薛万凯

0 引言

随着建筑行业的不断发展，基础工程的重要性不言而喻。基础工程已成为影响建筑施工总工期和总造价的重要因素。在软土地基地区高层建筑工程造价要占总造价的25%～40%，工期占1/3左右，因此对于基础的设计要尽量把各种因素考虑进去，一定要在保证强度的前提条件下，尽量降低造价。

1 基础刚度变化对地基的影响

在这里按基础的刚度不同，先讨论柔性和刚性两种极端的基础。

1)柔性基础。

所谓柔性基础就是抗弯刚度很小，受荷载后基础发生变形。它好比放在地上的柔软薄膜，可以随着地基的变形而任意弯曲。基础上任意点的荷载传递到基底时不可能向旁边扩散分布，就像直接作用在基础上一样。因此，柔性基础的基底反力分布与作用于基础的荷载分布一致，如图1所示。

图1 柔性基础的基底反力和沉降

如果假设地基是均质的弹性半空间，利用脚点法求得柔性基础底面任意点的沉降。所得的计算结果以及工程实践经验表明，均布荷载下柔性基础的基底沉降是中部大边缘小，见图1a)。由此可见，缺乏刚度的基础，由于无力调整基底的不均匀沉降，就不可能使传至基底的荷载改变其原来的分布情况。如果要使柔性基础底面沉降一致的话就必须增加基础边缘处的荷载，减小基础中部的荷载，见图1b)。

2)刚性基础。

所谓刚性基础就是抗弯强度很大，受外力荷载后不变形，因此基础底面沉降后能保持平面。如基础的荷载合力通过基底形心，刚性基础将迫使基底各点同步、均匀下沉。这样根据以上柔性基础沉降均匀时基底反力分布不均的论述，可以推断中心荷载在刚性基础基底反力的分布也应该是边缘大中间小，见图2a)，而当荷载为偏心荷载，见图2b)，沉降后基底向一侧倾斜。这是因为刚度基础，刚度很大，受荷载后不会变形，迫使基底沉降趋于均匀的同时，也使基底压力发生由中部向边缘转移(跨越作用)。另外图中的基底反力是按均质弹性半空间理论求得的反力，在基底边缘处其值是无限大的(如图2中的实线所示)，但实际中由于地基局部剪切破坏边缘处的接触压力不可能超过一个数值，因而发生应力重分布，基底的应力为虚线所画的马鞍形。

图2 刚性基础的基底反力和沉降

基础在架越作用和土中塑性区的开展而发生应力重分布的两方面作用影响下，基底反力随着上部荷载的加大，邻近基底边缘的塑性区扩大，所增加的荷载必须靠基底中部反力的增加来平衡，于是反力图可以由马鞍形变成抛物线形。但是一般来说，由于设计中基底的截面尺寸足够大，基底反力应力分布图基本呈马鞍形。

3)基础相对刚度的影响。

以上讨论了基础的两种极限形式，可以得出地基与基础的相互作用，即基底反力与基础的架越作用有关，而架越作用的强弱取决于基础与地基的相对刚度、土的压缩性以及基底下塑性区的大小，见图3。

从图3a)我们可以看出粘土地基上相对刚度很大的基础，如土中不存在塑性区或其范围相对很小，则基础的架越作用很强。刚性基础基底反力的分布只与基础荷载合力的大小和作用位置有关，而与荷载的分布情况无关。当偏心荷载很大的时候就如同图3b)。如果柔性基础位于基岩之上或者地基土压缩性很低时，其跨越作用就很小了，见图3c)。

图3 基础相对刚度对架越作用的影响

2 软弱下卧层对基础设计的影响

对任何建筑物的地基基础设计均需满足承载力的要求。实际工程中常常碰到地基较为复杂的情况，其中成层地基中的软弱下卧层就是一种常见的情况。GB 50007-2002建筑地基基础设计规范规定，当地基中存在软弱下卧层时，除了验算持力层承载力之外，还必须验算软弱下卧层承载力，公式如下:

Pz+Pcz＜ fz。

其中，Pz为软弱下卧层顶面处的附加应力设计值，kPa;Pcz为软弱下卧层顶面处土的自重应力标准值，kPa;fz为软弱下卧层顶面经深度修正后地基承载力设计值，kPa。

如果软弱下卧层强度(承载力)不满足上式要求，基础的沉降可能会较大或地基产生剪切破坏。国内外众多的工程事故已充分说明了这一点。若软弱下卧层的验算不满足要求，就要对软弱下卧层进行处理，处理方法通常有下列三种方案:

1)加大基础底面积，减小基底压力，从而减小地基中的附加应力;2)对软弱下卧层进行处理，即提高软弱下卧层承载力;3)加大基础埋深，即将基底落在满足承载力要求的那层土上。

3 基础刚度变化与软弱下卧层对基础设计的影响在实际工程的应用

以四平某企业办公楼基础设计为例。因为该工程有软弱下卧层(如图4所示)，所以在基础设计中采用了两种不同的基础类型:一种是独立基础，另一种是条形基础，独立基础作用在第③层土中(作用在②层土中软弱下卧层的验算不满足)，条形基础作用在②土层中。

1)独立基础。把独立基础作用在第③层土中，计算结果见图5，图6。

图4 工程地质剖面图

图5 基础平面图

图6 基础剖面图

2)条形基础。把条形基础作用在第②层土上，经计算得图7，图8。

图7 条形基础平面图

图8 条形基础剖面图

经过冲切验算和软弱下卧层验算均满足要求。

经过对比验算利用条形基础较合理。因为条形基础整体刚度加大，抗弯能力加大，因此配筋比独立基础小很多，截面也小很多，而且埋深比独立基础要潜的多，造价减少了大约30万元。

[1]吴湘兴，杨小平.建筑地基基础[M].南京:华南理工大学出版社，2002.

[2]袁聚云，李镜培，楼晓明.基础工程设计原理[M].上海:同济大学出版社，2001.

[3]康谷贻.混凝土结构(上册)[M].北京:中国建筑出版社，2002.

[4]李智毅，杨裕云.工程地质学概论[M].北京:中国地质大学出版社，2004.

[5]GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].