關于地基承載力設計問題探討

劉旭菲 曹芳霞

北京城市開發(fā)設計研究院有限公司 北京 100011

引言

近年來，地下室部分最底層只有交通核下沉進入地庫，其余部分不下沉的做法也越來越多（如圖1），由于設計難度大，缺少項目依據(jù)，所以，各個設計院的計算方法不盡相同，設計合理性有待考證，但設計依據(jù)和方法等在規(guī)范中并不明確。以北京市某住宅區(qū)項目為例，進行了多種方面的比較，根據(jù)工程實踐，針對如何確定地下室四周土體厚度不同時的基礎埋置深度取值問題、局部地下室地基承載力計算問題、復合地基抗震調(diào)整系數(shù)問題等，提出了一些分析方法和設計相關建議[1]。

圖1 建筑平面圖、剖面圖

1 工程概況

本項目地上18層，地下兩層局部三層，結(jié)構(gòu)類型為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設防烈度8度（0.20g），基礎形式為筏板基礎。依據(jù)地勘地層描述，本工程位于粉質(zhì)黏土層，地基承載力標準值150Kpa，由于地基承載力不滿足要求，所以本工程采用復合地基，其中部分住宅采用換填處理，部分住宅采用CFG樁處理。地下抗浮水位-2.5m。

2 計算分析

2.1 地基承載力進行深度修正與寬度修正的原因

對于地基承載力深度的修正，相較于載荷試驗，建筑基礎是有埋深的，基礎埋深范圍內(nèi)的土體重量就相當于作用在基礎地基旁邊的邊緣荷載，根據(jù)太沙基承載力理論，地基土的破壞是基礎的刺入破壞和圓弧滑動剪切破壞，但邊緣荷載的存在可以起到約束的作用，阻止地基土向側(cè)面滑動，增大了地基土抵抗剪切滑動應力的能力，從而表現(xiàn)為地基承載能力的提高。地基越深，地基四周土的約束作用就越大，抵抗地基土層隆起和剪切滑動的能力越強[5]。同時，允許基礎塑性區(qū)深度的開展，使地基土能承擔更大的剪切應力?？傮w來說，邊緣荷載（覆土約束效應）和允許地基土的塑性開展，是地基承載力深度修正的原因。

對于寬度的修正，相同的基底應力作用下，地基中的剪應力是相同的，但是基礎寬度越大，它的圓弧滑動面就越深越長，從而抵抗剪切滑動應力的能力就越強，表現(xiàn)為承載能力的提高[2]。

2.2 建筑地下室四周土體高度不同時基礎埋置深度取值的探討

建筑地下室四周土體高度不同時的基礎埋置深度取值，在很多資料中此種情況土層厚度取值說法不一，其中大家應用最廣的，是四周土體厚度取加權(quán)平均的方法，但是此種方法并不具有科學性和嚴謹性。關于地基承載力修正的原因在上文中已經(jīng)說明，地基承載力的計算問題，從1921年Prandtl對Kotter方程求解開始，眾多相關學者從各個方面進行過探討。近年來，建立在彈塑性邊界值問題基礎上的數(shù)值解法和滑移線法，雖然取得長足進展，但極限平衡法仍然是工程中的常用方法[3]。所以，根據(jù)土的極限平衡破壞機理和大量工程經(jīng)驗，土層破壞是在最薄弱的一側(cè)產(chǎn)生（如圖2），土的厚度取值，建議按最低的一側(cè)取值。

圖2 土體塑性發(fā)展與連續(xù)滑動面

示例工程中，地庫恒荷載平均值約90KN/m2，折算土層厚度取90/18=5.0m，三面臨土土體的厚度為6.9m和10.6m。所以按5.0m取值較為合理。

2.3 地基承載力計算

在地基承載力特征值的確定過程中強調(diào)變形控制，地基承載力特征值不再是單一的強度概念，而是一個滿足正常使用要求（即與變形控制相關）的土的綜合特征指標。它與上部結(jié)構(gòu)中的承載力概念有本質(zhì)的不同。

對地基土承載力進行深度修正的目的，是為了確定地基土的原有自重應力狀態(tài)下的實際承載力特征值。在考慮地下室、裙房等對基礎計算埋深的影響時，均可將其荷載重等效為計算埋深，但等效計算埋深不應大于基礎的實際埋深。

地基承載力計算時，基礎有高度差的情況，在計算承載力時應考慮無水工況，有水工況，有水工況又細分為：水位在地下三層底工況、水位在地下二層底工況、水位在高水-2.5m時的工況；各個工況計算出的地基承載力各不相同；根據(jù)《北京地區(qū)建筑地基基礎勘察設計規(guī)范》的要求，修正后的地基承載力計算公式為[3]。本示例中，基礎承載力寬度修正系數(shù)取0，地基承載力深度修正系數(shù)取1.0。地下二層基礎底標高為-6.900m，地下三層基礎底標高為-10.600m。土重度取值18KN/m3。

下面根據(jù)各個工況進行承載力計算：

2.3.1 無水工況或地下水位于地下三層底工況，地基承載力：

無水工況土的γ0取值18KN/m3，土體取地庫折算土厚5.0m，（5.0-1.5）=213Kpa

2.3.2 水位在地下二層底工況，地基承載力：

此時地下水水位高于地庫底板，在平均荷載折算為土層厚度時，折算的等效土體荷載應扣除地下水浮力。所以，地庫折算土厚d=(90-3.7x9.8)/18=2.99m。

2.3.3 水位在-2.5m時的工況，地基承載力：

此時地下水水位高于地庫底板，在平均荷載折算為土層厚度時，折算的等效土體荷載應扣除地下水浮力。所以，地庫折算土厚d=(90-8.1x9.8)/18=0.59m。

由于水位位于-2.5m時，上部荷載受到水浮力的影響相應地基反力值也有所下降，兩種作用情況相互抵消，所以，此種工況可以不在考慮的范圍內(nèi)。

綜上所述，示例工程地基修正后的承載力取176.82Kpa，不滿足上部建筑地基反力的要求，因此地基需要進行相應處理。根據(jù)土層分布，地基采用換填復合地基和CFG復合地基。復合地基承載力要求為270Kpa。從上述計算結(jié)果可見，在地基承載力計算時各個工況結(jié)果不同，水位在地下二層底工況的承載力最低，在設計計算時應考慮全面，否則容易造成安全隱患。

2.4 關于復合地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)計算

在《建筑抗震設計規(guī)范》第4.2.2條規(guī)定：天然地基基礎抗震時，應采用地震作用效應標準組合，且地基抗震承載力應取地基承載力特征值乘以地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)計算（地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)見規(guī)范4.2.3條）。在天然地基抗震驗算中，對地基土承載力特征值調(diào)整系數(shù)的規(guī)定，主要參考國內(nèi)外資料和相關規(guī)范的規(guī)定，考慮了地基土在有限次循環(huán)動力作用下，強度一般較靜強度提高和在地震作用下結(jié)構(gòu)可靠度容許有一定程度降低這兩個因素[2]。但規(guī)范并沒有給出復合地基相應的計算方法和要求，但是天然地基抗震承載力提高的原因，是動荷載下地基承載力比靜荷載高，和地震是小概率事件，地基的抗震驗算安全度可以適當降低，復合地基同天然地基相似，上述兩個因素筆者認為同樣適用。

當采用人工換填地基時，筆者認為地基的抗震承載力可以近似按《建筑抗震設計規(guī)范》第4.2.2條規(guī)定的內(nèi)容調(diào)整，可以在此基礎上進行適當?shù)恼蹨p，相應的地基承載力特征值取地基處理后，且經(jīng)過深寬修正后的地基承載力特征值。在建筑外圍邊緣處，應考慮處理后的人工換填地基與天然土體的交接情況，適當考慮此交接處附近的土體應力產(chǎn)生的徐變對地基實際承載力的影響。

當采用CFG復合地基時，因為目前沒有針對抗震組合條件下CFG樁復合地基承載力設計的研究成果，因此，《建筑抗震設計規(guī)范》未提供CFG樁復合地基調(diào)整系數(shù)。當沒有設計依據(jù)但需要考慮CFG樁復合地基抗震承載力提高時，可允許對樁間土及深度修正部分天然地基分擔的地基承載力fsk進行抗震承載力調(diào)整，調(diào)整后的承載力可按下式計算：若提高系數(shù)超過《建筑抗震設計規(guī)范》中4.2.3條計算值，應進行專門論證。

fspE－復合地基抗震承載力標準值（KPa）

fsk－處理后的樁間土標準值(KPa)

λ－單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可取0.8～1.0[4]

m－樁土面積置換率（%）

Ra－單樁豎向承載力標準值（KN）

AP－樁身橫截面面積（m2）

ζa－地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)

β－樁間土承載力折減系數(shù)，宜按經(jīng)驗取值，無經(jīng)驗時可取0.9～1.0[4]

γm－基礎底面以上土的平均重度，地下水位以下為浮重度（KN/m3）[1]

示例工程中，根據(jù)地基處理單位提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算fspE的值為322Kpa，所以，地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)取320/270=1.19。

當然，因為規(guī)范沒有明確規(guī)定，而且我們對復合地基的破壞機理研究也不充分，所以具體工程中是否可以考慮，還需要根據(jù)當?shù)氐木唧w情況特殊對待[5]。

3 結(jié)束語

本文探討了基礎深度修正與寬度修正的原因，針對地下室周圍土體高度不同情況，具體基礎埋置深度的取值問題給出的筆者的看法；對局部地下室情況的地基承載力提供了計算方法和相應的計算工況，地基承載力的計算上需多方面考慮，多工況包絡設計；在復合地基抗震調(diào)整系數(shù)的確定，筆者也提出了可實施的取值方法和計算公式。可以給予類似工程項目一些參考和啟發(fā)，供類似工程作為參考。