧层承载力特征为：

faz2=fak+ηd×rm（d-0.5）

=120+1×19.3×（4-0.5）=187.6（kPa）

由faz2＜Pz+Pcz得出结论软弱下卧层承载力特征值不满足上部结构要求。

同一工程场地条件下，不同的工程认识会选取不同的参数进行承载力验算，也因此得出了不同的结论。但若不在正确的理论指导下进行正确的工程计算会给工程建设带来很大风险，甚至可能危及建筑的安全。

3 载荷试验验证

3.1 试验要求

为确定软弱下卧层经深度修正后承载力特征值，拟采用深层平板载荷试验法对软～可塑状粉质黏土进行载荷试验，现场选取3 个点进行试验，设计修正后该层承载力特征值不小于272kPa。根据《建筑地基基础设计规范》（GB 5007—2011）要求，深层平板载荷试验的承压板采用0.8m 刚性板，紧靠承压板周围外侧的土层高度大于80cm，最大试验荷载大于设计要求的地基土承载力特征值的2 倍，即544kPa，共分10 级，且采用逐级等量加载，每级加载增量为50kPa，第一级加载量取分级荷载的2 倍，即为100kPa，每级加荷稳定后可加下一级荷载。

当出现下列情况之一时，可终止加载：①沉降s 急骤增大，荷载-沉降（p-s）曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且沉降量超过0.04d（d 为承压板直径）；②在某一级荷载下，24h 以内沉降速率不能达到稳定；③本级沉降量大于前一级沉降量的5 倍；④最大加载量不小于设计要求的2 倍。

3.2 试验成果分析

试验1 号点加至最大试验荷载450kPa，加载总历时1200min，周围地面出现轻微隆起，荷载-沉降（P-S）曲线上出现承载力陡降段，且沉降量超过0.04d，故终止加荷。此时承压板总沉降量为35.22mm。试验的极限荷载为400kPa，曲线比例界限对应的荷载为212kPa，大于极限荷载的一半，故本试验点承载力特征值取极限荷载的一半，即200kPa。

试验2 号点加至最大试验荷载450kPa，加载总历时1320min，荷载-沉降（P-S）曲线上出现承载力陡降段，且沉降量超过0.04d，故终止加荷。此时承压板总沉降量为34.57mm。试验的极限荷载为400kPa，曲线比例界限对应的荷载为198kPa，小于极限荷载的一半，故本试验点承载力特征值取比例界限，即198kPa。

试验3 号点加至最大试验荷载500kPa，加载总历时2840min，在该级荷载下，24h 内沉降速率不能达到稳定，故终止加荷。此时承压板总沉降量为39.46mm。试验的极限荷载为450kPa，曲线比例界限对应的荷载为232kPa，大于极限荷载的一半，故本试验点承载力特征值取极限荷载的一半，即225kPa。

本次深层平板载荷试验的3 个试验实测值的极差不超过平均值的30%，因此，取平均值作为该土层的承载力特征值，即207.7kPa。

深层平板载荷试验的刚性承压板紧靠周围外侧土层，试验过程已经模拟了基础底面以上土体荷载的边载条件，因此，其试验结果——软弱下卧层承载力特征值207.7kPa，已经包含了深度修正条件，即为faz值。该试验实测值faz=207.7kPa 较接近faz2=187.6kPa，远小于faz1=332.9kPa。这也从现场试验层面验证了软弱下卧层承载力与上部土体边载有较紧密的联系，其层顶埋置深度应取值现状地面埋置深度h1。

4 结语

工程建设中，岩土层的特性与建筑安全关系紧密，遵循土力学理论的正确岩土思维能指导正确的岩土工程计算，为工程建设的安全保驾护航。在非回填式削坡大开挖条件下，地基中若存在软弱下卧层，其承载力验算的参数d（软弱下卧层层顶埋深）的取值应取现状条件下的埋深。本文仅以浅薄的学识提出软弱下卧承载力的验算的观点，以供大家参考。