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建筑地基 沉降控制与工程实例 邱明兵 2014年4月 P Pk k812kN 可见地基承载力满足建筑物荷载需求。 （2）建筑物沉降计算（按建筑地基基础设计规范第5.3.5条计算） 最终沉降值 s= ss =0.22x542=120mm812kN 可见地基承载力满足建筑物荷载需求。 （2）建筑物沉降计算（按建筑地基基础设计规范第5.3.5条计算） 最终沉降值 s= ss =0.2x421=84mm812kN 可见地基承载力满足建筑物荷载需求。 （2）建筑物沉降计算（按建筑地基基础设计规范第5.3.5条计算） 最终沉降值 s= ss =0.2x397=79.4mm荷载，但是灰岩侧面分布着中风化泥岩，其承载力特征 值仅仅为1000kPa，这对灰岩承载力有无影响呢？ （2）边框架下地基承载力计算 边框架下荷载效应标准值约为900kPa（柱荷载通过筏型基础分布在一个跨 度9mx5m平面上），而中风化泥岩承载力特征值为1000kPa，表面上看承载力荷载 ，可以采用天然地基。但是中风化泥岩的沉降会否大于中风化灰岩？这部分差异沉 降有多大呢？上部框支结构能否承受产生的差异沉降呢？如果预估天然地基差异沉 降过大而选用桩基础，那桩端持力层选灰岩还是泥岩？如果桩端持力层取泥岩长， 那桩长取多少？ 以上4个项目，从“按承载力设计”的思路开始，总不能最终解决问题，其 落脚点还是要解决建筑物的总沉降和差异沉降，即是按“按变形控制”的思路。 项目4分析： （1）核心筒地基承载力验算 核心筒下荷载效应标准值为2000kPa，而中风化灰岩承载力特征值为 4500kPa，表面上看承载力荷载，但是灰岩侧面分布着中风化泥岩，其承载力特征 值仅仅为1000kPa，这对灰岩承载力有无影响呢？ （2）边框架下地基承载力计算 边框架下荷载效应标准值约为900kPa（柱荷载通过筏型基础分布在一个跨 度9mx5m平面上），而中风化泥岩承载力特征值为1000kPa，表面上看承载力荷载 ，可以采用天然地基。但是中风化泥岩的沉降会否大于中风化灰岩？这部分差异沉 降有多大呢？上部框支结构能否承受产生的差异沉降呢？如果预估天然地基差异沉 降过大而选用桩基础，那桩端持力层选灰岩还是泥岩？如果桩端持力层取泥岩长， 那桩长取多少？ 以上4个项目，从“按承载力设计”的思路开始，总不能最终解决问题，其 落脚点还是要解决建筑物的总沉降和差异沉降，即是按“按变形控制”的思路。 1.2地基承载力涵义探讨 1.2.1地基承载力与上部结构的适应能 力有关 研究建筑工程岩土力学性能 的目标是为了防止上部结构破坏或坍 塌。一方面岩土性能有自身的独立性 ；另一方面，建筑物对于岩土不仅仅 提供荷载、刚度，还提供“需求”。如 果没有这些需求，岩体力学的研究就 没有意义；建筑物特征不同，其“需 求”也不同，对岩土性能要求也不同 ，因此岩体的相关指标的“限值”，不 能脱离建筑物特征而独立存在。 土的工程性能有力学性能、水理性能、化学性能等。工程力学性能 用地基承载力特征值表示。地基承载力确定方法：根据力学指标用理论公式 计算；根据建筑经验给出一个概略的数值；用野外载荷试验确定。我国主要 用野外载荷试验确定承载力特征值，压板面积为0.25m2或0.5m2，压板下23 倍宽度范围内土层是匀质的。 地基的允许承载力是指在建筑物独立基础荷载作用下，地基的强度 （整体稳定性对应的强度）和变形（对于粘性土、淤泥质土等以变形控制） 都能满足要求的承载能力。即是说：在保证建筑物地基的整体稳定性的同时 ，又不至于产生过大的沉降。换言之，这是一个双控的指标。 1.2.2岩石地基承载力与基础埋深 1、岩石地基承载力 岩土工程关注的是岩石的强度。岩石的坚硬程度根据岩块的饱和单轴抗压强 度frk分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。岩体完整程度可分为完 整、较完整、较破碎、破碎和极破碎。 确定岩石承载力应确定岩石破坏模式，这与岩体节理、微裂隙、填 充物、结构面倾斜方向等等密切相关，并不能一概确定某种极限破坏模式， 这导致要统一确定岩石极限承载力称为不能完成的任务。 为了方便工程师使用，89版建筑地基基础设计规范根据全国各地岩基平 板载荷试验和岩样试验的资料统计回归，建议取 胡岱文、黄求顺在“岩石地基的承载力”一文中（重庆建筑大学学报，1995 年12月，第17卷第4期），假定岩体为等效连续介质，极限承载力计算模式 如图1.2-4， 该折减系数纳入了2002版建筑地基基础设计规范。 根据格里菲斯(A. A. Griffith)的理论解，在完整的岩质地基上，地基的极限承 载力为单轴受压强度的3倍。根据混凝土局压模型，地基的极限承载力为单 轴受压强度的4倍。实际上，破碎、极破碎岩体可用等效连续介质模型，失 稳时破坏面呈曲线；而完整及较完整岩体呈现非连续介质特征，其破坏面为 线性结构面，如图1.2-5，这是岩体与土体根本不同之处。 （a）等效连续介质 （b）非连续介质 对于岩石的承载力，从规范的角度为了使用简便，有意忽略了一些因素的影响 ，同时为保障全国各地工程师使用后的安全性，折减系数取值偏低。事实上对于各 地区岩石承载力，具体到某个工程，应进行野外地质调查，结合岩层的产状和构造 等因素综合考虑。这样取得的岩石承载力参数方才合理，设计的地基基础方案才较 为安全、经济。 岩石力学还在不断发展过程中，当前某些学者更倾向于用研究混凝土材料力学 性能的方法来研究岩石力学性能。 2、岩石地基上基础埋深 山区地区基岩较浅且强度高，适合建设高层建筑，但基础埋深受施 工难度限制，不便加深，难以满足1/15的要求，这时能否降低埋深呢？ 首先明确，高层建筑设置埋深主要是为了防止在水平荷载下整体倾 覆（关于水平荷载下建筑物的整体倾覆的计算详见本书1.3.2），其次才是承 载力和变形要求。显然场地土越差，建筑物越易失稳；水平荷载（风荷载和 地震作用）越大，建筑物越易失稳。因此基础埋置深度应与场地土性质和抗 震设防烈度等指标有关。 建筑地基基础设计规范GB50007-201x第5.1.4条指出：在抗震设 防区，天然（土质）地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高 度的1/15；桩箱或桩筏基础的埋置深度（不计桩长）不宜小于建筑物高度的 1/18。岩石地基的埋置深度仅需满足抗滑要求。建筑地基基础设计规范 GB50007-201x第5.1.3条指出：位于岩石地基上的高层建筑，其基础埋深应满 足抗滑要求。 需要说明的是，软土地基抗倾覆能力弱，宜适当加深埋置深度。 高层建筑无地下室，通常基础搁置在基岩上，如图1.2-6，地震作用 下，基底受到的水平力为P，根据经验结构剪重比=320%；基底产生的静 摩擦力为P，岩石与混凝土之间的摩擦系数=4075%；即使考虑整体滑移 的稳定系数为23，抗滑移也能满足要求，故在抗震设防区（风荷载不起控 制的地区），基岩上的建筑物均不存在滑移失稳问题。 1. 2.3淤泥及淤泥质土地基承载力 淤泥及淤泥质土是指在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并经生 物化学作用形成的软黏性土。其沉积环境在沿海地区为滨海相、泄湖相、溺 谷相和三角洲相，在内陆平原和山区则以湖、塘相为代表。 上世纪70年代统计的全国各地的淤泥和淤泥质土的饱和度平均值如表1.2-1 。 淤泥及淤泥质土饱和度一般大于90%，天然含水量与天然孔隙比大 致呈直线关系。W=36.668e-0.982，相关系数=0.9755。 其特征为：（1）天然含水量大于液限。（2）天然孔隙比大于1.5 称为淤泥；天然孔隙比大于1.0且小于1.5的称为淤泥质土。 根据经验，按照含水量得到的淤泥及淤泥质土承载力设计地基基础 ，单个条基的沉降则可达到95mm。对于整体建筑物，应考虑条基压力的相 互影响，其可取的承载力仅为原取值的1/3。如果按照经验值设计基础宽度 ，那么其实际沉降量将远大于100mm，一般均达到2030cm，已为近数十年 软土场地建筑物沉降观测所证实。 1.2.4福建某住宅工程 高有潮在“软基上住宅建筑的不均匀沉降”一文（岩土工程学报， 1991年7月，第13卷第4期）中报道了福州火电厂软基上住宅工程的沉降观 测资料，该场地表层为0.61.2m的可塑粘土层, 含水量为30.4%。其下为 914m厚的淤泥层, 含水量为67.9%80.7%。淤泥层以下为可塑至硬塑的轻亚 粘土层，具体如表1.2-4。建筑平面如图1.2-7。建筑总沉降与倾斜见表1.2-5 。 建筑平面 表1.2-4 表1.2-5 1.2.5湛江某仓库 湛江某单层排架仓库，建于上世纪80年代，横向跨度21m，纵向跨 度6m，柱高9m。该场地表层为1518m的淤泥质粘土层，含水量为60%75% ，原地勘提供的承载力特征值为60kPa，其下为中风化基岩。采用预应力管 桩基础，两桩承台。使用中，堆载控制在60kPa以内，如图1.2-8（a）。 使用约5年后，地面即下沉约1m。由于管桩持力层置于中风化基岩 上，柱未见沉降。可见桩基础有效保障了结构物的安全。随后将地面填平， 继续使用。再过约5年，地面仍见约1m沉降，如此往复，持续20余年仍未见 稳定，如图1.2-8（b）。 1.3地基土承载力与强度指标的关系 使用公式时应注意的问题： （1）公式来源于条形基础，但用于 矩形基础时是偏于安全的。由于理 论公式是按均布荷载推导，因此荷 载偏心不宜过大，一般规定偏心距 e6m时取 b=6m计算。 （5）基础宽度b较小时，公式计算值较经验值偏小，对于砂土尤其偏小 过大，因此规定对于砂土b300kPa）地区收集21座高耸构筑物的沉降观测资料， 其中有90120m高烟囱12座，高炉、热风炉7座，水泥塔、煤塔各1座。由于土质 很好，地基变形很小，平均沉降最大为26mm，一般为10mm左右。最大倾斜为 0.12.0，构筑物未见损坏，所以认为建造在此类土上的高耸构筑物可不做变形 验算。 低压缩性土地区共有10座高耸构筑物沉降观测资料，其中30100m高的烟囱8座 ，水泥塔、谷仓各1座。均在正常使用，其中最大平均沉降为27mm，最大倾斜为 0.0011。 高压缩性土地区共有35座高耸构筑物沉降观测资料，其中1850m高的 烟囱9座，2530m高的水塔2座，高1013m容量10003000m3的钢油罐24座，均 在正常使用。其中变形最大的一座是50m高烟囱平均沉降达285mm，最大倾斜达 0.006，24座钢油罐平均沉降430700mm，最大倾斜多在0.0070.010左右，个别 达0.0191。 对于高度大于100m的烟囱，当倾斜过大时将在烟囱筒身产生过大附加 弯矩，因此随着高度增加，其允许倾斜值应减小。 高炉的地基允许变形值，应视炉顶结构情况，主要控制基础的倾斜或者 平均沉降，以保证高炉正常生产。从10份资料看，基础最大倾斜为0.0014。一般 情况下影响高炉生产使用的是生产期间的基础倾斜，但不易正确计算，所以仍用 总的基础倾斜来控制，其限值为0.0015。 对于高层建筑，为控制基础倾斜不致产生过大倾覆弯矩，提出相应限 制。 （6）相对弯曲 在均匀地层上，长矩形平面的砖石结构房屋，在荷载分布较为均 匀的情况下，将产生弯曲变形，通常用相对弯曲来表示，即是：弯曲部 分矢高f与弦长L之比，如图2.2-2。在地基土正常压缩情况下，房屋相对 弯曲多是正向；在地基不均匀或上部结构严重偏心的情况下，可能反 向。 砖砌体相对弯曲允许值，一般取0.50.7；但有钢筋混凝土圈 梁的砌体结构有达到1.2而未见裂缝。 早期一般不将“相对弯曲”作为控制指标，这是因为： （1）相对弯曲计算应考虑上部结构的共同作用，而当前这一课 题还极为复杂；即使采用考虑结构基础地基的电算程序，其精确度 也取决于地基土参数的精度，此外地基土模型的选取对计算精度和速度 影响极大。最后这些参数需要靠大量实测资料统计回归来验证。 （2）场地土不均匀，变形计算更为复杂。 工程上更为实际的做法是对于框架结构，在统计意义上建立某种 性质场地土上总沉降和差异沉降之间的经验关系，在设计中通过控制总 沉降来控制“相对弯曲”或者称为“倾斜率”。如美国有关专家提出关 系如表2.2-1： 意即：在预估总沉降量不超过50mm时，可将相邻柱差异沉降量 取为20mm，以此计算上部结构梁产生的次内力。而如果用扩展基础基础 ，为了达到同样的20mm的沉降差，那么总沉降量就要控制到25mm，显 然此要求很高。 随着带裙房高层建筑兴起，建筑物主楼内部沉降差限值、主楼外 排柱与裙房相邻主楼第一排柱沉降差限值、裙房框架柱之前沉降差限值 成为重点。有工程师提出：带裙房的高层建筑下的大面积整体筏形基础 ，其主楼下筏板的整体挠度值不应大于1.0，主楼与相邻的裙房柱的差 异沉降不应大于1，裙房柱间的差异沉降不应大于2。实际情况如前 所述，这种沉降差限值计算中，必然考虑上部结构-地基基础共同作用。 不过即使用“共同作用”分析软件，其中的误差也较这些数值大。 2.3建筑物沉降变形的控制 产生沉降差较大的主要原因： 通过对上面的沉降观测资料的回顾和总结，可以发现产生沉降差较大的 原因主要有两个： （1）建筑物位于高压缩性土上。上世纪80年代以前，众多建筑物建造于淤泥及 淤泥质土上，使得总沉降极大，相应的差异沉降也极大，同时相邻建筑物之间的 相互应力叠加也加重了沉降差，从而导致各种不利于建筑物正常使用的沉降变 形。随着工程界对地基土认识的加深，当前工程师在此类软土场地上，或者采用 复合地基、或者采用减沉复合疏桩、或者采用桩基础，在选择合理的持力层前提 下，都能控制住沉降差，从而解决这个问题。 （2）荷载差异。某些