特殊條件下的地基承載力特征值

尚志誠， 慶彥營

（1.河南德陽設(shè)計(jì)審查咨詢有限公司，鄭州 450000；2.河南省朝陽建筑設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450000）

0 引言

地基承載力設(shè)計(jì)的核心是上部結(jié)構(gòu)通過基礎(chǔ)傳給地基的壓力最大值不應(yīng)使地基處于塑性變形的狀態(tài)中，是保證工程結(jié)構(gòu)安全的基本要求。

目前建筑工程中大量存在主樓同地下室連為一體或毗鄰的情況，并且有些項(xiàng)目地下水位較高，或者場地高差較大，相鄰建筑地基基礎(chǔ)的高差相互關(guān)系復(fù)雜。此類特殊條件對地基承載力的確定，特別是深度修正計(jì)算影響較大，如果工程設(shè)計(jì)時(shí)不綜合考慮相關(guān)影響，會(huì)給設(shè)計(jì)留下安全隱患。

針對特殊情況的地基承載力，很多學(xué)者做了相關(guān)研究，李艷嬌等[1]對回填土地基、主裙樓一體結(jié)構(gòu)地基等承載力取值進(jìn)行了研究，李治等[2]對主裙樓一體結(jié)構(gòu)按基礎(chǔ)超載情況下的承載力確定進(jìn)行了研究，其他人也有類似研究，都給出了一些設(shè)計(jì)方法。但目前的研究成果，對某些特殊情況下承載力的確定還不是很系統(tǒng)。

文中就沉降后澆帶、地下水位較高、相鄰基礎(chǔ)高差較大等特殊情況對承載力的影響進(jìn)行了詳細(xì)對比研究，給出了相關(guān)建議，供廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師參考。

1 沉降后澆帶的影響分析

1.1 工程概況

南陽某居住項(xiàng)目，地上26層，房屋高度79.6m，地下室為1層立體車庫。主樓為抗震墻結(jié)構(gòu)，地下室為框架結(jié)構(gòu)，主樓同地下室連為整體?？拐鹪O(shè)防烈度7度（0.10g）[3]，設(shè)計(jì)地震分組第1組，建筑場地類別為Ⅱ類。各層地基土的地質(zhì)特征見表1，孔口高程在126.30～126.83m之間。

表1 地基土的地質(zhì)特征

1.2 承載力計(jì)算分析

工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)先按方案1，采用整體筏形基礎(chǔ)，在主樓外地下車庫第一跨內(nèi)設(shè)沉降后澆帶。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級乙級，主樓基礎(chǔ)厚度1200mm，基底標(biāo)高-7.55m，地下車庫基礎(chǔ)厚度600mm（柱下筏基局部加厚，設(shè)下柱墩），基底標(biāo)高-6.95m，車庫頂板覆土1.5m。主樓的標(biāo)準(zhǔn)組合基底壓力平均值為463kPa，基底壓力最大值pkmax=537kPa。地基基礎(chǔ)剖面（方案1）見圖1。

圖1 地基基礎(chǔ)剖面（方案1）

GB 55003-2021《建筑與市政地基基礎(chǔ)通用規(guī)范》[4]及GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]對地基承載力特征值的深度修正和設(shè)計(jì)要求如下（各符號的含義見相應(yīng)規(guī)范）：

地基基礎(chǔ)采用方案1，對主樓結(jié)構(gòu)的地基承載力進(jìn)行深度修正時(shí)，將地下車庫筏形基礎(chǔ)以上范圍內(nèi)的荷載qk=67.3kN/m2，按基礎(chǔ)兩側(cè)的超載考慮，將超載折算成土層厚度作為基礎(chǔ)埋深，且同自室外地面標(biāo)高算起的基礎(chǔ)埋深比較，取小值。工程的折算基礎(chǔ)埋深de=qk/γm=67.3/19.2=3.5m，自室外地面標(biāo)高算起的基礎(chǔ)埋深d=7.25m，地基承載力進(jìn)行深度修正時(shí)取3.5m。基底持力層為③層細(xì)砂，承載力特征值fak=170kPa?；A(chǔ)寬度及深度的修正系數(shù)ηb=2.0、ηd=3.0?；A(chǔ)底面以下土的重度γ=19.5kN/m3，基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度γm=19.2kN/m3。

修正后的地基承載力特征值：fa=459.8kPa。

滿足規(guī)范對地基承載力的要求。

由于沉降后澆帶在主樓完工兩個(gè)月且沉降穩(wěn)定后澆灌，考慮沉降后澆帶的封閉時(shí)間較晚，還應(yīng)對施工期間的地基承載力進(jìn)行復(fù)核，基礎(chǔ)埋深自地下室室內(nèi)地面標(biāo)高算起d=1.20m?？紤]后澆帶封閉時(shí)主樓的樓面裝修尚未施工，應(yīng)可扣除該部分荷載，主樓的標(biāo)準(zhǔn)組合基底壓力平均值pk=442kPa，基底壓力最大值pkmax＞=512.8kPa。

修正后的地基承載力特征值：fa=327.3kPa。

考慮沉降后澆帶影響時(shí)，施工期間不應(yīng)將地下車庫筏形基礎(chǔ)以上范圍內(nèi)的荷載按基礎(chǔ)兩側(cè)的超載考慮，此時(shí)不滿足規(guī)范對地基承載力的要求。

地基基礎(chǔ)采用圖2方案2時(shí)，主樓的基礎(chǔ)埋深加深2.25m，加高的空間作為結(jié)構(gòu)空腔，基底持力層④層為含卵礫粗砂?？紤]沉降后澆帶對施工期間的地基承載力進(jìn)行復(fù)核，基礎(chǔ)埋深自地下室室內(nèi)地面標(biāo)高算起d=3.45m?；A(chǔ)寬度及深度的修正系數(shù)ηb=3.0、ηd=4.4?；A(chǔ)底面以下土的重度γ=19.5kN/m3，基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度為γm=19.2kN/m3。修正后的地基承載力特征值為fa=624.7kPa?？紤]扣除后澆帶封閉時(shí)未施工的主樓的樓面裝修荷載，主樓的基底壓力平均值pk=447kPa，基底壓力最大值pkmax=521.8kPa。

圖2 地基基礎(chǔ)剖面（方案2）

經(jīng)對比分析表明，沉降后澆帶的設(shè)置對地基承載力的深度修正影響較大，需單獨(dú)進(jìn)行驗(yàn)算，以保證施工期間地基基礎(chǔ)的安全性。

2 抗浮設(shè)防水位的影響分析

2.1 工程概況

鄭州某大廈項(xiàng)目，地上11層，地下2層，房屋高度50.25m。主樓結(jié)構(gòu)類型為框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，地下車庫為框架結(jié)構(gòu)，主樓同地下室連為整體?？拐鹪O(shè)防烈度7度（0.15g），設(shè)計(jì)地震分組第二組，建筑場地類別為Ⅲ類。

地貌單元區(qū)域上屬黃河沖積泛濫平原，場地地形相對平坦，地貌形態(tài)單一，各層地基土的地質(zhì)特征見表2，孔口高程在86.70～87.30m之間。受城市建設(shè)和周邊施工降水的影響，勘察穩(wěn)定水位在自然地面下11.6～12.6m（高程74.67～75.51m），近3～5年最高水位高程約為83.5m，地下水的補(bǔ)給主要為大氣降水，水位年變幅約2.0m。抗浮設(shè)防水位高程（歷史最高水位）85.0m。

表2 地基土的地質(zhì)特征

工程主樓與地下車庫采用整體筏形基礎(chǔ)，主樓基礎(chǔ)厚度1100mm，地下車庫基礎(chǔ)厚度600mm（柱下筏基局部加厚，設(shè)上柱墩）。主樓與地下車庫的基礎(chǔ)底面平齊，基底標(biāo)高-11.45m，絕對高程78.16m，采用天然地基，地下車庫設(shè)抗浮錨桿。車庫頂板覆土1.5m。主樓的基底壓力標(biāo)準(zhǔn)組合平均值pk=236kPa，基底壓力最大值pkmax=325kPa。地基基礎(chǔ)剖面見圖3。

圖3 地基基礎(chǔ)剖面

2.2 承載力計(jì)算分析

當(dāng)?shù)叵滤坏陀诨A(chǔ)底面，對主樓結(jié)構(gòu)的地基承載力進(jìn)行深度修正時(shí)，將地下車庫筏形基礎(chǔ)以上范圍內(nèi)的荷載qk=73.2kN/m2，按基礎(chǔ)兩側(cè)的超載考慮，工程的折算基礎(chǔ)埋深de=3.79，自室外地面標(biāo)高算起的基礎(chǔ)埋深d=11.15m，地基承載力深度修正時(shí)取3.79m?；壮至訛棰蹖蛹?xì)砂，fak=150kPa。基礎(chǔ)寬度及深度的修正系數(shù)ηb=2.0、ηd=3.0。基礎(chǔ)底面以下土的重度γ=19.6kN/m3，基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度γm=19.3kN/m3。

修正后的地基承載力特征值：fa=458.1kPa。

滿足規(guī)范對地基承載力的要求。

由于抗浮設(shè)防水位高于基礎(chǔ)底面，還應(yīng)對豐水期的地基承載力進(jìn)行復(fù)核。筏形基礎(chǔ)以上范圍內(nèi)的荷載（上部荷載qk）、水浮力Fw、通過基礎(chǔ)傳給地基的壓力（基底壓力pk）。上部荷載、水浮力、基底壓力的相互關(guān)系，見圖4。

圖4 上部荷載、水浮力、基底壓力相互關(guān)系

豐水期地下水浮力Fw=68.4kN/m2，地下車庫通過基礎(chǔ)傳給地基的壓力（基底壓力）pk=73.2-68.4=4.8kPa，主樓通過基礎(chǔ)傳給地基的壓力（基底壓力）pk=236-68.4=167.6kPa，基底壓力最大值pkmax=325-68.4=256.6kPa。將地下車庫通過基礎(chǔ)傳給地基的壓力（基底壓力），折算成土層厚度作為基礎(chǔ)埋深de=4.8/9.6=0.5m?；A(chǔ)底面以下土的浮重度γ=9.6kN/m3。

修正后的地基承載力特征值：fa=207.6kPa。

由于水的浮力作用，將使土的承載力大為降低，對于無粘性土，影響更為顯著[6]。工程豐水期主樓及地下車庫的基底壓力均減小了68.4kPa，地下車庫通過基礎(chǔ)傳給地基的壓力（基底壓力）僅有4.8kPa。主樓地基承載力計(jì)算用的基礎(chǔ)埋置深度減少了3.29m，豐水期修正后的地基承載力特征值與枯水期相比減少了207.6kPa，不能滿足規(guī)范對地基承載力的要求。需調(diào)整基礎(chǔ)的平面尺寸和布置，使基底平面形心與結(jié)構(gòu)豎向永久荷載盡量重心重合，減小基底壓力、減小偏心距e值。

3 相鄰基礎(chǔ)高差的影響分析

3.1 工程概況

鄭州某住宅區(qū)，項(xiàng)目用地南北長約548m、東西寬約185m，地上26棟多層住宅，主樓之間局部設(shè)地下室。該項(xiàng)目地貌單元屬山前丘崗，原為林地。場地高程變化大，整體北高南地，場地高程在202.55～241.3m，最大相對高差約38.75m。場地地下水位埋藏較深（超過100m深）。

該項(xiàng)目樓棟較多，各建筑間的地基基礎(chǔ)關(guān)系復(fù)雜?，F(xiàn)僅對5#樓及毗鄰地下車庫進(jìn)行分析，其地基土的地質(zhì)特征見表3。

表3 5#樓及毗鄰地下車庫的地基土地質(zhì)特征

5#樓與毗鄰的地下車庫，基礎(chǔ)埋置深度差別較大，地基基礎(chǔ)的相互關(guān)系復(fù)雜見圖5。5#樓地上4層（頂層設(shè)坡屋頂），無地下室，房屋高度14.45m，結(jié)構(gòu)類型為異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，采用天然地基筏形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)厚度500mm。毗鄰地下車庫為地下1層，框架結(jié)構(gòu)，與5#樓相近但不相連，采用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板、或天然地基筏形基礎(chǔ)。可以較好的利用原有地形，減少土方的挖填平衡，減輕對自然的影響，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

圖5 地基基礎(chǔ)剖面（單位：mm）

3.2 承載力計(jì)算分析

由圖5可知，5#樓基礎(chǔ)底面與地下車庫的地面高差3.8m，與地下車庫的基礎(chǔ)水平距離僅1.7m。5#樓地基承載力計(jì)算時(shí)，除了對基底持力層進(jìn)行驗(yàn)算，還應(yīng)對車庫的地面標(biāo)高處進(jìn)行地基承載力的驗(yàn)算。5#樓與車庫基底持力層均為②層粉土，fak=150kPa（黏粒含量pc≥10%），基底壓力平均值pk=104.4kPa?；A(chǔ)寬度及深度修正系數(shù)ηb=0.3、ηd=1.5。基礎(chǔ)底面以下土的重度γ=18.0kN/m3，基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度γm=18.0kN/m3。

5#樓基礎(chǔ)底面的修正后地基承載力特征值：

滿足規(guī)范對地基承載力的要求。

對車庫地面標(biāo)高下0.5m（標(biāo)高-5.900）處進(jìn)行地基承載力的驗(yàn)算。依據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.7條：pz+pcz≤faz。基礎(chǔ)底面至地下車庫地面標(biāo)高下0.5m的距離z=4.3m。地基壓力擴(kuò)散線與垂直線的夾角θ取0°，pz+pcz=181.8kPa。

當(dāng)?shù)叵萝噹觳捎锚?dú)立基礎(chǔ)加防水板時(shí)，faz=150kPa＜pz+pcz=181.8kPa。不滿足規(guī)范對地基承載力的要求。

當(dāng)?shù)叵萝噹觳捎梅ば位A(chǔ)時(shí)，將地下車庫筏形基礎(chǔ)以上范圍內(nèi)的荷載qk=62.3kN/m2，按超載折算成基礎(chǔ)埋深de=3.46m，自室外地面標(biāo)高算起的基礎(chǔ)埋深d=5.6m，地基承載力進(jìn)行深度修正時(shí)取3.46m。faz=229.9kPa＞pz+pcz=181.8kPa，faz僅進(jìn)行深度修正。滿足規(guī)范對地基承載力的要求。

工程與地下車庫毗鄰，該筏形基礎(chǔ)底面與毗鄰地下車庫的基礎(chǔ)底面相差4.3m，基礎(chǔ)埋置深度差別較大。地基承載力的確定，考慮地下車庫對工程的影響，當(dāng)?shù)叵萝噹觳捎锚?dú)立基礎(chǔ)加防水板時(shí)，不滿足規(guī)范對地基承載力的要求；當(dāng)?shù)叵萝噹觳捎梅ば位A(chǔ)時(shí)，按超載折算成基礎(chǔ)埋深，可以滿足規(guī)范對地基承載力的要求。

4 結(jié)語

文中通過結(jié)合項(xiàng)目的分析研究，得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)主樓與地下車庫采用整體筏形基礎(chǔ)，且在主樓外地下車庫設(shè)沉降后澆帶時(shí)，應(yīng)考慮沉降后澆帶未封閉時(shí)的施工工況，基礎(chǔ)埋深應(yīng)從地下室的室內(nèi)地面標(biāo)高算起，進(jìn)行地基承載力的計(jì)算分析。由于后澆帶封閉時(shí)主樓的樓面裝修尚未施工，應(yīng)可扣除該部分荷載。

（2）當(dāng)抗浮設(shè)防水位高于基礎(chǔ)底面，還應(yīng)充分考慮水浮力的影響，對豐水期的地基承載力進(jìn)行復(fù)核。由于地下水的浮托作用，主樓及地下車庫的基底壓力減小，主樓地基承載力計(jì)算用的基礎(chǔ)埋置深度減少，基底平面形心與結(jié)構(gòu)豎向永久荷載重心在準(zhǔn)永久組合下的偏心距e，豐水期與枯水期相比較e值增大。

（3）當(dāng)主樓與地下車庫毗鄰，且地下車庫的地面標(biāo)高低于主樓基礎(chǔ)底面，基礎(chǔ)的埋置深度差別較大時(shí)。除了對基礎(chǔ)底面的地基進(jìn)行承載力計(jì)算外，還應(yīng)對地下車庫的地面標(biāo)高處進(jìn)行地基承載力的驗(yàn)算。當(dāng)?shù)叵萝噹觳捎梅ば位A(chǔ)時(shí)，可將筏形基礎(chǔ)以上范圍內(nèi)的荷載按超載折算成基礎(chǔ)埋深。