天然地基承載力特征值修正時地下水位取值

翟延彬

（河南省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450014）

0 引言

在實(shí)際工程中，天然地基承載力特征值計(jì)算與土層分布、地下水及建筑類型等因素密切相關(guān)[1-2]。當(dāng)建筑基礎(chǔ)寬度超過3m或基礎(chǔ)埋深超過5m時，建筑天然地基承載力驗(yàn)算應(yīng)對天然地基承載力的特征值進(jìn)行深寬修正[3-4]。特別當(dāng)主群樓附有裙房時情況更復(fù)雜[5-6]。對于主群樓一體的結(jié)構(gòu)，按超載折算基礎(chǔ)兩側(cè)的裙房作為基礎(chǔ)埋深[7-8]。如果涉及基礎(chǔ)埋深較深時，如高層建筑、含多層地下建筑等，在基礎(chǔ)和地基設(shè)計(jì)中需綜合考慮地下水的影響[9-10]。建筑物從開始建設(shè)一直到全壽命使用期內(nèi)，地下水位埋深不斷變化[11]。單純驗(yàn)算最低水位和最高水位時的天然地基承載力已無法滿足地下水位變化時的地基承載力要求[12]。地下水位的取值直接影響天然地基承載力特征值能否滿足建筑物的基底壓力，從而確定建筑物能否采用天然地基[13]。

本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，在建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，按照不同超載情況，結(jié)合施工、使用等不同階段工況，從理論上對天然地基承載力特征值進(jìn)行計(jì)算，以判斷能否滿足建筑物上部荷載要求，并對建筑物變形進(jìn)行驗(yàn)算。

1 工程概況及場地條件

某工程擬建建筑物包括1層通體地下車庫、9棟地上6層地下2層住宅樓。主樓和地下車庫均采用筏板基礎(chǔ)，地下車庫基礎(chǔ)與主樓不相連。場地地面標(biāo)高85.000～85.800m，主樓正負(fù)零標(biāo)高為90.450m，室外地坪標(biāo)高為89.450m，基底標(biāo)高為81.050m，地下車庫基底標(biāo)高為81.250m。依據(jù)總平面布置圖和勘察任務(wù)書，詳勘階段巖土工程勘察工作共布置76個勘探點(diǎn)。

1.1 地質(zhì)條件

場地內(nèi)地層條件如表1所示。

表1 場地土層土性及承載力特征值

1.2 場地地下水類型及賦存狀態(tài)

根據(jù)地下水的埋藏條件及分類特征，本場地勘探鉆孔鉆深范圍內(nèi)地下水類型為潛水。粉土和粉質(zhì)黏土層為弱透水層，砂土層為強(qiáng)透水層。

在不考慮周邊市政路、建筑工地基坑降排水影響時，潛水水位主要受大氣降水及地表河流等補(bǔ)給的影響。根據(jù)氣象資料，7月中旬至10月上旬為豐水期，12月至次年2月為枯水期。

勘察期間，鉆孔孔內(nèi)測量穩(wěn)定水位絕對高程為79.400m。根據(jù)周邊附近場地水文資料顯示，本擬建場地近3～5年最高水位絕對高程為82.500m。因此本擬建項(xiàng)目抗浮設(shè)計(jì)水位，應(yīng)按使用周期內(nèi)最高水位或五十年一遇最高地下水位進(jìn)行，本場地抗浮設(shè)計(jì)水位可采用絕對高程為84.000m。

1.3 場地和地基的地震效應(yīng)

按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）[14]的規(guī)定，本場地屬于對建筑抗震不利地段。本場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地的設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g；由于場地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)特征周期為0.55s。

根據(jù)場地標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的液化判別結(jié)果，采用“先橫后縱，綜合判別”的原則，判定在7度地震條件下本場地第[3]層為液化土層，液化等級為輕微液化。

2 地下車庫天然地基評價

擬建地下車庫采用天然地基筏板基礎(chǔ)，框架結(jié)構(gòu)，最大單柱荷載4 500kN，柱網(wǎng)間距8.4m×8.4m，標(biāo)準(zhǔn)組合下基底壓力65kPa，恒荷載按40kPa考慮。室外地坪標(biāo)高為89.450m，地下車庫基底標(biāo)高為81.250m，以61號勘探點(diǎn)為例，基礎(chǔ)持力層為第[4]層粉質(zhì)黏土，其天然地基承載力特征值為110kPa，大于地下車庫基底壓力，因此地下車庫可以采用天然地基筏板基礎(chǔ)。

在驗(yàn)算地下車庫抗浮穩(wěn)定性時，勘察報告建議本場地抗浮設(shè)防水位為84.000m，地下車庫受到水浮力為27.5kPa，恒荷載為40.0kPa大于水浮力，無需采用抗浮措施。

按照GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]的規(guī)定，對地下車庫按式（1）和（2）進(jìn)行回彈再壓縮變形驗(yàn)算：

式中：sc為地基土的回彈變形量（mm）；pc為基礎(chǔ)底面以上各層土的自重壓力，取72kPa；Eci為回彈模量，取土工試驗(yàn)中相應(yīng)力段的數(shù)值；zi，zi-1分別為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離（m）；，i-1分別為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)的平均附加應(yīng)力系數(shù)；φc為回彈量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.0。

式中：s'c為地基土的再壓縮變形量（mm）；r'0為土的臨界再壓縮比率，相應(yīng)于再壓縮比率與再加荷比關(guān)系曲線上的兩段線性交點(diǎn)對應(yīng)的再壓縮比率；R'0為臨界再加荷比，相應(yīng)于再壓縮比率與再加荷比關(guān)系曲線上的兩段線性交點(diǎn)對應(yīng)的再加荷比；r'R-1.0為對應(yīng)于再加荷比R'=1.0時的再壓縮比率，其值等于回彈再壓縮變形增大系數(shù)；p為再加荷的基底壓力，取65kPa。

場地地面標(biāo)高85.000～85.800m，地下車庫基底標(biāo)高81.250m，地下車庫部位為超補(bǔ)償基礎(chǔ)，地基土?xí)a(chǎn)生回彈再壓縮變形，計(jì)算地下車庫基礎(chǔ)的回彈再壓縮平均沉降量為9.44mm，整體傾斜為7.6×10-6，小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.3.4中規(guī)定值0.004，滿足規(guī)范要求。

3 主樓天然地基評價

以場地南側(cè)1號樓為例進(jìn)行天然地基承載力評價和變形驗(yàn)算。1號樓地上6層，地下1層，基礎(chǔ)平面尺寸54.0m×15.0m，基底標(biāo)高81.050m，基礎(chǔ)持力層為第[4]層粉質(zhì)黏土。該樓東、西、北三側(cè)為地下車庫，南側(cè)沒有建筑物，主樓、車庫埋深如圖1所示。該樓基底壓力為150kPa。

圖1 主樓、車庫埋深

3.1 地基承載力特征值修正

按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對天然地基土的承載力特征值按公式（3）進(jìn)行深寬修正：

式中：fa為經(jīng)深寬修正后的地基承載力特征值；fak為天然地基承載力特征值；ηb，ηd分別為基礎(chǔ)寬度和埋置深度的修正系數(shù)；γ為基底以下土的重度（kN/m3）；b為基礎(chǔ)底面寬度（m）；γm為基底以上土層的加權(quán)平均重度（kN/m3）；d為基礎(chǔ)埋置深度（m）。

該項(xiàng)目主群樓為一體結(jié)構(gòu)，對于主樓地基承載力的深度修正，應(yīng)將基礎(chǔ)底面標(biāo)高以上范圍內(nèi)的荷載按基礎(chǔ)兩側(cè)的超載考慮，當(dāng)超載寬度超過基礎(chǔ)寬度2倍時，可將該超載按土重度折算成土層厚度作為基礎(chǔ)埋深，如果基礎(chǔ)的兩側(cè)超載不同時應(yīng)取小值。

當(dāng)主樓周邊的附屬建筑基礎(chǔ)處于超補(bǔ)償狀態(tài)，且其與主樓不能形成剛性整體結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮由此造成主樓基礎(chǔ)側(cè)限力的永久性削弱及其對地基承載力的影響。

地下水位應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)不同時期、地下水位的實(shí)際埋深進(jìn)行取值。

3.2 天然地基承載力驗(yàn)算

在對地基土承載力特征值進(jìn)行深寬修正時，地下水位取值按工程建設(shè)期分3種情況，并對各種情況分別進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算。

3.2.1 建設(shè)期

工程開工時，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钗挥诨A(chǔ)底標(biāo)高以下時，地下水不影響基坑開挖和工程建設(shè)，不用采取降低水位措施，天然地基承載力修正時地下水位按建設(shè)期地下水穩(wěn)定水位。當(dāng)?shù)叵滤晃挥诨A(chǔ)底標(biāo)高以上時，應(yīng)在基坑開挖前對場地地下水采取人工降水措施，以滿足工程需要。根據(jù)規(guī)范要求，建筑物施工過程中地下水水位應(yīng)保持在基坑底面以下1.0m。

本工程建設(shè)期對天然地基承載力驗(yàn)算取勘察時實(shí)測地下水位79.400m。地下水位標(biāo)高低于主樓基底標(biāo)高，地下水對工程建設(shè)無影響，工程建設(shè)期不需降低水位。按照公式（3）對第[4]層粉質(zhì)黏土進(jìn)行深寬修正，ηb，ηd分別取 0.3，1.6，γ，γm分別取 18.2，17.8kN/m3，地下車庫按恒荷載40kPa折算土層厚度，折算高度自主樓基底起為2.45m，該處絕對標(biāo)高為83.500m，小于室外地坪標(biāo)高，因此經(jīng)計(jì)算fa=181.6kPa，大于基底壓力，天然地基承載力特征值滿足上部荷載要求。

3.2.2 建成后3～5年

建設(shè)后期，根據(jù)工程進(jìn)度，設(shè)計(jì)單位按照場地穩(wěn)定水位進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)建筑物上部荷載大于地下水產(chǎn)生的浮力時，可停止降水。至建筑物建成后使用初期，地下水在不受人工降水影響下，地下水位逐步恢復(fù)到原來的水位標(biāo)高，此時應(yīng)按照場地近3～5年最高水位絕對標(biāo)高82.500m對天然地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

農(nóng)村留守兒童長期與父母分離，大部分兒童與爺爺奶奶居住在農(nóng)村，學(xué)業(yè)無人監(jiān)管，不僅給留守兒童心理造成陰影，而且還因缺乏家庭輔導(dǎo)，導(dǎo)致留守兒童學(xué)習(xí)成績差，自我約束不足，沒有養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。有的農(nóng)村家長向留守兒童灌輸“學(xué)習(xí)無用論”，對孩子學(xué)習(xí)的期待并不高，從而讓孩子早早地就走上外出務(wù)工的道路。

由于地下水位高于主樓和地下車庫埋深，則主樓和地下車庫均受到浮力作用，按照式（3）對第[4]層粉質(zhì)黏土進(jìn)行深寬修正，ηb，ηd分別取 0.3，1.6，γ，γm分別取8.2，14.8kN/m3，主樓考慮水浮力后基底壓力為135.5kPa，車庫恒荷載減去水浮力后超載值為27.5kPa，折算土層厚度，折算高度自主樓基底起取2.05m，該處絕對標(biāo)高為83.100m，小于室外地坪標(biāo)高。因此經(jīng)計(jì)算fa為154.0kPa，大于主樓考慮水浮力后的基底壓力值，天然地基承載力特征值滿足上部荷載要求。

3.2.3 使用期

建筑物全使用壽命期間，地下水位可能會達(dá)到最高水位，即抗浮設(shè)防水位，該水位應(yīng)根據(jù)場地所在地貌單元、地層結(jié)構(gòu)、地下水類型、各層地下水水位及其變化幅度和地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件等因素綜合確定。這里抗浮設(shè)防地下水位標(biāo)高按84.000m對天然地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

由于地下水位高于主樓和地下車庫埋深，則主樓和地下車庫均受到浮力作用，按照公式（3）對第[4]層粉質(zhì)黏土進(jìn)行深寬修正，ηb，ηd分別取 0.3，1.6，γ，γm分別取 8.2，11.2kN/m3，主樓考慮水浮力后基底壓力為120.5kPa，車庫恒荷載減去水浮力后超載值為12.5kPa，折算土層厚度，折算高度自主樓基底起取1.31m，該處絕對標(biāo)高為82.360m，小于室外地坪標(biāo)高。因此經(jīng)計(jì)算fa為132.0kPa，大于主樓考慮水浮力后的基底壓力值，天然地基承載力特征值滿足上部荷載要求。

以上3種工況下驗(yàn)算的地基承載力特征值均大于相應(yīng)的基底壓力，基礎(chǔ)持力層以下不存在軟弱下臥層，不需要進(jìn)行軟弱下臥層驗(yàn)算。因此主樓采用天然地基時，地基承載力特征值能滿足上部荷載要求。

3.3 天然地基變形驗(yàn)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，在地基變形計(jì)算時，應(yīng)力分布可采用各向同性均質(zhì)線性變形體的理論方法?，F(xiàn)對主樓按公式（4）進(jìn)行地基變形計(jì)算：

式中：s為變形量（mm）；s'為按分層總和法計(jì)算出的變形量（mm）；ψs為沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，經(jīng)計(jì)算取 0.85；n為變形計(jì)算范圍內(nèi)土層數(shù)，取6；p0為基礎(chǔ)底面處的附加壓力（kPa），取65kPa；Esi為基底下第i層土的壓縮模量（MPa）；z，zi-1為基底至第i層土，第i-1層土底面的距離（m）；i，i-1為基底計(jì)算點(diǎn)至第i層土，第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

按最不利工況計(jì)算，主樓平均沉降量95.00mm，小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.3.4中規(guī)定值200mm；整體傾斜值3.1×10-4，小于規(guī)定值0.004。因此天然地基變形滿足規(guī)范要求。

地下車庫基礎(chǔ)的回彈再壓縮平均沉降量為9.44mm，與主樓沉降差85.56mm，主樓和地下車庫間應(yīng)設(shè)置后澆帶，主樓結(jié)頂后，根據(jù)主樓沉降觀測數(shù)據(jù)，在滿足主樓和地庫差異沉降要求的情況下，確定澆筑后澆帶時間，從而滿足主樓和地下車庫差異沉降的要求。

4 結(jié)語

主樓天然地基承載力驗(yàn)算時基礎(chǔ)埋深的確定比較復(fù)雜。在先回填后開挖場地，可從填土后地面標(biāo)高開始計(jì)算，若在主體結(jié)構(gòu)完工后進(jìn)行填土?xí)r，應(yīng)從填土前原始地面標(biāo)高開始計(jì)算。假如地下室采用箱形基礎(chǔ)或筏形基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)埋深從建筑室外的地面標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)采用獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)時，應(yīng)從地下室內(nèi)地坪標(biāo)高計(jì)算。

基礎(chǔ)寬度2倍范圍內(nèi)有地下車庫時，要根據(jù)車庫基礎(chǔ)形式按超載折算土層厚度，車庫采用筏板基礎(chǔ)時，按考慮水浮力后的車庫恒荷載折算土層厚度；車庫采用獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)時，超載折算高度自主樓基底標(biāo)高至車庫室內(nèi)地坪標(biāo)高。

不同時期與工況下，地下水位的取值會影響基底壓力值和地基土承載力特征值，所以在天然地基承載力計(jì)算時應(yīng)對每種工況進(jìn)行驗(yàn)算；變形計(jì)算時按最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算。