趙 宇

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 北京 100076

建筑場(chǎng)地地基承載力高，并且土層分布均勻，土體壓縮性低，無液化層和軟臥層，是擬建建構(gòu)筑物的天然地基良好持力層。但實(shí)際工程中擬建建構(gòu)筑場(chǎng)地工程地質(zhì)條件各異，地層結(jié)構(gòu)及巖性特征差別較大，故需要結(jié)合地基承載力和地層結(jié)構(gòu)確定地基處理方法，并結(jié)合地基承載力、上部結(jié)構(gòu)的受荷特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)型式、抗震設(shè)防烈度、基本風(fēng)壓、凍土深度、地下水位等因素確定基礎(chǔ)形式。

1 地基承載力計(jì)算

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足上部結(jié)構(gòu)荷載通過基礎(chǔ)傳到地基土的壓力不得大于地基承載力的要求，以確保地基土不喪失穩(wěn)定性。地基承載力是各項(xiàng)影響因素中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的。當(dāng)前確定地基承載力的方法主要有理論公式計(jì)算、原位實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)三種。為了了解地基土在受荷以后剪切破壞的過程及承載力的性狀，研究人員通過現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)對(duì)地基土的破壞模式進(jìn)行了研究。由試驗(yàn)得到壓力（P）與所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定沉降量（s）的關(guān)系曲線。從曲線P- s 的特征可以了解不同性質(zhì)土體在荷載作用下的地基破壞機(jī)理。先后提出三種典型的地基破壞模式，即整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖剪破壞。整體剪切破壞通常發(fā)生在淺埋基礎(chǔ)下的密砂或硬黏土等堅(jiān)硬地基中；局部剪切破壞通常發(fā)生在中等實(shí)砂土中；沖剪破壞模式通常發(fā)生在松砂或軟土地基中。

不同土層在荷載作用下，其破壞模式是不同的，因此確定其地基承載力的方法也有所不同。根據(jù)土中應(yīng)力計(jì)算的彈性理論和土體極限平衡條件導(dǎo)出地基土中將要出現(xiàn)但尚未出現(xiàn)塑性變形區(qū)時(shí)的基底壓力臨塑荷載（pcr），假定土的自重應(yīng)力在各向相等，即相當(dāng)于土的側(cè)壓力系數(shù)（K0）取1.0。因此，土的水平和豎向自重應(yīng)力取值為(γ0d+γz), 故地基中任一點(diǎn)的σ1和σ3可寫為式（1）。

根據(jù)極限平衡及彈性理論，基礎(chǔ)兩邊點(diǎn)的主應(yīng)力最大，因此塑性區(qū)首先從基礎(chǔ)兩邊點(diǎn)開始向深度發(fā)展。塑性區(qū)發(fā)展的最大深度（zmax）可以表達(dá)為（2）式。

若zmax=0，則表示地基中將要出現(xiàn)但尚未出現(xiàn)塑性變形區(qū)，其相應(yīng)的荷載即為pcr（式3）。

式中：γ0——基底標(biāo)高以上土的加權(quán)平均重度，kN/ m3；

φ——地基土的內(nèi)摩擦角(弧度)。

工程實(shí)踐表明，即使地基發(fā)生局部剪切破壞，地基中塑性區(qū)有所發(fā)展，只要塑性區(qū)范圍不超出某一限度，就不致影響建筑物的安全和正常使用，因此以pcr作為地基土的承載力偏于保守。塑性荷載就是指地基土中已經(jīng)出現(xiàn)塑性變形區(qū)，但尚未達(dá)到極限破壞時(shí)的基底壓力(p1/4、p1/3等)。地基塑性區(qū)發(fā)展的容許深度與建筑物類型、荷載性質(zhì)，以及土的特性等因素有關(guān)。一般認(rèn)為，在中心垂直荷載下，塑性區(qū)的zmax可控制在基礎(chǔ)寬度的1/ 4，相應(yīng)的塑性荷載用p1/4表示，見式（4）。

而對(duì)于偏心荷載作用的基礎(chǔ)，也可取zmax=b/ 3 相應(yīng)的塑性荷載p1/3作為地基的承載力，見式（5）。

地基的極限承載力（pu）是地基承受基礎(chǔ)荷載的極限壓力，亦稱地基極限荷載。普朗德爾(L.Prandtl，1920)根據(jù)塑性力學(xué)理論，研究了堅(jiān)硬物體壓入較軟、均勻、各向同性材料的過程，導(dǎo)出了極限荷載表達(dá)式。H.Reissner 和D.W.Taylor 對(duì)L.Prandtl 公式作出補(bǔ)充，給出不考慮土體自重時(shí)埋置深度為d 和考慮土體滑動(dòng)重力時(shí)的地基土極限荷載計(jì)算表達(dá)式。在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上Hanse 建議，對(duì)于均質(zhì)地基，基底完全光滑，在中心傾斜荷載作用下，不同基礎(chǔ)形狀及不同埋置深度時(shí)的極限承載力計(jì)算公式見式（6）。

式中：Nγ、Nq、Nc——承載力系數(shù)，漢森建議按Nγ=1.5(Nq-1)tan 計(jì)算；

iγ、iq、ic——荷載傾斜系數(shù)；

gγ、gq、gc——地面傾斜系數(shù)；

bγ、bq、bc——基底傾斜系數(shù)；

sγ、sq、sc——基礎(chǔ)形狀系數(shù)；

dγ、dq、dc——深度系數(shù)。

Hanse 公式考慮的承載力影響因素比較全面，在國(guó)外許多設(shè)計(jì)規(guī)范中得到廣泛采用。由上述理論公式計(jì)算的極限承載力是在地基處于極限平衡時(shí)的承載力，但為了保證建筑物的安全和正常使用，地基承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)以一定的安全度將極限承載力加以折減。我國(guó)現(xiàn)行的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中采用“特征值（Characteristic Value）”一詞，用以表示正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)采用的地基承載力和單樁承載力的值，其涵義即為在發(fā)揮正常使用功能時(shí)所允許采用的抗力設(shè)計(jì)值。設(shè)計(jì)時(shí)通常以勘察單位給出的地質(zhì)報(bào)告作為各層土的承載力依據(jù)。勘察單位通過標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)和靜態(tài)觸探試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)確定地基土的承載力特征值。實(shí)踐和理論計(jì)算均表明，勘察單位通過試驗(yàn)得出的地基承載力特征值偏于保守。地基承載力特征值以淺基礎(chǔ)地基的塑性荷載p1/4為理論基礎(chǔ)，并對(duì)地基承載力特征值給予一定程度上的修正。

對(duì)于荷載偏心距e≤0.033b(b 為偏心方向基礎(chǔ)邊長(zhǎng))時(shí)，以淺基礎(chǔ)地基的塑性荷載p1/4為基礎(chǔ)的理論公式計(jì)算地基承載力特征值，見式（7）。

當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3m 或埋置深度大于0.5m 時(shí)，從載荷試驗(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)按式（8）修正。

2 基礎(chǔ)選型決策

2.1 定性比較

通過工程師的專業(yè)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，直觀選取幾個(gè)可能方案，對(duì)各方面性質(zhì)加以比較，最后確定選用的方案。定性比較法較簡(jiǎn)單，但一般較粗略；再加上選取備選方案時(shí)存在可能方案的漏選，故定性比較用于對(duì)可能性方案的工程適用取向明顯（即各分析因素均對(duì)某方案明顯有利或有利）的情況下效果較好。

2.2 定量計(jì)算

同樣是依靠專家的專業(yè)知識(shí)和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，在直觀選取少數(shù)幾個(gè)可能方案后，計(jì)算各參數(shù)并加以比較，最后確定選用的方案。定量計(jì)算法較精確，但計(jì)算量較大，過程也較繁雜，當(dāng)工程適用取向更明顯、備選方案更少時(shí)效果較好。

2.3 系統(tǒng)方法分析

針對(duì)不具普遍性的個(gè)例，可運(yùn)用層次分析法加以分析比較，確定最終選用方案。首先尋求可行性方案，然后對(duì)可行性方案進(jìn)行權(quán)值排序，最后根據(jù)工程個(gè)例特點(diǎn)確定適用方案。因?qū)哟畏治龇ㄖ皇菍?duì)不同性質(zhì)的簡(jiǎn)單量化比較，其用于備選方案較多、各方案經(jīng)比較分析并進(jìn)行權(quán)值排序后，優(yōu)選方案權(quán)值與其他方案的權(quán)值相差明顯時(shí)，效果較好。

建議綜合定性比較、層次分析法分析、定量計(jì)算這三種通常的地基基礎(chǔ)選型方法，并結(jié)合工程個(gè)例特性、上部結(jié)構(gòu)及荷載特點(diǎn)確定地基基礎(chǔ)選型決策模型，。

（1）根據(jù)專家和工程師的專業(yè)知識(shí)與個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及建構(gòu)筑物型式、凍土深度、受荷特點(diǎn)、設(shè)防烈度等因素進(jìn)行定性比較，在多種可能的地基基礎(chǔ)方案中篩選出幾種可行性方案。

（2）運(yùn)用層次分析法對(duì)幾種可行性方案的不具可比性的因素進(jìn)行量化比較，得到幾種可行性方案權(quán)值排序。

（3）定量計(jì)算幾種權(quán)值排序中的最大值及權(quán)值相近的方案，通過計(jì)算承載力、沉降等各方面的參數(shù)，得到最終確定最優(yōu)方案。

3 案例分析

石油化工廠區(qū)的擬建建構(gòu)筑物可根據(jù)結(jié)構(gòu)高度和功能特性分為四類：一般建筑物，如空分廠房、渣水框架、鍋爐房、綜合樓、控制室等；高層建筑物，如氣化框架；高聳構(gòu)筑物，指高塔、冷箱、火炬、煙囪等；室外一般構(gòu)筑物，如設(shè)備基礎(chǔ)和管廊等。以河南某合成氨及配套工程項(xiàng)目部分建構(gòu)筑物基礎(chǔ)計(jì)算及設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹上述四類建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)選型。

地質(zhì)特性如下：建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，該項(xiàng)地地震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組屬第一組，場(chǎng)地特征周期值為0.45s，水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，場(chǎng)地液化等級(jí)屬輕微，場(chǎng)地土多年標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度小于0.6m。各土層承載力特征值、壓縮模量及變形特征參數(shù)見表1。

表1 各土層承載力特征值、壓縮模量及變形特征

3.1 燃料煤貯運(yùn)系統(tǒng)配電室

該項(xiàng)目燃料煤貯運(yùn)系統(tǒng)配電室屬于前述一般建筑物，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、有圍護(hù)、兩層、乙類建筑。基礎(chǔ)坐落于第②層土，因該層土試驗(yàn)地基承載力特征值較低，同時(shí)考慮其為乙類建筑，故需對(duì)該層地基土進(jìn)行合理處理以提高地基承載力。基礎(chǔ)選型確定為獨(dú)立基礎(chǔ)下墊800mm 厚級(jí)配砂加石墊層，分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95，地基承載力特征值為150kPa。獨(dú)立基礎(chǔ)通過基礎(chǔ)梁連接起來，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力?？辈靾?bào)告中給出的第②粉質(zhì)粘土地基承載力特征值為80kPa，較塑性發(fā)展深度為1/ 4 基礎(chǔ)寬度的理論計(jì)算承載力p1/ 4值保守，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)本著經(jīng)濟(jì)合理的原則，無需將獨(dú)立基礎(chǔ)下第二層土全部挖除換填。經(jīng)計(jì)算，下臥層強(qiáng)度和沉降驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.2 氣化框架

該項(xiàng)目氣化框架屬于前述高層建筑物，鋼- 混凝土混合結(jié)構(gòu)，標(biāo)高38.000m 以下為混凝土框架-支撐結(jié)構(gòu)，標(biāo)高38.000～90.000m 為鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)。主體為局部圍護(hù)結(jié)構(gòu)。依工藝要求劃分為17 層，屬乙類建筑。因氣化框架屬?gòu)?fù)雜高層建筑，上部結(jié)構(gòu)荷重較大，需考慮基礎(chǔ)的承載力要求、整體剛度、抗傾覆能力及變形要求，經(jīng)綜合比較采用樁筏式基礎(chǔ)?；A(chǔ)選用機(jī)械成孔灌注樁，樁端以第11 層細(xì)砂為持力層，單樁豎向承載力特征值Ra≥2800kPa。根據(jù)試樁結(jié)果，樁承載力和沉降均滿足設(shè)計(jì)要求；綜合考慮沖切、強(qiáng)度等要求，筏板厚度取2.2m。

3.3 火炬裝置

該項(xiàng)目火炬裝置屬于前述高聳結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，乙類建筑，火炬塔基礎(chǔ)等級(jí)為乙級(jí)。高聳結(jié)構(gòu)水平向荷載為控制荷載，在水平荷載作用下，構(gòu)筑物底部會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩和剪力，因此在基礎(chǔ)的埋深和型式的選擇時(shí)要充分考慮場(chǎng)地的基本特性和上部體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，抗傾覆能力是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。設(shè)計(jì)時(shí)采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG 樁）進(jìn)行地基處理，樁徑400mm，有效樁長(zhǎng)12.5m；以第⑦層土作為持力層，進(jìn)入第⑦層土不小于1m，單樁承載力不小于300kN，復(fù)合地基承載力特征值不小于200kPa?；A(chǔ)埋設(shè)為3.5m，采用獨(dú)立基礎(chǔ)。經(jīng)計(jì)算，強(qiáng)度、抗傾覆和變形驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.4 酸堿站設(shè)備基礎(chǔ)

該項(xiàng)目酸堿站主要分為酸系統(tǒng)和堿系統(tǒng)兩個(gè)部分，基礎(chǔ)選型和設(shè)計(jì)時(shí)一般需要考慮設(shè)備基礎(chǔ)動(dòng)力特性以及構(gòu)造要求。因一般設(shè)備較輕、高度不大，采用天然地基即可滿足承載力和變形要求。

4 結(jié)論與建議

豎向結(jié)構(gòu)體系將荷載以集中荷載或線形荷載傳遞給基礎(chǔ)，基礎(chǔ)作為建筑物和地基之間的連接體，又將豎向體系傳來的荷載傳給地基。

（1）如果天然地基的承載能力足夠，則基礎(chǔ)的分布方式可與豎向結(jié)構(gòu)的分布方式相同。在地基較軟弱或上部結(jié)構(gòu)荷載較大時(shí)，需采用條形或筏形基礎(chǔ)。筏形基礎(chǔ)有擴(kuò)大地基接觸面的優(yōu)點(diǎn)，但與獨(dú)立基礎(chǔ)相比其造價(jià)通常要高很多，因此只在必要時(shí)才使用。多數(shù)建筑物，只需將墻下的條形基礎(chǔ)和柱下擴(kuò)展基礎(chǔ)結(jié)合使用，就足以把荷載傳給地基。

（2）如果地基承載力不足，可以判定為軟弱地基，須采取措施對(duì)其進(jìn)行處理。軟弱地基系指主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構(gòu)成的地基。在建筑地基的局部范圍內(nèi)有高壓縮性土層時(shí)，應(yīng)按局部軟弱土層考慮。沖填土還應(yīng)了解排水固結(jié)條件、雜填土應(yīng)查明堆積歷史，明確自重下穩(wěn)定性、濕陷性等基本因素。

（3）對(duì)于化工類建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)型式：①一般建筑物應(yīng)選擇獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)或平板基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)鼗休d力特征值增大時(shí)，基礎(chǔ)面積可以適當(dāng)減小。②氣化框架屬?gòu)?fù)雜高層建筑，上部結(jié)構(gòu)荷重較大，考慮基礎(chǔ)的承載力要求和整體剛度，一般設(shè)計(jì)成樁筏式基礎(chǔ)。天然地基承載力特征值不小于250kPa，在滿足沉降和變形要求時(shí)，基礎(chǔ)可采用梁板式筏基或者平板式筏基，此時(shí)筏板從柱邊向四周外伸長(zhǎng)度較大。若承載力特征值增至300 kPa，可減小筏板的外伸長(zhǎng)度。③高聳建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受風(fēng)荷載控制。在正常工況下，基礎(chǔ)底面與地基土之間不得出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)?；A(chǔ)外邊緣的最大應(yīng)力需與承載力特征值有線性比較關(guān)系，而基礎(chǔ)不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)只與基礎(chǔ)自身的抗彎截面模量有關(guān)，與地基承載力的大小并無直接關(guān)系。若基礎(chǔ)底部出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，需加大基礎(chǔ)尺寸，或采用抗拔樁，以增大基礎(chǔ)抗傾覆能力。④室外設(shè)備及管廊基礎(chǔ)型式一般可采用大塊式和獨(dú)立基礎(chǔ)。室外設(shè)備基礎(chǔ)大小與設(shè)備支座形式和滿足安裝要求的尺寸有關(guān)，增大地基承載力特征值對(duì)基礎(chǔ)大小影響不明顯，而管廊的獨(dú)立基礎(chǔ)大小與承載力特征值基本呈線性關(guān)系，增大承載力特征值時(shí)可以減小基礎(chǔ)面積。

以上在進(jìn)行基礎(chǔ)選型決策研究時(shí)并未考慮結(jié)構(gòu)與土的相互作用，以及地震荷載對(duì)土中樁基礎(chǔ)的影響，在今后的研究中可以討論這兩個(gè)復(fù)雜的影響因素。