天然地基承載力特征值修正時地下水位取值

翟延彬

（河南省建筑設計研究院有限公司，河南 鄭州 450014）

0 引言

在實際工程中，天然地基承載力特征值計算與土層分布、地下水及建筑類型等因素密切相關[1-2]。當建筑基礎寬度超過3m或基礎埋深超過5m時，建筑天然地基承載力驗算應對天然地基承載力的特征值進行深寬修正[3-4]。特別當主群樓附有裙房時情況更復雜[5-6]。對于主群樓一體的結構，按超載折算基礎兩側的裙房作為基礎埋深[7-8]。如果涉及基礎埋深較深時，如高層建筑、含多層地下建筑等，在基礎和地基設計中需綜合考慮地下水的影響[9-10]。建筑物從開始建設一直到全壽命使用期內，地下水位埋深不斷變化[11]。單純驗算最低水位和最高水位時的天然地基承載力已無法滿足地下水位變化時的地基承載力要求[12]。地下水位的取值直接影響天然地基承載力特征值能否滿足建筑物的基底壓力，從而確定建筑物能否采用天然地基[13]。

本文以工程實例為基礎，在建筑地基基礎設計階段，按照不同超載情況，結合施工、使用等不同階段工況，從理論上對天然地基承載力特征值進行計算，以判斷能否滿足建筑物上部荷載要求，并對建筑物變形進行驗算。

1 工程概況及場地條件

某工程擬建建筑物包括1層通體地下車庫、9棟地上6層地下2層住宅樓。主樓和地下車庫均采用筏板基礎，地下車庫基礎與主樓不相連。場地地面標高85.000～85.800m，主樓正負零標高為90.450m，室外地坪標高為89.450m，基底標高為81.050m，地下車庫基底標高為81.250m。依據總平面布置圖和勘察任務書，詳勘階段巖土工程勘察工作共布置76個勘探點。

1.1 地質條件

場地內地層條件如表1所示。

表1 場地土層土性及承載力特征值

1.2 場地地下水類型及賦存狀態

根據地下水的埋藏條件及分類特征，本場地勘探鉆孔鉆深范圍內地下水類型為潛水。粉土和粉質黏土層為弱透水層，砂土層為強透水層。

在不考慮周邊市政路、建筑工地基坑降排水影響時，潛水水位主要受大氣降水及地表河流等補給的影響。根據氣象資料，7月中旬至10月上旬為豐水期，12月至次年2月為枯水期。

勘察期間，鉆孔孔內測量穩定水位絕對高程為79.400m。根據周邊附近場地水文資料顯示，本擬建場地近3～5年最高水位絕對高程為82.500m。因此本擬建項目抗浮設計水位，應按使用周期內最高水位或五十年一遇最高地下水位進行，本場地抗浮設計水位可采用絕對高程為84.000m。

1.3 場地和地基的地震效應

按照GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）[14]的規定，本場地屬于對建筑抗震不利地段。本場地抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第二組，場地的設計基本地震加速度值為0.15g；由于場地類別為Ⅲ類，設計特征周期為0.55s。

根據場地標準貫入試驗的液化判別結果，采用“先橫后縱，綜合判別”的原則，判定在7度地震條件下本場地第[3]層為液化土層，液化等級為輕微液化。

2 地下車庫天然地基評價

擬建地下車庫采用天然地基筏板基礎，框架結構，最大單柱荷載4 500kN，柱網間距8.4m×8.4m，標準組合下基底壓力65kPa，恒荷載按40kPa考慮。室外地坪標高為89.450m，地下車庫基底標高為81.250m，以61號勘探點為例，基礎持力層為第[4]層粉質黏土，其天然地基承載力特征值為110kPa，大于地下車庫基底壓力，因此地下車庫可以采用天然地基筏板基礎。

在驗算地下車庫抗浮穩定性時，勘察報告建議本場地抗浮設防水位為84.000m，地下車庫受到水浮力為27.5kPa，恒荷載為40.0kPa大于水浮力，無需采用抗浮措施。

按照GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[15]的規定，對地下車庫按式（1）和（2）進行回彈再壓縮變形驗算：

式中：sc為地基土的回彈變形量（mm）；pc為基礎底面以上各層土的自重壓力，取72kPa；Eci為回彈模量，取土工試驗中相應力段的數值；zi，zi-1分別為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面的距離（m）；，i-1分別為基礎底面計算點至第i層土、第i-1層土底面范圍內的平均附加應力系數；φc為回彈量計算的經驗系數，取1.0。

式中：s'c為地基土的再壓縮變形量（mm）；r'0為土的臨界再壓縮比率，相應于再壓縮比率與再加荷比關系曲線上的兩段線性交點對應的再壓縮比率；R'0為臨界再加荷比，相應于再壓縮比率與再加荷比關系曲線上的兩段線性交點對應的再加荷比；r'R-1.0為對應于再加荷比R'=1.0時的再壓縮比率，其值等于回彈再壓縮變形增大系數；p為再加荷的基底壓力，取65kPa。

場地地面標高85.000～85.800m，地下車庫基底標高81.250m，地下車庫部位為超補償基礎，地基土會產生回彈再壓縮變形，計算地下車庫基礎的回彈再壓縮平均沉降量為9.44mm，整體傾斜為7.6×10-6，小于《建筑地基基礎設計規范》表5.3.4中規定值0.004，滿足規范要求。

3 主樓天然地基評價

以場地南側1號樓為例進行天然地基承載力評價和變形驗算。1號樓地上6層，地下1層，基礎平面尺寸54.0m×15.0m，基底標高81.050m，基礎持力層為第[4]層粉質黏土。該樓東、西、北三側為地下車庫，南側沒有建筑物，主樓、車庫埋深如圖1所示。該樓基底壓力為150kPa。

圖1 主樓、車庫埋深

3.1 地基承載力特征值修正

按照《建筑地基基礎設計規范》的規定，對天然地基土的承載力特征值按公式（3）進行深寬修正：

式中：fa為經深寬修正后的地基承載力特征值；fak為天然地基承載力特征值；ηb，ηd分別為基礎寬度和埋置深度的修正系數；γ為基底以下土的重度（kN/m3）；b為基礎底面寬度（m）；γm為基底以上土層的加權平均重度（kN/m3）；d為基礎埋置深度（m）。

該項目主群樓為一體結構，對于主樓地基承載力的深度修正，應將基礎底面標高以上范圍內的荷載按基礎兩側的超載考慮，當超載寬度超過基礎寬度2倍時，可將該超載按土重度折算成土層厚度作為基礎埋深，如果基礎的兩側超載不同時應取小值。

當主樓周邊的附屬建筑基礎處于超補償狀態，且其與主樓不能形成剛性整體結構時，應考慮由此造成主樓基礎側限力的永久性削弱及其對地基承載力的影響。

地下水位應根據工程建設不同時期、地下水位的實際埋深進行取值。

3.2 天然地基承載力驗算

在對地基土承載力特征值進行深寬修正時，地下水位取值按工程建設期分3種情況，并對各種情況分別進行地基承載力驗算。

3.2.1 建設期

工程開工時，當地下水位埋深位于基礎底標高以下時，地下水不影響基坑開挖和工程建設，不用采取降低水位措施，天然地基承載力修正時地下水位按建設期地下水穩定水位。當地下水位位于基礎底標高以上時，應在基坑開挖前對場地地下水采取人工降水措施，以滿足工程需要。根據規范要求，建筑物施工過程中地下水水位應保持在基坑底面以下1.0m。

本工程建設期對天然地基承載力驗算取勘察時實測地下水位79.400m。地下水位標高低于主樓基底標高，地下水對工程建設無影響，工程建設期不需降低水位。按照公式（3）對第[4]層粉質黏土進行深寬修正，ηb，ηd分別取 0.3，1.6，γ，γm分別取 18.2，17.8kN/m3，地下車庫按恒荷載40kPa折算土層厚度，折算高度自主樓基底起為2.45m，該處絕對標高為83.500m，小于室外地坪標高，因此經計算fa=181.6kPa，大于基底壓力，天然地基承載力特征值滿足上部荷載要求。

3.2.2 建成后3～5年

建設后期，根據工程進度，設計單位按照場地穩定水位進行驗算，當建筑物上部荷載大于地下水產生的浮力時，可停止降水。至建筑物建成后使用初期，地下水在不受人工降水影響下，地下水位逐步恢復到原來的水位標高，此時應按照場地近3～5年最高水位絕對標高82.500m對天然地基承載力進行驗算。

農村留守兒童長期與父母分離，大部分兒童與爺爺奶奶居住在農村，學業無人監管，不僅給留守兒童心理造成陰影，而且還因缺乏家庭輔導，導致留守兒童學習成績差，自我約束不足，沒有養成良好的學習習慣。有的農村家長向留守兒童灌輸“學習無用論”，對孩子學習的期待并不高，從而讓孩子早早地就走上外出務工的道路。

由于地下水位高于主樓和地下車庫埋深，則主樓和地下車庫均受到浮力作用，按照式（3）對第[4]層粉質黏土進行深寬修正，ηb，ηd分別取 0.3，1.6，γ，γm分別取8.2，14.8kN/m3，主樓考慮水浮力后基底壓力為135.5kPa，車庫恒荷載減去水浮力后超載值為27.5kPa，折算土層厚度，折算高度自主樓基底起取2.05m，該處絕對標高為83.100m，小于室外地坪標高。因此經計算fa為154.0kPa，大于主樓考慮水浮力后的基底壓力值，天然地基承載力特征值滿足上部荷載要求。

3.2.3 使用期

建筑物全使用壽命期間，地下水位可能會達到最高水位，即抗浮設防水位，該水位應根據場地所在地貌單元、地層結構、地下水類型、各層地下水水位及其變化幅度和地下水補給、徑流、排泄條件等因素綜合確定。這里抗浮設防地下水位標高按84.000m對天然地基承載力進行驗算。

由于地下水位高于主樓和地下車庫埋深，則主樓和地下車庫均受到浮力作用，按照公式（3）對第[4]層粉質黏土進行深寬修正，ηb，ηd分別取 0.3，1.6，γ，γm分別取 8.2，11.2kN/m3，主樓考慮水浮力后基底壓力為120.5kPa，車庫恒荷載減去水浮力后超載值為12.5kPa，折算土層厚度，折算高度自主樓基底起取1.31m，該處絕對標高為82.360m，小于室外地坪標高。因此經計算fa為132.0kPa，大于主樓考慮水浮力后的基底壓力值，天然地基承載力特征值滿足上部荷載要求。

以上3種工況下驗算的地基承載力特征值均大于相應的基底壓力，基礎持力層以下不存在軟弱下臥層，不需要進行軟弱下臥層驗算。因此主樓采用天然地基時，地基承載力特征值能滿足上部荷載要求。

3.3 天然地基變形驗算

根據《建筑地基基礎設計規范》規定，在地基變形計算時，應力分布可采用各向同性均質線性變形體的理論方法。現對主樓按公式（4）進行地基變形計算：

式中：s為變形量（mm）；s'為按分層總和法計算出的變形量（mm）；ψs為沉降經驗系數，經計算取 0.85；n為變形計算范圍內土層數，取6；p0為基礎底面處的附加壓力（kPa），取65kPa；Esi為基底下第i層土的壓縮模量（MPa）；z，zi-1為基底至第i層土，第i-1層土底面的距離（m）；i，i-1為基底計算點至第i層土，第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數。

按最不利工況計算，主樓平均沉降量95.00mm，小于《建筑地基基礎設計規范》表5.3.4中規定值200mm；整體傾斜值3.1×10-4，小于規定值0.004。因此天然地基變形滿足規范要求。

地下車庫基礎的回彈再壓縮平均沉降量為9.44mm，與主樓沉降差85.56mm，主樓和地下車庫間應設置后澆帶，主樓結頂后，根據主樓沉降觀測數據，在滿足主樓和地庫差異沉降要求的情況下，確定澆筑后澆帶時間，從而滿足主樓和地下車庫差異沉降的要求。

4 結語

主樓天然地基承載力驗算時基礎埋深的確定比較復雜。在先回填后開挖場地，可從填土后地面標高開始計算，若在主體結構完工后進行填土時，應從填土前原始地面標高開始計算。假如地下室采用箱形基礎或筏形基礎時，基礎埋深從建筑室外的地面標高進行計算；當采用獨立基礎或條形基礎時，應從地下室內地坪標高計算。

基礎寬度2倍范圍內有地下車庫時，要根據車庫基礎形式按超載折算土層厚度，車庫采用筏板基礎時，按考慮水浮力后的車庫恒荷載折算土層厚度；車庫采用獨立基礎或條形基礎時，超載折算高度自主樓基底標高至車庫室內地坪標高。

不同時期與工況下，地下水位的取值會影響基底壓力值和地基土承載力特征值，所以在天然地基承載力計算時應對每種工況進行驗算；變形計算時按最不利工況進行驗算。