地基基础和上部结构整体稳定性分析

地基基础和上部结构整体稳定性分析
在一系列理想的条件下通过经验修正得到的，然而岩土不同于其他材料，其弹塑性都有很独特的方面。

在地基的强度和变形都满足条件的情况下由于理想条件的假定使得计算结果往往只对一小部分的模型较为合适，而对于地基较复杂，上部结构要求较高的工程就不再适用。

这是因为与理想条件不同，地基不是连续均匀的，各向也不同性，地基基础和上部结构的相互作用对结构的整体稳定性影响更大。

所以地基基础设计时要着眼于三者相互作用的情况进行分析，这样不仅能得到合理的效果，还能获得很大的经济效益。

通常情况下如果地基土较均匀，压缩性较低，则地基的不均匀沉降会很小，这时对地基承载力起变形条件的主要作用是地基，其次是基础，上部结构的作用是非常有限的，那考虑三者的相互作用意义就不大，按常规方法即可作出合理的结果。

但是如果地基软弱且上部结构为砖石砌体承重结构或者为钢筋混凝土框架结构敏感性结构、基础为条形基础。

按常规的方法就不能得到满意的结果，这就需要考虑地基基础和上部结构共同承担荷载而产生的变形，三者不仅要满足静力平衡，还要满足变形协调条件，也就是结构刚度对地基不均匀沉降的影响。

为了对地基基础和上部结构综合考虑，下面对这三个方面对不均匀沉降、以及基底反力的分布分别作出分析。

1 地基的影响
在软土地基上，压缩性高，强度低。

例如饱和松散细沙或淤泥质土，这类地基通常很难满足地基承载力和变形要求，而需要人工处理，当基础刚度较大时，基底受到的反力在集中荷载作用下为均匀分布，有偏心荷载时，呈梯形或者三角形分布。

在坚硬地基中，比如坚硬粘性土、密实卵石，集中荷载作用在刚性基础上时仅荷载附近的地基受力，远离的一端不受力。

当基础为相对柔性的基础时，远离集中力作用点的一端有可能处于悬空状态。

对于软硬悬殊的地基，这种地基实际工程中经常遇到，如果按常规的设计方法可能与实际情况相差很大。

所以要根据地基土不均匀的情况使上部荷载处于最有利状态。

如果地基中部坚硬，两侧较软弱。

上部荷载分布时使中部地基承受较大的力，两边承担的小些；若地基中部软弱，两侧坚硬，上部荷载分布时使两侧承担较大的荷载，中间小些。

这样处理使地基均匀受力更为有利，反之就会使地基处于不利的影响，加剧条形基础的挠曲程度。

2 基础刚度的影响
柔性基础时抗弯很小的基础，可以随着地基变形而任意的弯曲，应力在柔性基础上不产生扩散，因此基底反力的分布与上部荷载作用于基础上的情况基本一致。

当均匀荷载作用下通过工程实践结果得知，中部受力较大，两边小。

要使沉降均匀的发生可以增大两边荷载或减小中部荷载，由于柔性基础刚度不够，所以其调节不均匀沉降的能力较差。

刚性基础与柔性基础最大的不同就是具有了极大的抗弯刚度。

平面的基底如果发生沉降，基底仍然保持平面，所以如果荷载作用在中心处，
基础既可以均匀下降。

刚性基础底面积大且埋得较深时，由于刚性基础的“架越作用”荷载会相对集中地传至基底的边缘呈现出马蹄形，而如果上部结构继续增大，基底边缘的塑性区逐渐扩大，基底中部就会承担反力来平衡外部荷载。

对于岩土类材料产生塑性即可认为破坏，所以当塑形区域产生但不是大面积时就可以认为上部结构达到了地基极限荷载，此时基底反力呈线性形状。

3 基础相对刚度的影响
对于不同性质的地基土，基础在其作用下产生的效果也有很大差别，例如岩石地基上基础的相对刚度较小，由于扩散能力很低，基底就会产生反力集中的现象，甚至基础一端出现悬空。

而在粘性土地基上基础相对刚度较大，荷载不太大时“架越作用”很明显，基底反力也随着荷载的增大而逐渐呈直线状态分布，地基的沉降基本均匀。

基础的相对刚度越强，沉降就会越均匀，基础内力也越大。

4 上部结构刚度的影响
地基变形时将对不同刚度的上部结构产生不同的影响，同样上部结构刚度的大小不同，对基础受力状况也产生不同的影响。

对于安全柔性的结构，例如土堤、土坝以及屋架、柱子、基础为承重体系的结构。

这些结构对基础的不均匀沉降有很大的适应性，可以与地基变形保持一致，由于上部结构对地基的不均匀变形有调节能力，地基沉降产生的沉降差不会在主体结构中引起附加应力。

烟囱、水塔、高一类刚度很大的结构物，在中心荷载作用下地基的沉降相同，上部结构的刚度越大，调节不均匀沉降的能力就越强。

因此
为防止不均匀沉降带来的害，可以在结构上和结构施工上采取适当的措施，也可以加强结构的整体刚度例如对单独柱基础的框架设置地梁。

刚度较大的上部结构对地基变形的影响是很显著的，对于建筑物高度和长度之比小于0.25时，地基的变形呈抛物线形状，即中部大两端小。

随着层的升高后，两端的沉降逐渐增大中间沉降变慢，这是由于上部结构刚度变大，荷载均匀的向沉降小的部分传递，使得沉降差减小。

即使地基不均匀附近存在其他荷载对地基有影响，基础也只会发生转动倾斜，而不会发生挠曲变形。

增大上部结构的刚度，基础受到的挠曲变形和内力就会减小。

对于普通的高层建筑，刚度是随着层的增高而变大的。

但框架结构的刚度层数超过一定数后竖向刚度基本就不再变化，只是下部几层起着调整不均匀沉降的作用。

上部结构正是通过调节基础的各段挠曲变形来减少不均匀沉降的幅度。

除了柔性结构和刚性结构，上部结构还有一部分属于敏感性结构，这类结构对地基的不均匀沉降反应灵敏，会引起本身较大的附加应力，例如单层钢筋混凝土结构、低层砖石砌体结构。

在这些结构中很小的沉降差就足以引起很大的附加应力，所以结构本身在设计时要有很大的强度储备，以免产生开裂现象。

以框架结构的独立柱基础为例，假如横向有三个独立柱基础，则中间柱荷载会减小，两边变大，并向外转动，梁柱发生挠曲产生次应力。

综上所述，地基基础和上部结构并不是互相独立的三个部分，一方面都会对其他两方面产生影响。

同样的地基由于基础的不同，基底所受到的反力分布是不同的，同样的基础作用在不同地基上，由于土的颗粒
级配、含水率、空隙比的不同，基底受力分布也会有很大差异，从而引起的压缩沉降也不同。

上部结构的刚度大小对地基和基础也起着很大的调节作用。

在传统的计算方法中计算地基承载力和变形时都只单独考虑了三者的作用关系。

例如在计算得到上部结构对基础的传递的压力后，只是假设基底受到的均布荷载来计算，在得到基底中心的附加应力来演算地基变形时也不再考虑基础和上部结构，然而基础和上部结构就作用在地基上，它们对地基产生的影响不可能只用一个附加应力来表达。

调整不均匀沉降时可以考虑三者的影响在各个方面做出改善。

建筑措施：设计建筑物的体型时尽量简单、设置沉降缝、调整相邻建筑间距。

结构措施：减轻自重、增加刚度和强度、减小附加应力例如采用补偿性地基、采用低敏感形结构。

施工措施：保持基底地基土原状结构、合理的施工顺序。

最后提出合理的分析方法：
地基基础和上部结构看成一个整体来考虑，共同承担荷载影响变形；三者都会因为自己的刚度对变形产生制约作用，从而影响整个体系的内力、结构变形以及地基沉降；三者同时满足静力平衡条件和变形协调条件。