地基基础设计中的变形计算

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地基基础设计中的变形计算

党昱敬/中冶建筑研究总院有限公司，北京100088

0 前言

工业与民用建筑地基变形计算是地基基础设计的重要内容，随着人们认识的不断发展，广大工程技术人员根据已有的数学方法和先进的计算手段，针对

地基基础分析计算提出了不少地基模型，研究成果颇

多，作者也曾尝试涉猎该领域，做过一些粗浅分析研究和探讨[1,2]。任何一个地基模型和研究成果，只有通过计算值与实测值的比较，才能确定其可靠性。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007－2011）[3]（简称地基规范）根据弹性分层地基模型，采取简化手段，通过采集大量建筑物的变形计算值与相应沉降观测值的比值数据，进行统计分析计算，确定了比较符合工程实际的沉降计算经验系数，该方法简单实用，受到工程设计人员的青睐。随着计算机科技水平的飞速发展，±0.000m 标高以上结构的设计计算早已电算化，并不断完善。而以往将不规则基础形式按面积当量成矩形或圆形基础、平均附加压力值和单一柱状图

的手工简易变形计算方法，已无法满足现代化建设中工业与民用建筑地基基础设计要求。对于不均匀地基、荷载差异较大、体型复杂的建筑物，如何合理地进行变形计算和正确诠释地基变形控制指标，是作为参与地基基础设计的岩土工程师所必须面临的课题。通过多年来地基基础设计实践，曾对目前国内常用的三种地基基础设计软件变形分析计算结果进行了初步验证分析[4]，本文根据规范对地基变形指标控制要求[3]和相关设计计算理论[5]，通过数学方法，借助计算机辅助设计[6]，主要阐述高层建筑筏板基础和框、排架结构独立基础以及砌体承重结构条形基础，在地基不均匀情况下的地基变形控制指标计算方法。 1 地基变形计算理论和方法

地基变形引起的沉降可以分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜四种，如图1所示。建筑物的结构类型不同，起控制作用的沉降类型也不一样，通常多、高层及高耸建筑由倾斜值和平均沉降量控制；框架结构和单层排架结构受相邻柱基础的沉降差控制；砌体承重结构受局部倾斜值控制。地基规范根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求，确定了地基变形控制指标允许值。

图1中地基变形控制指标的计算理论见地基规范。在变形分析计算时，既要考虑上部结构荷载大小分布不同、相邻荷载及基础不同形式的影响，也要考

虑地基土层的不均匀性，才能较准确地确定沉降量和不均匀沉降。随着计算机水平不断发展，变形分析计算中上述影响因素，借助计算机辅助设计，通过以下数学方法完成：

图1 基础沉降分类

（1）建筑场地工程与水文地质条件，是地基基础设计和施工的重要依据，为了较好地评价地基和为地基基础设计提供计算参数，文献[7]对勘探点的平面布置和勘探点深度有明确的论述和规定，限于篇幅，不再赘述。图2为一拟建建筑物场地勘探点平面布置图，地基基础设计变形计算中任意点的竖向各土层的标高和物理力学参数，根据1#～5#勘探孔提供的竖向各土层的标高和物理力学参数，通过数学方法形函数插值法求得。

（2）对建筑物的形状不规则的筏板基础和附加荷载分布不均匀的地基变形计算，可采用分块集中力法计算基础下的压力分布，并按刚性基础的变形协调原则调整，分块越小计算精度越高；对于采用筏板基础的单幢高层建筑物，其筏板基础的偏心按0.1/e W A ≤要求，

相当于对矩形基础基底边缘最小压力与最大压力之比k min kmax /0.818P P ≥，即地基土上的压力呈梯形分布，如图3所示，地基基础设计变形计算中任意点的附加压力可通过数学方法内插法求得。

（3）对有相邻基础荷载影响的地基变形计算，按应力叠加原理，如图4所示，采用角点法计算[5]。

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图2勘探点平面布置 图3 基底压力分布（e ≤0.1W /A ）

图4 角点法计算M 点下平均附加应力系数值

（4）对条形基础地基变形计算，首先将条形基础按纵横墙交点分成若干个矩形基础，考虑相临矩形基础荷载影响，按应力叠加原理，采用角点法计算[5]。 在我国现有设计体制中，复合地基设计通常由岩土工程师参与完成，通过几年来的设计实践和参与的设计方案论证发现，大部分的变形计算过于简化，没有准确反映地基变形特征，不能为结构工程师计算基础内力提供可靠依据。究其原因，作者认为主要是将上部结构基础和地基在地基基础设计中分离。本文选用国内常用的三种地基基础设计软件之一PKPM-JCCAD 软件进行地基变形分析计算

[5,6]

，该软

件结合现有国家规范[3]

，既可接力上部结构设计计算常用的SATWE 、TAT 、PMSAP 及PK 软件传来的荷载，又能进行完整的地基基础设计计算。 2 工程实例

本文以同一场地地质资料，分别对剪力墙结构筏板基础、框架结构独立基础以及砌体承重结构条形基础进行变形计算分析。

拟建建筑物场地工程地质剖面和地质土层基本物理力学性能指标分别见图5和表1，自然地面（室外地坪）标高40.230m ，地下水位标高32.100m 。 ±0.000相当于绝对标高40.800m ，剪力墙结构筏板基础、框架结构独立基础和砌体承重结构条形基础埋深分别为-3.8，-2.0，-2.0m ；采用CFG 桩进行地基加固处理，CFG 桩端落在⑥层细砂上，CFG 桩桩端标高按最不利原则和桩端全截面进入持力层深度要求[8]取值，设计桩顶标高和桩端标高见图5。加固处理后地基持力层承载力特征值均为280kPa ，复合土层压缩模量见表1，CFG 桩复合地基强度及复合土层压缩模量设计计算方法见文献[9]，详细计算过程从略。

以上依据最不利原则，对建筑物基础所处场地复合地基强度和复合土层压缩模量进行分析计算取值，同样对建筑物基础所处场地天然地基土层基本物理力学参数取值也遵循此原则。而在变形分析计算中，

厚度和物理力学参数，才能较准确地诠释地基各项变形控制指标。图6为采用形函数插值法，根据建筑物基础所处场地勘探孔平面位置和工程地质剖面图所形成的三维线框立体图[6]，图中提供了建筑物基础所处任意位置基底下竖向各土层厚度，采用计算机辅助设计计算时，程序自动采集沉降计算所处位置竖向土层厚度和物理力学参数（表1），即在变形分析计算时考虑地基的不均匀性[6]。 2.1 筏板基础变形计算分析

如前所述，筏板基础在变形计算分析时，需计算