抗震設(shè)防烈度為6度地區(qū)的常規(guī)建筑基礎(chǔ)最小埋深討論

周含川，張朝

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶400015）

抗震設(shè)防烈度為6度地區(qū)的常規(guī)建筑基礎(chǔ)最小埋深討論

周含川，張朝

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶400015）

通過(guò)公式推導(dǎo)和算例對(duì)比分析抗震設(shè)防烈度為6度地區(qū)常規(guī)建筑（200m高度內(nèi)不同高度、各場(chǎng)地類別、各種地基情況、不同平面形狀滿足規(guī)范高寬比的鋼筋混凝土房屋、結(jié)構(gòu)形式為框架、框架剪力墻、剪力墻等）在罕遇地震和50年一遇風(fēng)荷載作用下基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性，以確定基礎(chǔ)最小埋深。結(jié)果表明，基礎(chǔ)無(wú)需埋深時(shí)，絕大多數(shù)建筑抗傾覆穩(wěn)定性滿足，絕大多數(shù)建筑抗滑移穩(wěn)定性滿足。建筑高度增加一般并不需要增加基礎(chǔ)埋深。提出抗震設(shè)防烈度為6度地區(qū)常規(guī)建筑基礎(chǔ)最小埋深的設(shè)計(jì)建議。

基礎(chǔ)埋深；6度設(shè)防；抗滑移；抗傾覆；基礎(chǔ)最小埋深

0　引言

建筑物基礎(chǔ)埋深是重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011第5章［1］對(duì)基礎(chǔ)埋深的規(guī)定，要求抗震地區(qū)淺基礎(chǔ)埋深不宜小于建筑高度H/15，樁基礎(chǔ)不小于H/18?！度珖?guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施2009（地基基礎(chǔ)）》第5章對(duì)基礎(chǔ)埋深的要求為高層建筑天然地基或者復(fù)合地基可取H/ 18，且不宜小于3m，樁基礎(chǔ)可取1/20［2］。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011條文說(shuō)明，基礎(chǔ)埋深規(guī)定的主要依據(jù)為8度設(shè)防地區(qū)對(duì)地基滑動(dòng)破壞驗(yàn)算得到的結(jié)論［3］。低烈度地區(qū)并未給出說(shuō)明。設(shè)計(jì)實(shí)踐中，有的地方低烈度地區(qū)也強(qiáng)制執(zhí)行埋深H/15的要求，例如一個(gè)100m高層基礎(chǔ)埋深按H/15需要約7m埋深，可能造成不必要的浪費(fèi)［4］。

1　研究范圍和假定

建筑物基礎(chǔ)的埋深主要考慮以下幾個(gè)主要因素：建筑的用途，有無(wú)地下室、設(shè)備基礎(chǔ)和地下設(shè)施，基礎(chǔ)的形式和構(gòu)造；作用在地基上的荷載大小和性質(zhì)；工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件；相鄰建筑物的基礎(chǔ)埋深；地基土凍脹和融陷。很多時(shí)候，特別是高層建筑荷載因素對(duì)基礎(chǔ)埋深起控制作用。為確保建筑物在水平荷載下抗傾覆穩(wěn)定性和抗滑移穩(wěn)定性，建筑物的水平荷載主要為地震作用、風(fēng)荷載作用和側(cè)向土壓力作用。

水平荷載及作用考慮以下范圍：地震作用主要討論6度設(shè)防地區(qū)，采用罕遇地震進(jìn)行驗(yàn)算。風(fēng)荷載取值為具代表性，基本風(fēng)壓取50年一遇全國(guó)覆蓋率達(dá)97.3%的較大值0.9kN/m2，風(fēng)壓高度系數(shù)根據(jù)A類、B類、C類、D類場(chǎng)地取不利值。側(cè)向土壓力的影響主要體現(xiàn)為非對(duì)稱土壓力的影響，不屬于普遍情況，暫不考慮。

分別考慮I0～I(xiàn)V類場(chǎng)地。

地基巖土類別參考地基基礎(chǔ)手冊(cè)中常見(jiàn)類別，主要為砂土、粘性土、碎石土、巖石等。不考慮淤泥土等特殊土體。

建筑結(jié)構(gòu)類型為常用的結(jié)構(gòu)類型：框架、框架剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)。為盡量接近實(shí)際情況，60m以下采用框架結(jié)構(gòu)，60m以上采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，穩(wěn)定性好于同等情況下框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

建筑平面形狀的影響，通過(guò)算例對(duì)比了10層框架結(jié)構(gòu)幾種典型幾何形狀。

為體現(xiàn)高度、層數(shù)的影響，建筑層高考慮為4m，樓層數(shù)從1層到50層（超過(guò)50層或200m的建筑一般須進(jìn)行抗震專項(xiàng)審查，埋深問(wèn)題都會(huì)專門(mén)分析）。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范抗滑移安全系數(shù)為1.3，抗傾覆安全系數(shù)為1.6。

主要討論在常規(guī)情況下的基礎(chǔ)最小埋深問(wèn)題。建筑基礎(chǔ)埋深問(wèn)題還涉及到如地下水、相鄰建筑埋深關(guān)系、地基凍脹、砂土液化等問(wèn)題，不屬于討論內(nèi)容。

2　抗滑移分析

建筑基礎(chǔ)的抗滑力由基礎(chǔ)與地基摩擦力、基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力及基礎(chǔ)與地基的粘聚力等構(gòu)成。為簡(jiǎn)化分析，基礎(chǔ)無(wú)埋深時(shí)只考慮基礎(chǔ)與地基的摩擦力。摩擦力按庫(kù)倫定律由地基抗剪強(qiáng)度確定。

2.1地震作用時(shí)

非粘性土滑移破壞時(shí)為平面滑動(dòng)，根據(jù)力的平衡方程：

其中R為抗滑力，A為基礎(chǔ)底面面積，Gk為建筑豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值，φ為土的內(nèi)摩擦角

Geq（重力荷載代表值）取值略小于Gk，偏安全取Geq=Gk，則有Gktanφ≥1.3α1Gk，消去Gk簡(jiǎn)化為：tanφ≥1.3α1

可以看出，罕遇地震作用下建筑抗滑移穩(wěn)定與地基的抗剪參數(shù)和建筑自振周期相關(guān)。

作為建筑持力層的土分為粘性土和非粘性土，其力學(xué)指標(biāo)取值范圍見(jiàn)表1。

表1　砂土物理力學(xué)指標(biāo)

砂土忽略其黏聚力，內(nèi)摩擦角取最小值，因此：tanφ= tan28=0.53>1.3αmax=1.3x0.28=0.364≥1.3α1。都能滿足抗滑移要求。

對(duì)于粘性土滑動(dòng)破壞面一般為曲面，工程計(jì)算中假定滑動(dòng)面為圓弧面采用瑞典條分法或畢肖普法進(jìn)行計(jì)算，按平面問(wèn)題進(jìn)行考慮。取上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的基礎(chǔ)壓力等于地基承載力fa大震作用下的水平力為faxαmax，其中αmax取0.28［5］，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1　均布豎向抗滑移計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2　梯形豎向抗滑移計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖形三角形豎向抗滑移計(jì)算簡(jiǎn)圖

粘性土力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表2［6］。

表2　粉土、粘性土物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)公式fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck地基承載力主要與粘土的容重、基礎(chǔ)寬度、基礎(chǔ)埋深、粘聚力和內(nèi)摩擦角相關(guān)。由于不考慮埋深，去除一個(gè)變量，基礎(chǔ)寬度和土容重對(duì)基礎(chǔ)強(qiáng)度的影響較小，相對(duì)于粘聚力和內(nèi)摩擦角不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的影響。取b為6m，γ為20，主要考慮粘聚力和內(nèi)摩擦角，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，地基承載力取值范圍為100～500kPa的不同粘聚力和內(nèi)摩擦角組合，進(jìn)行抗滑移計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)均大于1.3（見(jiàn)表3）。

表3　不同粘聚力和內(nèi)摩擦角下的抗滑移穩(wěn)定

考慮豎向荷載非均勻布置對(duì)抗滑移的影響。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，非均布荷載時(shí)最大地基壓力不大于1.2fa，分別考慮取一端為1.2fa，另一端0.8fa的梯形荷載（見(jiàn)圖2）以及一端1.2fa，另一端0的三角形荷載（見(jiàn)圖3）。結(jié)果表明，偏心荷載對(duì)地基穩(wěn)定有一定影響，但影響較?。ㄒ?jiàn)表4）。

表4　偏心荷載對(duì)地基抗滑移穩(wěn)定的影響

考慮基礎(chǔ)寬度對(duì)抗滑移穩(wěn)定的影響（見(jiàn)表5）?；A(chǔ)尺寸對(duì)抗滑移穩(wěn)定的影響較大，相同情況下基礎(chǔ)尺寸越大，抗滑移穩(wěn)定性越好。

表5　粘性土基礎(chǔ)寬度對(duì)罕遇地震地基抗滑移穩(wěn)定的影響

綜上所述，對(duì)于淺基礎(chǔ)，持力層砂土及粘土均確?？够品€(wěn)定。

對(duì)于樁基礎(chǔ)，由于樁周土的約束作用及樁底的摩擦力一般可滿足抗滑移穩(wěn)定，當(dāng)承臺(tái)下為軟弱土層或液化土層時(shí)，需驗(yàn)算樁身在大震下抗剪承載力。樁身抗剪切承載力截面條件為αG≤0.25fA，A為樁身截面積，為滿足樁身強(qiáng)度要求A=eqc代入上式得αG≤0.25fγ，γ=1.3，α≤α=0.28，故樁身抗剪eqcmax截面條件肯定滿足。當(dāng)α較大時(shí)，需按抗剪要求計(jì)算配置箍筋。

前述公式推導(dǎo)可知，6度設(shè)防地區(qū)抗滑移穩(wěn)定主要與基礎(chǔ)和地基間摩擦力及水平作用大小相關(guān)，與建筑平面形狀、基礎(chǔ)土壓力分布、結(jié)構(gòu)形式、荷載大小有關(guān)系，但均滿足抗滑移穩(wěn)定要求。建筑高度影響了地震力的相對(duì)大小，從而間接影響抗滑移穩(wěn)定，隨著建筑增高，自振周期變長(zhǎng)，地震力與重力的比值下降，抗滑移穩(wěn)定性有所提高。

2.2風(fēng)荷載作用時(shí)

風(fēng)荷載簡(jiǎn)化為倒三角荷載，基底摩擦系數(shù)取最小值0.25，風(fēng)壓高度系數(shù)根據(jù)A類、B類、C類和D類場(chǎng)地取大值，風(fēng)振系數(shù)按規(guī)范取值［7］（見(jiàn)表6）。

表6　風(fēng)荷載下抗滑移穩(wěn)定分析樓層數(shù)

可見(jiàn)在風(fēng)荷載作用下，各高度建筑抗滑移穩(wěn)定性足夠。

3　抗傾覆分析

抗傾覆分析地震作用取6度（第一組）大震，場(chǎng)地類別為IV類，風(fēng)荷載基本風(fēng)壓取0.9kN/m2，地面粗糙類別為A類。為體現(xiàn)較不利情況，選取高寬比較大的情況，60m以下，取2跨8.1m柱網(wǎng)，60～200m高度建筑平面取3跨8.1m柱網(wǎng)，最大高寬比8.2。通過(guò)SATWE軟件建模計(jì)算，調(diào)整模型確保軸壓比及小震作用下位移角滿足規(guī)范要求，風(fēng)荷載下位移角可以大于規(guī)范要求（見(jiàn)表7）。

表7　高度不同建筑的抗傾覆對(duì)比

算例中6度設(shè)防地區(qū)地震作用為抗傾覆的控制工況。很明顯，隨著建筑高度增加抗傾覆力矩與傾覆力矩比并不呈線性趨勢(shì)，但均大于1.6，滿足抗傾覆要求。

根據(jù)抗震規(guī)范要求，高寬比大于4的建筑，基礎(chǔ)底面不出現(xiàn)脫離區(qū)，其他建筑脫離區(qū)不超過(guò)基礎(chǔ)底面面積的15%。從算例結(jié)果看，滿足規(guī)范該條要求的地震作用下傾覆力矩比均大于1.6。

為了分析建筑平面形狀對(duì)抗傾覆的影響，對(duì)比分析層高4m的10層框架結(jié)構(gòu)以下幾種典型的平面形狀，其他條件同上例（見(jiàn)圖4）。

圖4　10層框架結(jié)構(gòu)不同平面形狀建筑抗傾覆對(duì)比分析

模型A與B形狀差別大，最小高寬比相同，抗傾覆力矩相差不大；模型C、D、E、F形狀區(qū)別較大，最小高寬比差不多，傾覆力矩比相差不大，影響抗傾覆穩(wěn)定的主要因素是高寬比而不是形狀（見(jiàn)表8）。

表8　10層框架結(jié)構(gòu)不同平面形狀建筑抗傾覆對(duì)比分析

前述分析說(shuō)明風(fēng)荷載作用下抗傾覆安全系數(shù)較高，下面僅分析地震作用下高寬比對(duì)抗傾覆的影響。進(jìn)行如下簡(jiǎn)化分析：基底角部剛出現(xiàn)零應(yīng)力，僅考慮豎向構(gòu)件作用，不考慮框架梁、連梁等水平抗側(cè)力構(gòu)件作用（見(jiàn)圖5）。

高寬比對(duì)抗傾覆穩(wěn)定的影響關(guān)系圖形類似反應(yīng)譜圖形翻轉(zhuǎn)，自振周期比特征周期長(zhǎng)時(shí)，地震作用減小，高寬比可以更大。對(duì)沒(méi)有埋深的建筑，當(dāng)不滿足上圖要求時(shí)應(yīng)復(fù)核大震下的抗傾覆穩(wěn)定，應(yīng)調(diào)整設(shè)計(jì)滿足抗傾覆要求。

從圖5可以看到，對(duì)于高寬比大于1.8且自振周期小于特征周期的建筑（高寬比大但總高度不高的建筑）1/15H埋深是否能保證抗傾覆安全還有待證明。建議還是通過(guò)設(shè)計(jì)確?？箖A覆安全。

結(jié)構(gòu)類型的影響主要表現(xiàn)為能提供較高抗側(cè)力剛度的結(jié)構(gòu)體系抗傾覆穩(wěn)定性更好。

圖5　高寬比與傾覆力矩比的關(guān)系（僅考慮豎向構(gòu)件作用時(shí)）

4　結(jié)論

6度設(shè)防地區(qū)200m高度內(nèi)的常規(guī)建筑（坡地建筑除外），在滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求（除埋深要求外）條件下，埋深大小對(duì)建筑物抗滑移穩(wěn)定性影響不顯著。

建議一般建筑的基礎(chǔ)埋深，在滿足構(gòu)造和功能要求下，可以不必考慮基礎(chǔ)埋深與建筑高度成正比的關(guān)系。

［1］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［2］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施2009結(jié)構(gòu)（地基與基礎(chǔ)）［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

［3］張?jiān)诿?，陳?高層建筑地基整體穩(wěn)定性與基礎(chǔ)埋深關(guān)系的研究［J］.工程勘察，1994（06）.

［4］韓小雷，季靜，李麗榮.地震作用下高層建筑箱（筏）基礎(chǔ)埋深探討［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，28（9）：93-98.

［5］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［6］林宗元.簡(jiǎn)明巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003：90-91.

［7］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB50009-2012建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Study on Minimum Embedded Foundation Depth of Conventional Buildings in Regionswith Seismic Fortification Intensity of Six Degree

Through formula derivation and sample studies，the foundation anti-sliding stability and anti-overturning stability of the conventionalbuildings in regionsw ith seism ic fortification intensity of six degree are studied under conditions of rare earthquake and w ind load occurring in 1/50 years. The study show s that the anti-sliding stability ofmostbuildings are qualified when the foundation needs no embedded depth，and no further foundation embedded depth isnecessaryw ith the increaseofbuilding height.Somedesign advicesarealso presented for similar projects.

embedded foundation depth；seism ic fortification intensity of six degrees；anti-sliding；anti-overturning；m inimum embedded foundation

TU 3

A

1671-9107（2015）03-0023-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2015.03.023

2014-10-28

周含川（1977-），男，云南昭通人，研究生，高級(jí)工程師，主要從事高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。