浅谈高楼深地基的沉降措施及计算方法

【摘要】本文就生活中常见的高层建筑地基处理问题作简单的讨论。如果地基的承载能力足够，则基础的分布方式可与竖向结构的分布方式相同。但有时由于土或荷载的条件，需要采用满铺的伐形基础。伐形基础有扩大地基接触面的优点，但与独立基础相比，它的造价通常要高的多，因此只在必要时才使用。不论哪一种情况，基础的概念都是把集中荷载分散到地基上，使荷载不超过地基的长期承载力。

关键词：地基 设计 桩基 处理

引言

基础是建筑物和地基之间的连接体。基础把建筑物竖向体系传来的荷载传给地基。从平面上可见，竖向结构体系将荷载集中于点，或分布成线形，但作为最终支承机构的地基，提供的是一种分布的承载能力。

一、高层建筑基础选型

房屋基础设计应根据工程地质和水文地质条件、建筑体型与功能要求、荷载大小和分布情况、相邻建筑基础情况、施工条件和材料供应以及地区抗震烈度等综合考虑，选择经济合理的基础型式。

高层建筑基础承担着将高层建筑上部结构的荷载传递给地基的重要作用,在设计时,应将高层建筑上部结构、基础与地基协同考虑。在地震区,凡是地基基础好的,建筑结构所受到的破坏就轻,危害就小,否则就破坏严重。在工程质量事故中,如果基础工程出现质量问题,补救起来相当困难,还会给工程造价和工期带来较大的影响。所以,在进行地基基础设计时,除了保证基础本身应具有足够的强度和刚度外,还应考虑地基的强度、稳定性及变形的要求,为使基础设计更合理,应综合考虑上部结构、基础和地基的共同作用。 高层建筑基础工程的重要性,还表现在基础工程在高层建筑的工程造价中占有较大的比重。基础工程所耗费的钢材、水泥用量多,施工难度大,一般情况下基础工程造价占土建工程总造价的20%左右,工期占土建工程的20-30%,当地质条件复杂时,其造价和工期所占的比重还会增加。因此,选择合理的基础形式与计算方法,是保证建筑结构安全,降低工程造价的一个有效措施。 高层建筑基础的重要性,还表现在基础形式的多样性和影响因素的复杂性。在一些地质条件差的地区,基础的设计与施工涉及面广,它不仅与上部结构和基础本身有关,还与地基土的性质、水文条件、周围环境等因素相关。基础工程在雨季施工时,也会给施工增加很多困难,还会造成一些局部的返工,土建工程拖延工期往往就和基础工程进度有关。因此,选择合理的基础形式对缩短施工工期也是具有重要意义的。

二、防止不均匀沉降损害的措施

1、建筑物的体型应力求简单

地基条件不好时，在满足使用要求的前提下，应尽量采用简单的建筑体型，如长高比小的等高“一”字型建筑物。实践表明，这样的建筑物，由于整体刚度好，地基受荷均匀，所以较少发生开裂。

平面形状复杂的建筑物，纵、横单元交叉处基础密集，地基中由各单元荷载产生的附加应力互相重叠，必须出现比别处大的沉降，加之这类建筑物的整体性差，各部分的刚度不对称，很容易遭受地基不均匀沉降的损害。

建筑物高低（或轻重）变化太大，地基各部分所受的荷载轻重不同，自然也容易出现过量的不均沉降。因此，当地其软弱时，建筑物的紧接高差以不超过一层为宜。

2、 控制长高比及合理布置墙体

砌体承重房屋的长高比大，整体刚度就差，纵墙很容易因挠曲过度而开裂。对于平面简单，内、外墙贯通，横墙间隔较小的房屋，长高比的控制可适当放宽。

合理布置纵、横墙，是增强砌体承重结构房屋整体刚度的重要措施之一。一般房屋的纵向刚度较弱，故地基不均匀沉降的损害主要表现为纵墙的挠曲破坏。内、外墙的中断、转折，都会削弱建筑物的纵向刚度。地基不良时，应尽量内、外墙都贯通，纵横墙的联结形成了空间刚度，缩小横墙的间距，可有效地改善房屋的整体性，从而增强了调整不均匀沉降的能力。

3、设置沉降缝

用沉降缝将建筑物（包括基础）分割为两个或多个独立的沉降单元，可有效地防止地基不均匀沉降产生的损害，分割出的沉降单元，原则上都要求具备体型简单、长高比小、结构类型不变以及所在处的地基比较均匀等条件。为此，沉降缝的位置通常选择在下列部位上：（1）长高比过大的建筑物的适当部位;(2)平面形状复杂的建筑物转折部位；（3）地基土的压缩性有显著变化处；（4）建筑物的高度或荷载有很大差别处；（5）建筑物结构类型（包括基础）截然不同处；（6）分期建造房屋的交界处；（7）拟设置伸缩缝处（沉降缝可兼作伸缩缝）。

4、相邻建筑物基础间净距的考虑

地基中附加应力向外扩散，使得相邻建筑的沉降互相影响，在软弱地基上，两建筑物的距离太近时，相互影响产生的附加不均匀沉降，可能造成建筑物的开裂或互倾，这种相互影响主要表现为：（1）同期建造的两相邻建筑物之间的彼此影响，特别是当两建筑物轻（低）重（高）差别太大时，轻者受重者的影响；（2）原有建筑物受邻近新建重型或高层建筑物的影响，为了避免相邻影响的损害，软弱地基上的建筑物基础之间要有一定的净距，其值视地基的压缩性、影响建筑物的规模和重量、以及被影响建筑物的刚度等因素而定。

三、地基设计中的沉降计算

有关计算参数的确定

在进行地基设计之前，先通过勘探和原位试验（如荷载试验，旁压试验）或室内压缩试验，测定有关计算沉降的土工参数。试样无侧向变形的压缩试验结果，可用压缩曲线或称e－p（e～logp）曲线表示，并得出反映土压缩性高低的两个指标（压缩系数av、压缩指数C），同时为了研究土的回胀特性，亦可进行减压试验，得出土的回弹、再压曲线。=

av＝（e1－e2）／（p2－p1）＝－Δe／ΔpCc＝（e1－e2）／（logp2－logp1）＝－Δe／log（p2／p1）=

压缩系数不是常量，它随压力增量的增大而减小。在我国《工业民用建筑地基基础设计规范》按a1－2值的大小（即P1＝100KPa，P2＝200KPa），划分土的压缩性。而压缩指数在较高的压力范围内基本为常量。通过两种图示曲线可以算出：

av＝0.435／p・Cc为所研究压力范围内的平均压力 不同固结条件下的沉降计算

如前所述目前工程中广泛采用的分层总和法，该法按照压缩曲线所取坐标的不同，又可分为e－p曲线法和e－logp曲线法。

在进行地基沉降计算时，先要确定地基的沉降深度（即压缩层的界定），对于天然沉积的土层，土体本身已在自重作用下压缩稳定，所以地基中的初始应力δZ随深度的分布即为土的自重应力分布。而地基土的压缩变形是由外界压力（沉降计算压力）在地基中引起的附加应力δS产生的，在理论上附加应力可深达无穷远。但目前在水利工程中通常按竖向附加应力δZ与自重应力δS之比确定地基沉降计算深度，对一般性粘土取δZ＝0.2δS，对软粘土取δZ＝0.1δS。

e-p曲线法

计算公式为第i分层的压缩量

Si＝（e1i－e2i）／（1＋e1i）・Hi（1－1）Hi--第i分层的厚度

地基的最终沉降量（1－2）

有时勘测单位提供的不是压缩曲线，而是其他压缩性指标，可换算为：

Si＝av／（1＋e1）・ΔP・Hi＝mv・ΔP・Hi＝1／Es・ΔP・Hi

ΔP--压力增量

mv--土的体积压缩系数

av--土的压缩系数

Es--土的压缩模量

在计算过程中应注意首先要根据建筑物基础的尺寸，判别在计算基底压力和地基中附加应力时是属于空间问题还是平面问题，再按荷载性质求出基底压力P的大小和分布。应当注意，当基础有埋置深度Df时，应当采用基底净压力Pn＝P－r・Df，然后求出计算点垂线上各分层的竖向附加应力δZ，并绘出它的分布曲线，按算术平均计算出各分层的平均自重应力δsi和平均附加应力δzi进行累加，在e－p曲线中查出相应的初始孔隙比e1i和压缩稳定后孔隙比e2i，从而计算出各分层压缩量（式1－1），并进行累加后得出地基的最终沉降量（式1－2），必须注意自重应力δS应从原地面高程算起，附加应力δZ应从基底高程算起，同时在三维变形状态下，斯肯普登--贝伦建议将沉降值S乘以一个系数Cp，即修正固结沉降S＝Cp・S，根据我国《工业民用建筑地基基础设计规范》规定，计算所得的沉降值S应乘以一个沉降计算经验系数Ms，这样才能较准确估算地基沉降量（MS＝1.3～0.2，其具体数值视土的压缩模具Es的不同范围参见规范说明），一般来讲软粘土地基的S计算值偏小，而硬粘土的S计算值又偏大较多。

e-logp曲线法

按e-logp曲线法来计算地基的沉降与e－p曲线一样，每一分层压缩量计算公式仍为S＝（e1－e2）／（1＋e1）・H，与前述利用e－p曲线或压缩系数av计算的方法步骤基本相同，所不同的只是选用压缩性指标和确定初始及最终孔隙比的手段不同，须由现场压缩曲线求得。经推导可得出用e-logp曲线或压缩指数Cv的沉降计算公式为：

S＝H・CC／（1＋E0）・log（p0＋Δp）／p0（2－1）

由于土的应力历史对土的压缩性能有较大影响，应先推估土的受荷历史和计算未来在建筑物荷载作用下，土可能产生的新的压缩变形。必须确定先期固结应力Pc，根据卡萨格兰德提出的依据室内压缩曲线特征的经验图解法，可在e－logp曲线上图解得出先期固结压力Pc，根据反映土体固结程度的超固结比OCR＝pc／p0（P0为现有有效应力），当OCR＝1时，为正常固结土，OCR＞1时，为超固结土；由于土在钻探、取样、运输、制备土样和试验过程中或多或少地会受到扰动，扰动愈大，曲线的位置就愈低，所以室内压缩试验成果不能反映现场条件下土的压缩性能，还须对室内压缩试验所得e－logp曲线加以修正为现场压缩曲线。 确定了土的固结性质，并分别确定正常固结土和超固结土的现场压缩曲线，这里仅示出推求结果。经过大量研究者的证实，无论土受何等程度的扰动，在室内进行压缩试验时，所得的多条e－logp曲线在0.42e0处附近都趋于一点，由此推算土的现场压缩曲线势必也通过该点。同时假定试样的孔隙比还能保持现场原位条件下的数值e0。另外在超固结土中由室内的回弹再压曲线可知在曲线中存在一个滞后环，其斜率应为超固结土的超固结段压缩量的膨胀指数Cs，超固结土在压缩应力ΔP作用下的压缩量就由超固结段的压缩量S1和正常固结段的压缩量S2两部分总和而成。其计算公式为：

Si＝S1＋S2＝Hi／（1＋e0）・（Cs・logpc／p0＋Cc・log（p0＋Δp）／pc）（2－2）

当Δp较小，p0＋Δp＜pc（先期固结压力）时，则土始终处于超固结状态，此时土层的压缩量计算公式简化为

SI＝Hi／（1＋e0）・（Cs・log（p0＋Δp）／pc）（2－3）

关于初始沉降（瞬间沉降）及次固结沉降的计算

对于普通粘性土，固结沉降是其基础沉降的一个主要部分，它对基础宽大、而压缩土层较薄，排水条件又较符合假定时较为适用。但是实际地基的地质条件往往较为复杂，有时可压缩的软土层分布较厚或土层分布不均，基底面又不是排水面，对较软的粘性（亚粘性）土来说，次固结沉降在总沉降中占有一定比例，这时初始沉降就不可忽视；又如砂性较重的地基，由于固结排水速率很快，初始沉降与固结沉降这两部分已融合一起难以区分，这些都必须计算初始沉降或次固结沉降。下面给出有关计算公式：

①初始沉降

Sd＝P・B・（1－u2）／EI＝3／4・P・B・I／E（3－1）

P--基底压力

B--基础宽度

e0--初始孔隙比

u--土的泊松比

对饱和粘土u＝0.5

I--影响系数，取决于基础形状和所研究点的位置。E--土的不排水变形模量（弹性模量，可用三轴或单轴不排水试验求得）或采用旁压仪在现场测得。

②次固结沉降

St＝H／（1＋e0）・Ca・log（t2／t1）（3－2）t1--次固结的起始时间

t2--建筑物使用年限

Ca--次固结系数，可用主固结和次固结引起的孔隙比与时间半对数关系曲线（e－lgt）求得。

当Ca＜0.03时，粘性土的次固结沉降可以忽略。

此外除了上述两种计算方法外，还有通过室内试验模拟现场应力路径，再量取土样的垂直变形的应力路径法等。

当然在工程设计中，有时我们不但需要预估建筑物基础可能产生的最终沉降量或沉降差，而且还常常需要预估基础达到最终沉降量所需的时间或者预估建筑物完工以后经过某一段时间可能产生的沉降量，即基础的沉降量与时间关系的问题，目前多以饱和土体单向固结理论（一维固结理论）为基础进行求解（当然还有二维、三维固结理论，分别用于解决土坝和砂井、塑管排水法加固地基问题），这里就不再一一叙述。

结束语

基础是上部结构的根本，又因为地基的复杂性和区域性，合适的地基处理和适当的基础选型变得尤为重要。因此在建筑设计中严格按照规范要求，并结合当地的实际情况进行地基和基础的设计，并要进行综合分析对比，最终确定一个经济合理的方案。当然，这也需要我们工程师门的责任心和不懈努力。

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