地基基礎和上部結構整體穩定性分析

摘要：地基基礎和上部結構并不是互相獨立的三個部分，地基基礎和上部結構共同承擔荷載而產生的變形，每一方面都會對其他兩方面產生影響。本文對這三個方面對不均勻沉降、以及基底反力分別做了具體分析，來綜合考慮地基基礎和上部結構整體穩定性。

關鍵詞：地基 基礎 上部結構 整體穩定性

在建筑設計的地基基礎問題上，地基與基礎的設計往往是在一系列理想的條件下通過經驗修正得到的，然而巖土不同于其他材料，其彈塑性都有很獨特的方面。在地基的強度和變形都滿足條件的情況下由于理想條件的假定使得計算結果往往只對一小部分的模型較為合適，而對于地基較復雜，上部結構要求較高的工程就不再適用。這是因為與理想條件不同，地基不是連續均勻的，各向也不同性，地基基礎和上部結構的相互作用對結構的整體穩定性影響更大。所以地基基礎設計時要著眼于三者相互作用的情況進行分析，這樣不僅能得到合理的效果，還能獲得很大的經濟效益。

通常情況下如果地基土較均勻，壓縮性較低，則地基的不均勻沉降會很小，這時對地基承載力起變形條件的主要作用是地基，其次是基礎，上部結構的作用是非常有限的，那么考慮三者的相互作用意義就不大，按常規方法即可作出合理的結果。

但是如果地基軟弱且上部結構為磚石砌體承重結構或者為鋼筋混凝土框架結構敏感性結構、基礎為條形基礎。按常規的方法就不能得到滿意的結果，這就需要考慮地基基礎和上部結構共同承擔荷載而產生的變形，三者不僅要滿足靜力平衡，還要滿足變形協調條件，也就是結構剛度對地基不均勻沉降的影響。

為了對地基基礎和上部結構綜合考慮，下面對這三個方面對不均勻沉降、以及基底反力的分布分別作出分析。

1 地基的影響

在軟土地基上，壓縮性高，強度低。例如飽和松散細沙或淤泥質土，這類地基通常很難滿足地基承載力和變形要求，而需要人工處理，當基礎剛度較大時，基底受到的反力在集中荷載作用下為均勻分布，有偏心荷載時，呈梯形或者三角形分布。

在堅硬地基中，比如堅硬粘性土、密實卵石，集中荷載作用在剛性基礎上時僅荷載附近的地基受力，遠離的一端不受力。當基礎為相對柔性的基礎時，遠離集中力作用點的一端有可能處于懸空狀態。

對于軟硬懸殊的地基，這種地基實際工程中經常遇到，如果按常規的設計方法可能與實際情況相差很大。所以要根據地基土不均勻的情況使上部荷載處于最有利狀態。如果地基中部堅硬，兩側較軟弱。上部荷載分布時使中部地基承受較大的力，兩邊承擔的小些；若地基中部軟弱，兩側堅硬，上部荷載分布時使兩側承擔較大的荷載，中間小些。這樣處理使地基均勻受力更為有利，反之就會使地基處于不利的影響，加劇條形基礎的撓曲程度。

2 基礎剛度的影響

柔性基礎時抗彎很小的基礎，可以隨著地基變形而任意的彎曲，應力在柔性基礎上不產生擴散，因此基底反力的分布與上部荷載作用于基礎上的情況基本一致。當均勻荷載作用下通過工程實踐結果得知，中部受力較大，兩邊小。要使沉降均勻的發生可以增大兩邊荷載或減小中部荷載，由于柔性基礎剛度不夠，所以其調節不均勻沉降的能力較差。

剛性基礎與柔性基礎最大的不同就是具有了極大的抗彎剛度。平面的基底如果發生沉降，基底仍然保持平面，所以如果荷載作用在中心處，基礎既可以均勻下降。剛性基礎底面積大且埋得較深時，由于剛性基礎的“架越作用”荷載會相對集中地傳至基底的邊緣呈現出馬蹄形，而如果上部結構繼續增大，基底邊緣的塑性區逐漸擴大，基底中部就會承擔反力來平衡外部荷載。對于巖土類材料產生塑性即可認為破壞，所以當塑形區域產生但不是大面積時就可以認為上部結構達到了地基極限荷載，此時基底反力呈線性形狀。

3 基礎相對剛度的影響

對于不同性質的地基土，基礎在其作用下產生的效果也有很大差別，例如巖石地基上基礎的相對剛度較小，由于擴散能力很低，基底就會產生反力集中的現象，甚至基礎一端出現懸空。而在粘性土地基上基礎相對剛度較大，荷載不太大時“架越作用”很明顯，基底反力也隨著荷載的增大而逐漸呈直線狀態分布，地基的沉降基本均勻。基礎的相對剛度越強，沉降就會越均勻，基礎內力也越大。

4 上部結構剛度的影響

地基變形時將對不同剛度的上部結構產生不同的影響，同樣上部結構剛度的大小不同，對基礎受力狀況也產生不同的影響。

對于安全柔性的結構，例如土堤、土壩以及屋架、柱子、基礎為承重體系的結構。這些結構對基礎的不均勻沉降有很大的適應性，可以與地基變形保持一致，由于上部結構對地基的不均勻變形有調節能力，地基沉降產生的沉降差不會在主體結構中引起附加應力。

煙囪、水塔、高爐一類剛度很大的結構物，在中心荷載作用下地基的沉降相同，上部結構的剛度越大，調節不均勻沉降的能力就越強。因此為防止不均勻沉降帶來的危害，可以在結構上和結構施工上采取適當的措施，也可以加強結構的整體剛度例如對單獨柱基礎的框架設置地梁。

剛度較大的上部結構對地基變形的影響是很顯著的，對于建筑物高度和長度之比小于0.25時，地基的變形呈拋物線形狀，即中部大兩端小。隨著樓層的升高后，兩端的沉降逐漸增大中間沉降變慢，這是由于上部結構剛度變大，荷載均勻的向沉降小的部分傳遞，使得沉降差減小。即使地基不均勻附近存在其他荷載對地基有影響，基礎也只會發生轉動傾斜，而不會發生撓曲變形。增大上部結構的剛度，基礎受到的撓曲變形和內力就會減小。對于普通的高層建筑，剛度是隨著樓層的增高而變大的。但框架結構的剛度層數超過一定數后豎向剛度基本就不再變化，只是下部幾層起著調整不均勻沉降的作用。上部結構正是通過調節基礎的各段撓曲變形來減少不均勻沉降的幅度。

除了柔性結構和剛性結構，上部結構還有一部分屬于敏感性結構，這類結構對地基的不均勻沉降反應靈敏，會引起本身較大的附加應力，例如單層鋼筋混凝土結構、低層磚石砌體結構。在這些結構中很小的沉降差就足以引起很大的附加應力，所以結構本身在設計時要有很大的強度儲備，以免產生開裂現象。以框架結構的獨立柱基礎為例，假如橫向有三個獨立柱基礎，則中間柱荷載會減小，兩邊變大，并向外轉動，梁柱發生撓曲產生次應力。

綜上所述，地基基礎和上部結構并不是互相獨立的三個部分，每一方面都會對其他兩方面產生影響。同樣的地基由于基礎的不同，基底所受到的反力分布是不同的，同樣的基礎作用在不同地基上，由于土的顆粒級配、含水率、空隙比的不同，基底受力分布也會有很大差異，從而引起的壓縮沉降也不同。上部結構的剛度大小對地基和基礎也起著很大的調節作用。在傳統的計算方法中計算地基承載力和變形時都只單獨考慮了三者的作用關系。例如在計算得到上部結構對基礎的傳遞的壓力后，只是假設基底受到的均布荷載來計算，在得到基底中心的附加應力來演算地基變形時也不再考慮基礎和上部結構，然而基礎和上部結構就作用在地基上，它們對地基產生的影響不可能只用一個附加應力來表達。

調整不均勻沉降時可以考慮三者的影響在各個方面做出改善。

建筑措施：設計建筑物的體型時盡量簡單、設置沉降縫、調整相鄰建筑間距。

結構措施：減輕自重、增加剛度和強度、減小附加應力例如采用補償性地基、采用低敏感形結構。

施工措施：保持基底地基土原狀結構、合理的施工順序。

最后提出合理的分析方法：

地基基礎和上部結構看成一個整體來考慮，共同承擔荷載影響變形；三者都會因為自己的剛度對變形產生制約作用，從而影響整個體系的內力、結構變形以及地基沉降；三者同時滿足靜力平衡條件和變形協調條件。

參考文獻：

[1]建筑地基處理技術規范（JGJ79-2002）.北京：中國建筑工業出版社，2002.

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