梁 峰，周 屹

(1.桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院，廣西 桂林 541002；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

0 引言

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)(簡(jiǎn)稱地基規(guī)范)中對(duì)于基礎(chǔ)埋置深度d指出[1]：在填方整平地區(qū)，可自填土地面高程算起，但填土在上部結(jié)構(gòu)施工后完成時(shí)，應(yīng)從天然地面標(biāo)高算起。實(shí)際工程中，回填土在完成基礎(chǔ)施工后，未施工上部結(jié)構(gòu)前這一段時(shí)間，規(guī)范并未明確規(guī)定。如何采用基礎(chǔ)埋深，關(guān)系到地基承載力修正值的大小，決定了基礎(chǔ)面積、配筋大小，甚至關(guān)系到基礎(chǔ)形式，與工程基礎(chǔ)造價(jià)、建筑安全息息相關(guān)，合理地運(yùn)用該規(guī)范條文意義重大。本文結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)例對(duì)此進(jìn)行深入探討，并對(duì)有新填土場(chǎng)地的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中容易忽略的變形控制進(jìn)行了闡述。

1 規(guī)范當(dāng)中經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

《地基規(guī)范》中指出：當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3 m或埋置深度大于0.5 m時(shí)，從荷載試驗(yàn)或其他原位測(cè)試，經(jīng)驗(yàn)值等方法確定的地基承載力特征值，尚應(yīng)按公式(1)修正：

fa=fak+ηb(b-3)+ηdγm(d-0.5)

(1)

根據(jù)太沙基承載力理論[2]，地基破壞時(shí)理論上的塑流邊界見圖1。

圖1 基礎(chǔ)埋深形成的超載與地基破壞簡(jiǎn)化的滑動(dòng)面Fig.1 Simplified sliding surface due to foundation failure andoverload due to embedded depth of foundation

基礎(chǔ)周邊土形成的重力即超載(q=γd)，超載能抵抗土體向上滑動(dòng)，從而提供土體的穩(wěn)定性，式(1)第3項(xiàng)即表示基礎(chǔ)兩側(cè)超載(q=γd)的作用。只有位于圖1中被動(dòng)朗肯區(qū)上的超載才能提高地基承載力。被動(dòng)區(qū)的大小可以參照《地基規(guī)范》條文說明中的“目前建筑工程大量存在著主裙樓一體的結(jié)構(gòu)，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)地基承載力的修正，宜將基礎(chǔ)底面以上范圍內(nèi)的荷載，按基礎(chǔ)兩側(cè)的超載考慮，當(dāng)超載寬度大于基礎(chǔ)寬度兩倍時(shí)，可將超載折算成土體厚度作為基礎(chǔ)埋深，基礎(chǔ)兩側(cè)超載不等時(shí)，取小值?！睋?jù)此認(rèn)為，當(dāng)超載寬度大于基礎(chǔ)寬度的2倍時(shí)，才能夠起到提高地基承載力的作用。根據(jù)地基的破壞形態(tài)，基礎(chǔ)會(huì)向最不利方向破壞，所以基礎(chǔ)埋深d應(yīng)當(dāng)取基礎(chǔ)周邊最小埋深。

2 對(duì)《地基規(guī)范》的解讀與工程運(yùn)用

d為基礎(chǔ)埋置深度(單位：m)，宜自室外高程算起。在填方整平地區(qū)，可自填土地面高程算起，但填土在上部結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，應(yīng)從天然地面高程算起。規(guī)范中只講了以下前面兩種情況：

1)當(dāng)新填土在開挖基槽前完成堆填時(shí)，可自填土地面高程算起，對(duì)于這一點(diǎn)，要濾清概念(圖2a)。常有人問起：“雖然填土在自填土上地面完成堆填，這填土是否有時(shí)間要求？是否只有固結(jié)完成的土才能計(jì)入基礎(chǔ)埋置深度d?！边@種想法實(shí)際上是將基礎(chǔ)的深度修正與土的固結(jié)加強(qiáng)兩個(gè)概念混淆了。根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]，基礎(chǔ)的深度修正針對(duì)的是基底以上基礎(chǔ)周邊超載對(duì)基底下地基土的穩(wěn)定性和承載力提高所做的貢獻(xiàn)，只與基底以上的土的重度有關(guān)，與此部分土是否完成固結(jié)無關(guān)。而土的固結(jié)加強(qiáng)是指長(zhǎng)期上部壓力下土的固結(jié)壓密使得基底下土的承載力提高。這是兩個(gè)概念，有本質(zhì)區(qū)別。基于對(duì)這一點(diǎn)的認(rèn)同下，大部分設(shè)計(jì)者均對(duì)規(guī)范條文無異議。

工程實(shí)例：桂林市寶湖教育園區(qū)項(xiàng)目就屬于這種情況。由于本工程場(chǎng)地大部分區(qū)域是一個(gè)洼地，深2～3 m，業(yè)主和施工方考慮到施工機(jī)械入場(chǎng)的便利。在開挖前就已經(jīng)平整場(chǎng)地。工程為5～6層的教學(xué)建筑，采用獨(dú)立柱基為主，以淺層硬塑黏土為持力層，埋深自填土地面算起。

2)當(dāng)填土在上部結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)堆填，應(yīng)以天然地面高程算起(圖2b)。這是因?yàn)榇藭r(shí)上部結(jié)構(gòu)作用下基底壓力已接近最大，但新填土并未形成超載，對(duì)地基土的穩(wěn)定性和承載力沒有提供任何幫助，因此地基承載力的埋深只能以天然地面高程算起。顯而易見，這種方式不方便施工，筆者所做的工程還未遇到這種情況。

3)對(duì)于當(dāng)新填土在基礎(chǔ)施工完成后，并于上部主體施工前完成堆填，進(jìn)行深度修正時(shí)，基礎(chǔ)埋深的取值(圖2c)，規(guī)范并未明確。大部分工程均屬于這種情況。對(duì)于此類基礎(chǔ)埋深取值，業(yè)內(nèi)人士觀點(diǎn)不同。朱炳寅等[4]認(rèn)為，只有新填土在基礎(chǔ)施工前完成，進(jìn)行深度修正的埋深d才能從新填土地面高程算起，而這種情況只能從天然地面高程算起，是從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，偏于安全。而張維斌[5]和李艷嬌等[6]認(rèn)為，基礎(chǔ)施工完成后立即回填新填土，進(jìn)行深度修正的埋深d可自新填土地面算起。筆者也基本同意這種觀點(diǎn)。因?yàn)椋诨A(chǔ)剛施工完時(shí)完成新堆填土堆填，上部荷載還未起作用時(shí)，基礎(chǔ)四周的超載已形成。這對(duì)地基土的承載力和穩(wěn)定性都有貢獻(xiàn)。但實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，卻并不完全按此取值。請(qǐng)看以下實(shí)例分析。

工程實(shí)例：陽朔縣福利鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)設(shè)計(jì)為教學(xué)類建筑，5～6層框架結(jié)構(gòu)，采用獨(dú)立柱基為主，以淺層硬塑黏土為持力層fak=180 kPa。由于場(chǎng)地處于洪水位以下，為方便使用，整個(gè)場(chǎng)地填高2 m。施工時(shí)，天然地面開挖，單棟樓施工完基礎(chǔ)后立即回填土至室內(nèi)地面，為了方便搭外架，室外地面也堆填少量新填土，但僅比外墻寬出1.5～2 m。而1.5～2 m以外的場(chǎng)地均未堆填新填土，保持原狀地面，等主體封頂后，拆除外架，把室外管網(wǎng)(距外墻2～3 m處)鋪設(shè)完成后再回填剩下的新填土2 m厚，見圖3。

圖2 新填土場(chǎng)地基礎(chǔ)埋深Fig.2 Embedded depth of the foundation of the newly filled site

圖3 福利鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)基礎(chǔ)實(shí)際埋深Fig.3 Actual embedded depth of foundation atJunior Middle School in FuLi Town

這種情況計(jì)算埋深按照張維斌[5]取d=d1+2 m就不安全，因?yàn)椤兜鼗?guī)范》條文說明中提到，需超載寬度大于基礎(chǔ)寬度的2倍時(shí)，才能夠起到提高地基承載力作用，而這種情況顯然未滿足此要求。但若d=d1又太保守，使得地基承載力修正值fa過低，基礎(chǔ)面積偏大，不經(jīng)濟(jì)。參考中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司編著的《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一技術(shù)措施》(2018版)[7]中第169頁，對(duì)于圖4中的外墻基礎(chǔ)，d=0.5(d1+d2)。因此，本工程采用的埋深為d=0.5(d1+d1+2 m)=d1+1 m。再則，由文獻(xiàn)[8]中橋臺(tái)背路基填土對(duì)橋臺(tái)基底引起附加壓應(yīng)力算式為(圖5)：

P01=α1γ1H1

(2)

式中：H1為基底后邊緣填土高度；γ1為填土重度；α1為豎向附加壓力系數(shù)，據(jù)文獻(xiàn)[8]中橋臺(tái)基底或樁尖平面邊緣附加應(yīng)力系數(shù)α1和α2表所示：填土高度≤5 m時(shí)，α1=0.44，即填土自重引起的壓力需進(jìn)行折減。與上述措施原理相同。

因此筆者認(rèn)為，當(dāng)新填土在基礎(chǔ)施工完成后，并于上部結(jié)構(gòu)施工前完成堆填時(shí)，埋深d=d1+0.5×新填土厚度(d1為天然地面至基礎(chǔ)底面的距離)，是安全合理的?，F(xiàn)福利中學(xué)已竣工，各棟建筑均完好，不論從理論上和實(shí)踐上都證明本工程的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是安全合理的。類似本文中福利鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)的情況有很多：如靈川三中、陽朔高中等工程，因這種情況施工節(jié)約成本，避免新填土堆完又開挖的環(huán)節(jié)，室外工程一次性成形，方便快捷。

圖4 室內(nèi)外有高差時(shí)基礎(chǔ)埋深Fig.4 Embedded depth of foundation when there isan height difference between indoor and outdoor

圖5 橋臺(tái)填土對(duì)基底附加壓應(yīng)力的計(jì)算圖Fig.5 The calculation diagram of additional pressurestress of abutment filling soil to base

由此可見，新填土區(qū)淺基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)根據(jù)施工需求、填土的階段來進(jìn)行取值，并非一成不變，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)不同的情況做出判斷。

3 變形控制設(shè)計(jì)

新填土覆蓋的天然地基上的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)除了合理采用計(jì)算埋深之外，還有一個(gè)很要的環(huán)節(jié)：變形控制設(shè)計(jì)。根據(jù)馬智英[9]承載力設(shè)計(jì)應(yīng)以變形控制設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，是為變形控制設(shè)計(jì)服務(wù)的。承載力驗(yàn)算控制確定了基礎(chǔ)大小，是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的第一步，對(duì)于新填土場(chǎng)地承載力可能滿足要求，但變形不一定滿足要求。一般情況下，滿足變形要求的地基不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度破壞，而未考慮變形控制的地基往往產(chǎn)生過大沉降，導(dǎo)致房屋傾斜開裂，這樣的工程事故屢見不鮮。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，變形控制是許多設(shè)計(jì)人容易忽略的環(huán)節(jié)，但這一環(huán)節(jié)非常重要，會(huì)直接影響到基礎(chǔ)大小、基礎(chǔ)形式，甚至房屋安全。

3.1 計(jì)算方法

(3)

用于新填土，則式(3)中，地基最終變形量為

(4)

p0=γ′H′

(5)

式中：γ′為新填土重度；H′為新填土厚度。

3.2 計(jì)算實(shí)例

對(duì)于前面提到的陽朔縣福利鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)的新填土場(chǎng)地，新填土平均厚2 m，夯實(shí)后容重γ=18 kN/m3，平時(shí)地下水在自然地面以下。典型的土層剖面見圖6，由于有軟弱下臥層②3層，地基變形計(jì)算深度取至巖面，由3.1計(jì)算方法所述：

p0=γ′H′=18×2=36kPa

(6)

(7)

圖6 土層剖面圖Fig.6 Soil layer profile

此工程中柱下獨(dú)基，用PKPM中JCCAD計(jì)算的柱基沉降值為40～60 mm，則建筑物柱基的總沉降量為86～106 mm。由此可見，由于新填土，引起的地基沉降不容忽視，尤其是有軟弱下臥層時(shí)。新填土引起的沉降量加上建筑物本身柱基的沉降，總沉降量將大大超過非填土場(chǎng)地。若設(shè)計(jì)時(shí)忽略這一環(huán)節(jié)，地基有可能產(chǎn)生的變形過大，發(fā)生基礎(chǔ)傾斜等事故。而陽朔縣福利鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)有些棟號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)由于沉降值過大，由獨(dú)立柱基改為了柱下條形基礎(chǔ)。因此新填土場(chǎng)地上變形控制設(shè)計(jì)，決定了基礎(chǔ)大小和基礎(chǔ)形式。

3.3 結(jié)構(gòu)措施

為避免新填土場(chǎng)地的建筑物地基產(chǎn)生過大變形，建議采用如下結(jié)構(gòu)措施：

1)《地基規(guī)范》提到，填土宜在基礎(chǔ)施工前3個(gè)月完成，有條件的地方建議在開挖前3個(gè)月先回填完畢，并采用超載預(yù)壓，加速地基固結(jié)，減少使用期間變形。

2)選用較小的基底壓力，即加大基底面積減少變形。

3)增加建筑物整體剛度，在一層地面加一層拉梁，有條件情況下可加一層板，避免回填土過厚下沉引起地面開裂。

4)進(jìn)行沉降觀測(cè)，因?yàn)槌两涤?jì)算的理論依據(jù)、假定條件與土實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)，新填土的固結(jié)沉降也是一個(gè)未知因素，隨著天氣變化而有諸多不確定性。沉降觀測(cè)是對(duì)建筑物使用進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)的一種輔助手段。

4 結(jié)語

綜上，在新填土地區(qū)進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，若考慮采用天然地基時(shí)，應(yīng)根據(jù)甲方需求，施工可行性確定新填土的堆填方案，并合理采用相應(yīng)的計(jì)算埋深，通過承載力計(jì)算和變形控制設(shè)計(jì)確定基礎(chǔ)大小及基礎(chǔ)形式。因設(shè)計(jì)埋深的不確定性，本文中的經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)行業(yè)設(shè)計(jì)人員參考。