补偿基础沉降机理分析

第28卷 增刊 岩 土 工 程 学 报 Vol.28 Supp. 2006年 11月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Nov., 2006

补偿基础沉降机理分析

梅国雄，周 峰，黄广龙，宰金珉

（南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 210009）

摘 要：补偿基础的应用逐渐广泛，但是在具体的应用过程中常常会出现补偿基础出现较大沉降的现象，甚至全补偿、超补偿基础也不例外。对此，本文分析后认为这可能与目前普遍采用的施工方法有关。目前为了施工方便而将基底回弹土体一并开挖从而使坑底土体的性状发生较大的改变，并最终导致上述现象的发生。另外，在以上分析的基础上，本文介绍了一种常用于水闸基础的“锅底形”底板并以此来解决上述问题。

关键词：补偿基础；回弹模量；压缩模量；沉降；回弹变形

中图分类号：TU454文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2006)S0–1398–03

作者简介：梅国雄(1975–)，男，湖北黄梅人，教授，博士后，主要从事土压力、土体固结以及桩土共同作用方面的理论研究和工程应用。

Settlement analysis for compensated foundations

MEI Guo-xiong，ZHOU Feng，HUANG Guang-long，ZAI Jin-min

(College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)

Abstract: The compensated foundations, are applied more and more widely, but their settlement usually happen in practical applications, even for full-compensated foundations and overfull compensated foundations. It was considered that the above problems might be caused by construction methods widely adopted now. Concretely, for convenience, the heaved soils were excavated, and accordingly the character of soils in the bottom of foundation pit changed distinctly. Finally, a new raft foundation called “inverted vaulting raft” used to solve the above problem was introduced.

Key words: compensated foundation; modulus of resilience; modulus of compressibility; settlement; rebound deformation

0 问题的提出

目前随着对地下空间的开发与利用的逐步重视，补偿式基础也逐渐得到了越来越广泛的应用。所谓补偿基础是指当基础埋深D较大时，其相应于基础深度处土的自重应力P d与水压力P w之和P c在数值上比较可观，往往可以抵消部分或全部建筑物的基底压力。从理论上讲，如果基底压力P恰好等于P c时，基底附加应力P0为零，即基底土中的有效应力不发生变化，则地基不会发生任何沉降，也不存在承载力问题，此时可称之为全补偿基础。如果P

本文试图从基础的补偿机理以及由于施工因素的影响而导致基坑开挖后坑底土性状发生较大改变等方面出发，对补偿基础的沉降机理作一简单的论述，权当抛砖引玉。

1 基坑开挖后土体应力应变状态及其

回弹变形

基坑开挖前建筑物场地地面为一水平边界面，地面以下为半空间无限体，基坑开挖之后，局部地面水平边界变为由基坑壁与坑底组成的下凹状曲线边界。显然在这样的一个过程中，基坑底以下的土的应力与应变状态将发生显著的变化。基坑开挖过程对于基坑底面来说相当于一个卸载过程，如设挖出的土体平均重度为γ，开挖深度为D时，则相当于在基坑底土上卸去D

γ的荷载。在卸荷作用下，在基底以下一定范───────

基金项目：霍英东青年教师基金(91076)；教育部科学技术研究重点项目(205058)；江苏省高校自然科学研究计划项目(04KJB560048)；江苏省建设系统科技计划项目(JS200416)

收稿日期：2005–12–05

增刊梅国雄，等. 补偿基础沉降机理分析 1399

围内将产生拉应力（或回弹应力）。图1为基坑开挖后土中应力分布的简图。图中P c为基底处土的自重应力，卸荷后就变为拉应力，与附加应力相类似，其在土中的分布近似呈图1中虚线的形状。显然随着深度的增加，土的自重应力逐渐增大，土中拉应力将随之较小，直至在某点处土中的拉应力减小至0。设该点到基底的深度为Z a，则可定义坑底Z a深度范围内的区域为拉应力区。Z a为拉应力区的厚度，实际亦为基坑底回弹变形区的厚度。

按线性变形体理论拉应力将产生相应的拉应变，即基坑将发生回弹变形，坑底土也随即发生隆起，理论研究和实测结果均显示坑底土体的隆起量并不均匀，而是呈倒扣的“锅底形”，基坑中间的土体隆起量大，四周的隆起量小。具体如图2中曲线①所示。显然，隆起量大的区域土体的孔隙比变化也较其它区域要大。

图1 基坑开挖后坑底土体的应力分布 Fig. 1 Stress distribution of soils in foundation pit base after excavated

2 施工因素对基底土体性状的影响

从理论上讲，在整个基坑的施工过程中，始终保持基坑底土体的隆起量不变（图2中的曲线①），那么随着基础和上部结构的施工，基底土将逐渐进入再压缩阶段。坑底边界面也会曲线①变为曲线②的形状。坑底土体也能近似恢复到基坑开挖前的性状。如果基础为全补偿或者超补偿时，卸载量足够抵消上部结构荷载，再压缩阶段将不会产生附加沉降。但在具体施工时情况却非如此简单，实际上为了方便施工和保持坑底土的平整，基坑底隆起的土体通常情况下均被挖去。在这种情况下基坑底土进入再压缩阶段时，基坑底面实际上已经变为如图2中曲线③所示的下凹面，相当于超挖了∆V体积的土体，亦即基坑重新加载后，坑底已经由原来的均匀土体变成了中间蓬松四周较密实的不均匀土体，土体的性能有了较大的削弱。在这样的地基土上建造房屋，不仅会加大建筑物的沉降，基础底板的内力也会大大增加，偏不安全，应引起人们足够的重视。

图2 开挖后基坑底回弹变形示意图

Fig. 2 Rebound deformation after excavated

3 施工因素对土体压缩模量的影响

如上文分析，目前常规的施工方法容易造成基坑底部土体性能的削弱，从而加大建筑物的沉降，应该引起足够的重视。在具体设计时如果考虑并能较准确地估算出地基的回弹与再压缩变形将对解决和预防上述问题有一定的帮助。目前计算基坑的回弹与再压缩变形的方法有很多种，其中较典型的如分层总和法[1]、残余应力法[2]以及复变函数法[3]等等。纵观上述几种计算方法，暂不讨论孰优孰劣，其计算结果实际上无一例外的均依赖于计算模量的正确选取。而目前在计算基坑回弹和再压缩时采用的模量均为根据试验室中侧限压缩试验结果得出的，而试验中采用的土样则是在基坑没有开挖前取得的。由前文分析可知，常规施工方法相当于在基坑底超挖了∆V体积的土体，实际上正是这∆V体积的存在，已经造成了土体模量的较大改变。如图3所示，如果按照室内侧限压缩试验

图3 土体的压缩曲线

Fig. 3 Compression curves of soils

的试验结果，土体卸载点和回弹再压缩点会相差不大，近似重合（图中A、B点）；而实际情况由于超挖∆V 体积的土体，实际受荷后基坑中心的土体将比理论情况蓬松的多，亦即重新加载时基坑中心土体的孔隙比比室内试验情况要大（图中C、C e点）。另外显而易见，实际情况的再压缩过程土体的孔隙比变化也将比室内试验情况来的大。因此根据室内试验选取的回弹指数C e实际上比真实情况要小，这样理论计算的再压缩量亦会比实际情况要小的多。至此也就不难理解出