新填土区浅基础设计

梁 峰，周 屹

(1.桂林市建筑设计研究院，广西 桂林 541002；2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004)

0 引言

《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)(简称地基规范)中对于基础埋置深度d指出[1]：在填方整平地区，可自填土地面高程算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。实际工程中，回填土在完成基础施工后，未施工上部结构前这一段时间，规范并未明确规定。如何采用基础埋深，关系到地基承载力修正值的大小，决定了基础面积、配筋大小，甚至关系到基础形式，与工程基础造价、建筑安全息息相关，合理地运用该规范条文意义重大。本文结合有关文献和实例对此进行深入探讨，并对有新填土场地的基础设计中容易忽略的变形控制进行了阐述。

1 规范当中经验计算公式

《地基规范》中指出：当基础宽度大于3 m或埋置深度大于0.5 m时，从荷载试验或其他原位测试，经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按公式(1)修正：

fa=fak+ηb(b-3)+ηdγm(d-0.5)

(1)

根据太沙基承载力理论[2]，地基破坏时理论上的塑流边界见图1。

图1 基础埋深形成的超载与地基破坏简化的滑动面Fig.1 Simplified sliding surface due to foundation failure andoverload due to embedded depth of foundation

基础周边土形成的重力即超载(q=γd)，超载能抵抗土体向上滑动，从而提供土体的稳定性，式(1)第3项即表示基础两侧超载(q=γd)的作用。只有位于图1中被动朗肯区上的超载才能提高地基承载力。被动区的大小可以参照《地基规范》条文说明中的“目前建筑工程大量存在着主裙楼一体的结构，对于主体结构地基承载力的修正，宜将基础底面以上范围内的荷载，按基础两侧的超载考虑，当超载宽度大于基础宽度两倍时，可将超载折算成土体厚度作为基础埋深，基础两侧超载不等时，取小值。”据此认为，当超载宽度大于基础宽度的2倍时，才能够起到提高地基承载力的作用。根据地基的破坏形态，基础会向最不利方向破坏，所以基础埋深d应当取基础周边最小埋深。

2 对《地基规范》的解读与工程运用

d为基础埋置深度(单位：m)，宜自室外高程算起。在填方整平地区，可自填土地面高程算起，但填土在上部结构施工完成时，应从天然地面高程算起。规范中只讲了以下前面两种情况：

1)当新填土在开挖基槽前完成堆填时，可自填土地面高程算起，对于这一点，要滤清概念(图2a)。常有人问起：“虽然填土在自填土上地面完成堆填，这填土是否有时间要求？是否只有固结完成的土才能计入基础埋置深度d。”这种想法实际上是将基础的深度修正与土的固结加强两个概念混淆了。根据文献[2-3]，基础的深度修正针对的是基底以上基础周边超载对基底下地基土的稳定性和承载力提高所做的贡献，只与基底以上的土的重度有关，与此部分土是否完成固结无关。而土的固结加强是指长期上部压力下土的固结压密使得基底下土的承载力提高。这是两个概念，有本质区别。基于对这一点的认同下，大部分设计者均对规范条文无异议。

工程实例：桂林市宝湖教育园区项目就属于这种情况。由于本工程场地大部分区域是一个洼地，深2～3 m，业主和施工方考虑到施工机械入场的便利。在开挖前就已经平整场地。工程为5～6层的教学建筑，采用独立柱基为主，以浅层硬塑黏土为持力层，埋深自填土地面算起。

2)当填土在上部结构施工完成时堆填，应以天然地面高程算起(图2b)。这是因为此时上部结构作用下基底压力已接近最大，但新填土并未形成超载，对地基土的稳定性和承载力没有提供任何帮助，因此地基承载力的埋深只能以天然地面高程算起。显而易见，这种方式不方便施工，笔者所做的工程还未遇到这种情况。

3)对于当新填土在基础施工完成后，并于上部主体施工前完成堆填，进行深度修正时，基础埋深的取值(图2c)，规范并未明确。大部分工程均属于这种情况。对于此类基础埋深取值，业内人士观点不同。朱炳寅等[4]认为，只有新填土在基础施工前完成，进行深度修正的埋深d才能从新填土地面高程算起，而这种情况只能从天然地面高程算起，是从设计角度出发，偏于安全。而张维斌[5]和李艳娇等[6]认为，基础施工完成后立即回填新填土，进行深度修正的埋深d可自新填土地面算起。笔者也基本同意这种观点。因为，在基础刚施工完时完成新堆填土堆填，上部荷载还未起作用时，基础四周的超载已形成。这对地基土的承载力和稳定性都有贡献。但实际工程设计时，却并不完全按此取值。请看以下实例分析。

工程实例：阳朔县福利镇初级中学设计为教学类建筑，5～6层框架结构，采用独立柱基为主，以浅层硬塑黏土为持力层fak=180 kPa。由于场地处于洪水位以下，为方便使用，整个场地填高2 m。施工时，天然地面开挖，单栋楼施工完基础后立即回填土至室内地面，为了方便搭外架，室外地面也堆填少量新填土，但仅比外墙宽出1.5～2 m。而1.5～2 m以外的场地均未堆填新填土，保持原状地面，等主体封顶后，拆除外架，把室外管网(距外墙2～3 m处)铺设完成后再回填剩下的新填土2 m厚，见图3。

图2 新填土场地基础埋深Fig.2 Embedded depth of the foundation of the newly filled site

图3 福利镇初级中学基础实际埋深Fig.3 Actual embedded depth of foundation atJunior Middle School in FuLi Town

这种情况计算埋深按照张维斌[5]取d=d1+2 m就不安全，因为《地基规范》条文说明中提到，需超载宽度大于基础宽度的2倍时，才能够起到提高地基承载力作用，而这种情况显然未满足此要求。但若d=d1又太保守，使得地基承载力修正值fa过低，基础面积偏大，不经济。参考中国建筑设计院有限公司编著的《结构设计统一技术措施》(2018版)[7]中第169页，对于图4中的外墙基础，d=0.5(d1+d2)。因此，本工程采用的埋深为d=0.5(d1+d1+2 m)=d1+1 m。再则，由文献[8]中桥台背路基填土对桥台基底引起附加压应力算式为(图5)：

P01=α1γ1H1

(2)

式中：H1为基底后边缘填土高度；γ1为填土重度；α1为竖向附加压力系数，据文献[8]中桥台基底或桩尖平面边缘附加应力系数α1和α2表所示：填土高度≤5 m时，α1=0.44，即填土自重引起的压力需进行折减。与上述措施原理相同。

因此笔者认为，当新填土在基础施工完成后，并于上部结构施工前完成堆填时，埋深d=d1+0.5×新填土厚度(d1为天然地面至基础底面的距离)，是安全合理的。现福利中学已竣工，各栋建筑均完好，不论从理论上和实践上都证明本工程的基础设计是安全合理的。类似本文中福利镇初级中学的情况有很多：如灵川三中、阳朔高中等工程，因这种情况施工节约成本，避免新填土堆完又开挖的环节，室外工程一次性成形，方便快捷。

图4 室内外有高差时基础埋深Fig.4 Embedded depth of foundation when there isan height difference between indoor and outdoor

图5 桥台填土对基底附加压应力的计算图Fig.5 The calculation diagram of additional pressurestress of abutment filling soil to base

由此可见，新填土区浅基础的埋置深度应根据施工需求、填土的阶段来进行取值，并非一成不变，设计人员应根据不同的情况做出判断。

3 变形控制设计

新填土覆盖的天然地基上的基础设计除了合理采用计算埋深之外，还有一个很要的环节：变形控制设计。根据马智英[9]承载力设计应以变形控制设计为基础，是为变形控制设计服务的。承载力验算控制确定了基础大小，是基础设计的第一步，对于新填土场地承载力可能满足要求，但变形不一定满足要求。一般情况下，满足变形要求的地基不会出现强度破坏，而未考虑变形控制的地基往往产生过大沉降，导致房屋倾斜开裂，这样的工程事故屡见不鲜。实际工程设计中，变形控制是许多设计人容易忽略的环节，但这一环节非常重要，会直接影响到基础大小、基础形式，甚至房屋安全。

3.1 计算方法

(3)

用于新填土，则式(3)中，地基最终变形量为

(4)

p0=γ′H′

(5)

式中：γ′为新填土重度；H′为新填土厚度。

3.2 计算实例

对于前面提到的阳朔县福利镇初级中学的新填土场地，新填土平均厚2 m，夯实后容重γ=18 kN/m3，平时地下水在自然地面以下。典型的土层剖面见图6，由于有软弱下卧层②3层，地基变形计算深度取至岩面，由3.1计算方法所述：

p0=γ′H′=18×2=36kPa

(6)

(7)

图6 土层剖面图Fig.6 Soil layer profile

此工程中柱下独基，用PKPM中JCCAD计算的柱基沉降值为40～60 mm，则建筑物柱基的总沉降量为86～106 mm。由此可见，由于新填土，引起的地基沉降不容忽视，尤其是有软弱下卧层时。新填土引起的沉降量加上建筑物本身柱基的沉降，总沉降量将大大超过非填土场地。若设计时忽略这一环节，地基有可能产生的变形过大，发生基础倾斜等事故。而阳朔县福利镇初级中学有些栋号设计时由于沉降值过大，由独立柱基改为了柱下条形基础。因此新填土场地上变形控制设计，决定了基础大小和基础形式。

3.3 结构措施

为避免新填土场地的建筑物地基产生过大变形，建议采用如下结构措施：

1)《地基规范》提到，填土宜在基础施工前3个月完成，有条件的地方建议在开挖前3个月先回填完毕，并采用超载预压，加速地基固结，减少使用期间变形。

2)选用较小的基底压力，即加大基底面积减少变形。

3)增加建筑物整体刚度，在一层地面加一层拉梁，有条件情况下可加一层板，避免回填土过厚下沉引起地面开裂。

4)进行沉降观测，因为沉降计算的理论依据、假定条件与土实际情况相差较远，新填土的固结沉降也是一个未知因素，随着天气变化而有诸多不确定性。沉降观测是对建筑物使用进行安全监测的一种辅助手段。

4 结语

综上，在新填土地区进行地基基础设计，若考虑采用天然地基时，应根据甲方需求，施工可行性确定新填土的堆填方案，并合理采用相应的计算埋深，通过承载力计算和变形控制设计确定基础大小及基础形式。因设计埋深的不确定性，本文中的经验可供相关行业设计人员参考。