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Pd与水压力Pw之和Pc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Pc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Dγ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Pc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Za，则可定义坑底Za深度范围内的区

域为拉应力区。Za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、Ce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Ce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1400 岩 土 工 程 学 报 2006年 现本文开始提出问题的原因了。

4 解决问题的建议 如果能较准确的估算出基坑底土的回弹曲线，并且在施工时仍然保持基底土回弹部分不被超挖，那么就可以使基底土保持正常的回弹－再压缩过程，即可以显著减小基底土的再压缩量。这一点理论上似乎可行，但是在实际施工时很难具体的实施。文献[4]曾经介绍过一种用于水闸的形似“锅底”的反拱底板（如图4所示），对笔者启发很大。由于拱结构是以承受正压力为主，能充分利用混凝土良好的抗压性能，以达到减小构件截面的要求。因此在相同条件下，水闸基础采用“锅底”形底板，不仅其厚度比平底板大为减薄，而且底板几乎可以不用或很少用钢筋。本文中将“锅底”形底板应用于补偿性基础，不仅保留了“锅底”形底板受力性能良好、节省材料的优点，而且“锅底”形底板可以充分发挥地基土的承载力，较好的解决了由于基坑开挖施工而导致的地基土压缩性过大的问题。理论研究与实测结果均表明：“锅底”形底板的基底反力比平底板更为均匀，这对地基尤其是软土地基较为有利。

图4 反拱底板示意图 Fig. 4 Inverted vaulting raft 目前对于“锅底形”底板的计算方法主要有按无铰圆拱受均布荷载计算、按无铰圆拱产生不均匀沉降计算以及用有限元法计算等，详细内容可参考文献[4]，本文在此不再赘述。 用于补偿基础的锅底形底板的施工方法可分为以下两种：①正常施工顺序。先浇好地梁和底板后，再浇筑地下室内外墙。在浇筑底板时，为了保证起拱效果，可在底板和垫层之间添加泡沫板等来组成绞规则的弧面；②逆筑法施工。这时应现浇筑好地下室内外墙，然后浇筑锅底形底板，起拱方法同上，但是应该严格注意底板和内外墙接头的处理，以防止渗水。

5 结论与展望 使用全补偿或超补偿的基础常常出现过大沉降，亦有学者认为可能与施工过程中对基坑底土扰动而导致地基土承载力减小有关。笔者认为有一定的道理。如厦门地区的花岗岩残积土一旦受到扰动，承载力就会有很大程度的减弱，整个建筑物沉降也会增大。但是对于普遍情况来说，作者认为补偿基础的过大沉降主要还是由于施工因素对基底土的影响造成的。对此本文建议使用水闸基础中的“锅底形”底板。分析表明“锅底形”底板不仅自身受力合理而且可以显著改善地基土的受力性状，减小地基土的再压缩沉降量。另外“锅底形”底板还可以较少钢筋和水泥的用量，降低建筑物的建造成本，值得进一步的推广。当然基坑开挖的回弹再压缩过程分析是一个复杂的课题，目前还很难对此进行精确的分析，本文对此论述以及所提施工建议亦还不够完善，还有待进一步的工程验证。