软弱下卧层地基承载力验算的应注意的问题研究

软弱下卧层地基承载力验算的应注意的问题研究

摘要：《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-98）以下简称规范中给出了单独基础软弱下卧层承载力验算公式。当相邻基础按规范压力扩散角传到软弱下卧层顶的附加压应力不产生重叠时(图1) ，按此进行验算是合适的和正确的。但是，实际工程设计时常遇几个相邻基础靠得较近、按规范压力扩散角传到软弱下卧层顶的附加压应力产生重叠的情况（图2），第i个基础在软弱下卧层顶面处的附加压应力值Pi，而规范对此并未作出规定，有的设计人员不考虑基础间的应力叠加影响，按单独基础验算下卧层承载力，认为单独基础满足Pcz+Pz≤fz即可（Pcz为软弱下卧层顶面处土的自重压力标准值，fz为软弱下卧层承载力设计值）；有的设计人员在考虑基础间的应力叠加影响时，采取应力重叠区的应力之和小于下卧层承载力设计值fz,即Pcz+ΣPzi≤fz的方法来验算下卧层承载力。这两种方法的计算结果差别很大。因此，对软弱下卧层承载力验算进行探讨，具有较大的现实意义。

关键词：软弱下卧层；地基承载力验算；应力叠加

一、对规范软弱下卧层承载力验算规定的理解

规范第五章第一节第5.1.6条和第5.1.7条对软弱下卧层地基承载力验算作出了规定，这就是设计人员验算软弱下卧层的依据。

规范的这些规定是通过单独基础的模型试验及野外试验研究并参照双层地基中附加应力分布的弹性理论解答，根据基底压力与扩散面积上总附加压力相等的条件进行简化得到的。在规范的规定中，压力扩散角Ø的确定是最关键的。由规范表5.1.7可知，Ø是根据E1/E2和Z/B来确定的（E1为上层硬土层压缩模量，E2为为下卧层压缩模量E2，Z为基底至下卧层的距离，B为基础宽度）。规范压力扩散角的试验是在基宽B与硬持力层厚度Z相同的条件下进行的。试验研究表明，当基底压力较小、地基土处于弹性变形阶段时，硬土层具有较强的跨越作用，Ø值较大，传到软土顶界面上的压应力较小；随基底压力增加，当基底下土出现塑性区后，硬层挠曲变形不断增加，Ø降低，传到软土顶界面上的压应力急剧增加，直到硬持力层出现开裂、发生冲剪破坏，压力扩散角Ø达到某一定值。因此，规范的规定是以单独基础的持力层不发生冲剪破坏为保证条件的，未考虑基础间的应力叠加影响。对硬持力层厚度小于基宽的情况，由于缺乏试验论证，规范是借助已有的双层弹性地基的理论解答进行分析得到的。

二、基础传至软弱下卧层顶面附加应力的分布规律

由地基承载力的确定方法可知，当基础压力小于地基承载力时，地基基本处于弹性变形阶段；在使用荷载作用下，地基附加应力分布与弹性阶段相类似。因此，可采用刚性基础下双层地基中附加应力的理论解答，求得基础传至软弱下卧层的附加应力分布情况。根据双层弹性地基的理论解答，基础传至软弱下卧层顶面的附加应力Pz不像规范规定的那样，仅在扩散角Ø的压力扩散面积上均匀分布、在Ø角扩散区外为零，而是不均匀地分布在一个相当大的范围内，应力在基础中心点下轴线处最大，距离中轴线愈远愈小。将根据双层弹性地基理论得到解与均质弹性地基的Boussinesq解进行比较可知，在软弱下卧层顶面的应力分布比均质地基要平坦得多。有关的试验研究也证明了这一点。这说明在弹性阶段，硬壳层具有类似于扩展基础的分布荷载的能力，能将上部荷载传递到较大的范围，从而降低软弱下卧层顶面的附加应力值。

根据上述分析，如果把相邻基础按规范法计算得到的重叠扩散区上的附加应力直接叠加来验算软弱下卧层，即Pcz+Pz≤fz, 就会过高估计应力重叠的影响，使设计的基础尺寸过大，甚至出现无论怎样调整基础面积都不能满足规范要求的情况。有时按规范法计算得到的重叠区域是很小的，如果也按Pcz+Pz≤fz叠加法验算而不考虑硬壳层较强的分布荷载的能力，是很不经济的。另外，当地基存在压缩性较大的软弱下卧层，扩大基础面积时，由于压缩层也增大，其结果甚至会适得其反。

但若走向另一个极端，不考虑相邻基础的相互影响，则也可能造成工程事故。实际工程设计中曾出现过这种情况：在某软弱下卧层地基上进行基础设计时，设计人员采用条基，未考虑相邻条基的相互影响，按规范验算软弱下卧层的规定对单独条基进行验算，结果满足规范要求；而到施工图校审时，校审人员凭工程直觉，感觉基础设计有问题，就粗略按尺寸为建筑周边外皮包围内满堂基础估计，发现这样做下卧层承载力验算刚刚满足规范要求，于是将条基改为筏基，避免了一起严重的事故。文献介绍了某上硬下软地基上综合楼的质量事故，该工程由于忽视了基础间的应力叠加影响(按规范规定扩散角计算，基础间的应力叠加区域已达到100%)，按单独基础验算下卧层满足规范要求，结果在工程竣工后出现了地基不均匀沉降、上部结构发生严重开裂的质量事故。

三、设计建议

综上所述，考虑在使用荷载作用下地基基本处于弹性变形阶段，硬壳层具有较强的类似于扩展基础的分布荷载的能力，因此，当相邻基础距离较近，按规范计算的软弱下卧层顶的附加压应力产生重叠时，可以将相邻基础压力扩散后的净面积作为计算附加应力的面积（图3），此时Pz=ΣP/(ΣA净)。如图3示，基础1

对应的扩散面积为A1，基础2对应的扩散面积为A2，扩散面积的重叠区域面积为A12，则两个基础对应的净扩散面积为A净=A1+A2-A12，软弱下卧层顶面处的附加应力Pz=ΣP/(ΣA净)=(P1+P2)/(A1+A2-A12)。然后按Pcz+Pz≤fz来验算下卧层承载力是否满足规范要求。对于相邻多个基础发生应力重叠的情况，可采用与此相同的方法进行下卧层承载力验算。若满足要求，则可视工程具体情况决定是否需进行基础沉降计算。若需进行沉降计算，就验算沉降变形值是否满足规范要求；而若下卧层承载力或沉降变形值不满足要求，则需采用扩大基础面积，改变基础形式或其他措施，直至满足规范要求。至于相邻基础按规范压力扩散角传到软弱下卧层的附加压应力不产生重叠的情况，按规范规定，只对单独基础验算即可。

根据笔者多年的工程实践经验，采用本文所建议的方法验算软弱下卧层是合适的，基础设计安全经济，可在设计时采用。

参考文献

1. 中国建筑科学研究院建筑地基基础设计规范GBJ7-89条文说明沈阳：辽宁科学规范技术出版社，1989

2. 朱照宏等，路面力学计算北京：人民交通出版社，1985

3. 肖逸生，某中学综合楼质量事故分析。建筑结构2000

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。