基礎(chǔ)剛度變化與軟弱下臥層對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的研究

薛萬(wàn)凱

0 引言

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)工程的重要性不言而喻?；A(chǔ)工程已成為影響建筑施工總工期和總造價(jià)的重要因素。在軟土地基地區(qū)高層建筑工程造價(jià)要占總造價(jià)的25%～40%，工期占1/3左右，因此對(duì)于基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要盡量把各種因素考慮進(jìn)去，一定要在保證強(qiáng)度的前提條件下，盡量降低造價(jià)。

1 基礎(chǔ)剛度變化對(duì)地基的影響

在這里按基礎(chǔ)的剛度不同，先討論柔性和剛性?xún)煞N極端的基礎(chǔ)。

1)柔性基礎(chǔ)。

所謂柔性基礎(chǔ)就是抗彎剛度很小，受荷載后基礎(chǔ)發(fā)生變形。它好比放在地上的柔軟薄膜，可以隨著地基的變形而任意彎曲?；A(chǔ)上任意點(diǎn)的荷載傳遞到基底時(shí)不可能向旁邊擴(kuò)散分布，就像直接作用在基礎(chǔ)上一樣。因此，柔性基礎(chǔ)的基底反力分布與作用于基礎(chǔ)的荷載分布一致，如圖1所示。

圖1 柔性基礎(chǔ)的基底反力和沉降

如果假設(shè)地基是均質(zhì)的彈性半空間，利用腳點(diǎn)法求得柔性基礎(chǔ)底面任意點(diǎn)的沉降。所得的計(jì)算結(jié)果以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，均布荷載下柔性基礎(chǔ)的基底沉降是中部大邊緣小，見(jiàn)圖1a)。由此可見(jiàn)，缺乏剛度的基礎(chǔ)，由于無(wú)力調(diào)整基底的不均勻沉降，就不可能使傳至基底的荷載改變其原來(lái)的分布情況。如果要使柔性基礎(chǔ)底面沉降一致的話(huà)就必須增加基礎(chǔ)邊緣處的荷載，減小基礎(chǔ)中部的荷載，見(jiàn)圖1b)。

2)剛性基礎(chǔ)。

所謂剛性基礎(chǔ)就是抗彎強(qiáng)度很大，受外力荷載后不變形，因此基礎(chǔ)底面沉降后能保持平面。如基礎(chǔ)的荷載合力通過(guò)基底形心，剛性基礎(chǔ)將迫使基底各點(diǎn)同步、均勻下沉。這樣根據(jù)以上柔性基礎(chǔ)沉降均勻時(shí)基底反力分布不均的論述，可以推斷中心荷載在剛性基礎(chǔ)基底反力的分布也應(yīng)該是邊緣大中間小，見(jiàn)圖2a)，而當(dāng)荷載為偏心荷載，見(jiàn)圖2b)，沉降后基底向一側(cè)傾斜。這是因?yàn)閯偠然A(chǔ)，剛度很大，受荷載后不會(huì)變形，迫使基底沉降趨于均勻的同時(shí)，也使基底壓力發(fā)生由中部向邊緣轉(zhuǎn)移(跨越作用)。另外圖中的基底反力是按均質(zhì)彈性半空間理論求得的反力，在基底邊緣處其值是無(wú)限大的(如圖2中的實(shí)線(xiàn)所示)，但實(shí)際中由于地基局部剪切破壞邊緣處的接觸壓力不可能超過(guò)一個(gè)數(shù)值，因而發(fā)生應(yīng)力重分布，基底的應(yīng)力為虛線(xiàn)所畫(huà)的馬鞍形。

圖2 剛性基礎(chǔ)的基底反力和沉降

基礎(chǔ)在架越作用和土中塑性區(qū)的開(kāi)展而發(fā)生應(yīng)力重分布的兩方面作用影響下，基底反力隨著上部荷載的加大，鄰近基底邊緣的塑性區(qū)擴(kuò)大，所增加的荷載必須靠基底中部反力的增加來(lái)平衡，于是反力圖可以由馬鞍形變成拋物線(xiàn)形。但是一般來(lái)說(shuō)，由于設(shè)計(jì)中基底的截面尺寸足夠大，基底反力應(yīng)力分布圖基本呈馬鞍形。

3)基礎(chǔ)相對(duì)剛度的影響。

以上討論了基礎(chǔ)的兩種極限形式，可以得出地基與基礎(chǔ)的相互作用，即基底反力與基礎(chǔ)的架越作用有關(guān)，而架越作用的強(qiáng)弱取決于基礎(chǔ)與地基的相對(duì)剛度、土的壓縮性以及基底下塑性區(qū)的大小，見(jiàn)圖3。

從圖3a)我們可以看出粘土地基上相對(duì)剛度很大的基礎(chǔ)，如土中不存在塑性區(qū)或其范圍相對(duì)很小，則基礎(chǔ)的架越作用很強(qiáng)。剛性基礎(chǔ)基底反力的分布只與基礎(chǔ)荷載合力的大小和作用位置有關(guān)，而與荷載的分布情況無(wú)關(guān)。當(dāng)偏心荷載很大的時(shí)候就如同圖3b)。如果柔性基礎(chǔ)位于基巖之上或者地基土壓縮性很低時(shí)，其跨越作用就很小了，見(jiàn)圖3c)。

圖3 基礎(chǔ)相對(duì)剛度對(duì)架越作用的影響

2 軟弱下臥層對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響

對(duì)任何建筑物的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均需滿(mǎn)足承載力的要求。實(shí)際工程中常常碰到地基較為復(fù)雜的情況，其中成層地基中的軟弱下臥層就是一種常見(jiàn)的情況。GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)?shù)鼗写嬖谲浫跸屡P層時(shí)，除了驗(yàn)算持力層承載力之外，還必須驗(yàn)算軟弱下臥層承載力，公式如下:

Pz+Pcz＜ fz。

其中，Pz為軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力設(shè)計(jì)值，kPa;Pcz為軟弱下臥層頂面處土的自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;fz為軟弱下臥層頂面經(jīng)深度修正后地基承載力設(shè)計(jì)值，kPa。

如果軟弱下臥層強(qiáng)度(承載力)不滿(mǎn)足上式要求，基礎(chǔ)的沉降可能會(huì)較大或地基產(chǎn)生剪切破壞。國(guó)內(nèi)外眾多的工程事故已充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。若軟弱下臥層的驗(yàn)算不滿(mǎn)足要求，就要對(duì)軟弱下臥層進(jìn)行處理，處理方法通常有下列三種方案:

1)加大基礎(chǔ)底面積，減小基底壓力，從而減小地基中的附加應(yīng)力;2)對(duì)軟弱下臥層進(jìn)行處理，即提高軟弱下臥層承載力;3)加大基礎(chǔ)埋深，即將基底落在滿(mǎn)足承載力要求的那層土上。

3 基礎(chǔ)剛度變化與軟弱下臥層對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響在實(shí)際工程的應(yīng)用

以四平某企業(yè)辦公樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為例。因?yàn)樵摴こ逃熊浫跸屡P層(如圖4所示)，所以在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中采用了兩種不同的基礎(chǔ)類(lèi)型:一種是獨(dú)立基礎(chǔ)，另一種是條形基礎(chǔ)，獨(dú)立基礎(chǔ)作用在第③層土中(作用在②層土中軟弱下臥層的驗(yàn)算不滿(mǎn)足)，條形基礎(chǔ)作用在②土層中。

1)獨(dú)立基礎(chǔ)。把獨(dú)立基礎(chǔ)作用在第③層土中，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5，圖6。

圖4 工程地質(zhì)剖面圖

圖5 基礎(chǔ)平面圖

圖6 基礎(chǔ)剖面圖

2)條形基礎(chǔ)。把條形基礎(chǔ)作用在第②層土上，經(jīng)計(jì)算得圖7，圖8。

圖7 條形基礎(chǔ)平面圖

圖8 條形基礎(chǔ)剖面圖

經(jīng)過(guò)沖切驗(yàn)算和軟弱下臥層驗(yàn)算均滿(mǎn)足要求。

經(jīng)過(guò)對(duì)比驗(yàn)算利用條形基礎(chǔ)較合理。因?yàn)闂l形基礎(chǔ)整體剛度加大，抗彎能力加大，因此配筋比獨(dú)立基礎(chǔ)小很多，截面也小很多，而且埋深比獨(dú)立基礎(chǔ)要潛的多，造價(jià)減少了大約30萬(wàn)元。

[1]吳湘興，楊小平.建筑地基基礎(chǔ)[M].南京:華南理工大學(xué)出版社，2002.

[2]袁聚云，李鏡培，樓曉明.基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)原理[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2001.

[3]康谷貽.混凝土結(jié)構(gòu)(上冊(cè))[M].北京:中國(guó)建筑出版社，2002.

[4]李智毅，楊裕云.工程地質(zhì)學(xué)概論[M].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2004.

[5]GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].