天然地基承载力特征值修正时地下水位取值

翟延彬

（河南省建筑设计研究院有限公司，河南 郑州 450014）

0 引言

在实际工程中，天然地基承载力特征值计算与土层分布、地下水及建筑类型等因素密切相关[1-2]。当建筑基础宽度超过3m或基础埋深超过5m时，建筑天然地基承载力验算应对天然地基承载力的特征值进行深宽修正[3-4]。特别当主群楼附有裙房时情况更复杂[5-6]。对于主群楼一体的结构，按超载折算基础两侧的裙房作为基础埋深[7-8]。如果涉及基础埋深较深时，如高层建筑、含多层地下建筑等，在基础和地基设计中需综合考虑地下水的影响[9-10]。建筑物从开始建设一直到全寿命使用期内，地下水位埋深不断变化[11]。单纯验算最低水位和最高水位时的天然地基承载力已无法满足地下水位变化时的地基承载力要求[12]。地下水位的取值直接影响天然地基承载力特征值能否满足建筑物的基底压力，从而确定建筑物能否采用天然地基[13]。

本文以工程实例为基础，在建筑地基基础设计阶段，按照不同超载情况，结合施工、使用等不同阶段工况，从理论上对天然地基承载力特征值进行计算，以判断能否满足建筑物上部荷载要求，并对建筑物变形进行验算。

1 工程概况及场地条件

某工程拟建建筑物包括1层通体地下车库、9栋地上6层地下2层住宅楼。主楼和地下车库均采用筏板基础，地下车库基础与主楼不相连。场地地面标高85.000～85.800m，主楼正负零标高为90.450m，室外地坪标高为89.450m，基底标高为81.050m，地下车库基底标高为81.250m。依据总平面布置图和勘察任务书，详勘阶段岩土工程勘察工作共布置76个勘探点。

1.1 地质条件

场地内地层条件如表1所示。

表1 场地土层土性及承载力特征值

1.2 场地地下水类型及赋存状态

根据地下水的埋藏条件及分类特征，本场地勘探钻孔钻深范围内地下水类型为潜水。粉土和粉质黏土层为弱透水层，砂土层为强透水层。

在不考虑周边市政路、建筑工地基坑降排水影响时，潜水水位主要受大气降水及地表河流等补给的影响。根据气象资料，7月中旬至10月上旬为丰水期，12月至次年2月为枯水期。

勘察期间，钻孔孔内测量稳定水位绝对高程为79.400m。根据周边附近场地水文资料显示，本拟建场地近3～5年最高水位绝对高程为82.500m。因此本拟建项目抗浮设计水位，应按使用周期内最高水位或五十年一遇最高地下水位进行，本场地抗浮设计水位可采用绝对高程为84.000m。

1.3 场地和地基的地震效应

按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）[14]的规定，本场地属于对建筑抗震不利地段。本场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，场地的设计基本地震加速度值为0.15g；由于场地类别为Ⅲ类，设计特征周期为0.55s。

根据场地标准贯入试验的液化判别结果，采用“先横后纵，综合判别”的原则，判定在7度地震条件下本场地第[3]层为液化土层，液化等级为轻微液化。

2 地下车库天然地基评价

拟建地下车库采用天然地基筏板基础，框架结构，最大单柱荷载4 500kN，柱网间距8.4m×8.4m，标准组合下基底压力65kPa，恒荷载按40kPa考虑。室外地坪标高为89.450m，地下车库基底标高为81.250m，以61号勘探点为例，基础持力层为第[4]层粉质黏土，其天然地基承载力特征值为110kPa，大于地下车库基底压力，因此地下车库可以采用天然地基筏板基础。

在验算地下车库抗浮稳定性时，勘察报告建议本场地抗浮设防水位为84.000m，地下车库受到水浮力为27.5kPa，恒荷载为40.0kPa大于水浮力，无需采用抗浮措施。

按照GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[15]的规定，对地下车库按式（1）和（2）进行回弹再压缩变形验算：

式中：sc为地基土的回弹变形量（mm）；pc为基础底面以上各层土的自重压力，取72kPa；Eci为回弹模量，取土工试验中相应力段的数值；zi，zi-1分别为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；，i-1分别为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内的平均附加应力系数；φc为回弹量计算的经验系数，取1.0。

式中：s'c为地基土的再压缩变形量（mm）；r'0为土的临界再压缩比率，相应于再压缩比率与再加荷比关系曲线上的两段线性交点对应的再压缩比率；R'0为临界再加荷比，相应于再压缩比率与再加荷比关系曲线上的两段线性交点对应的再加荷比；r'R-1.0为对应于再加荷比R'=1.0时的再压缩比率，其值等于回弹再压缩变形增大系数；p为再加荷的基底压力，取65kPa。

场地地面标高85.000～85.800m，地下车库基底标高81.250m，地下车库部位为超补偿基础，地基土会产生回弹再压缩变形，计算地下车库基础的回弹再压缩平均沉降量为9.44mm，整体倾斜为7.6×10-6，小于《建筑地基基础设计规范》表5.3.4中规定值0.004，满足规范要求。

3 主楼天然地基评价

以场地南侧1号楼为例进行天然地基承载力评价和变形验算。1号楼地上6层，地下1层，基础平面尺寸54.0m×15.0m，基底标高81.050m，基础持力层为第[4]层粉质黏土。该楼东、西、北三侧为地下车库，南侧没有建筑物，主楼、车库埋深如图1所示。该楼基底压力为150kPa。

图1 主楼、车库埋深

3.1 地基承载力特征值修正

按照《建筑地基基础设计规范》的规定，对天然地基土的承载力特征值按公式（3）进行深宽修正：

式中：fa为经深宽修正后的地基承载力特征值；fak为天然地基承载力特征值；ηb，ηd分别为基础宽度和埋置深度的修正系数；γ为基底以下土的重度（kN/m3）；b为基础底面宽度（m）；γm为基底以上土层的加权平均重度（kN/m3）；d为基础埋置深度（m）。

该项目主群楼为一体结构，对于主楼地基承载力的深度修正，应将基础底面标高以上范围内的荷载按基础两侧的超载考虑，当超载宽度超过基础宽度2倍时，可将该超载按土重度折算成土层厚度作为基础埋深，如果基础的两侧超载不同时应取小值。

当主楼周边的附属建筑基础处于超补偿状态，且其与主楼不能形成刚性整体结构时，应考虑由此造成主楼基础侧限力的永久性削弱及其对地基承载力的影响。

地下水位应根据工程建设不同时期、地下水位的实际埋深进行取值。

3.2 天然地基承载力验算

在对地基土承载力特征值进行深宽修正时，地下水位取值按工程建设期分3种情况，并对各种情况分别进行地基承载力验算。

3.2.1 建设期

工程开工时，当地下水位埋深位于基础底标高以下时，地下水不影响基坑开挖和工程建设，不用采取降低水位措施，天然地基承载力修正时地下水位按建设期地下水稳定水位。当地下水位位于基础底标高以上时，应在基坑开挖前对场地地下水采取人工降水措施，以满足工程需要。根据规范要求，建筑物施工过程中地下水水位应保持在基坑底面以下1.0m。

本工程建设期对天然地基承载力验算取勘察时实测地下水位79.400m。地下水位标高低于主楼基底标高，地下水对工程建设无影响，工程建设期不需降低水位。按照公式（3）对第[4]层粉质黏土进行深宽修正，ηb，ηd分别取 0.3，1.6，γ，γm分别取 18.2，17.8kN/m3，地下车库按恒荷载40kPa折算土层厚度，折算高度自主楼基底起为2.45m，该处绝对标高为83.500m，小于室外地坪标高，因此经计算fa=181.6kPa，大于基底压力，天然地基承载力特征值满足上部荷载要求。

3.2.2 建成后3～5年

建设后期，根据工程进度，设计单位按照场地稳定水位进行验算，当建筑物上部荷载大于地下水产生的浮力时，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响下，地下水位逐步恢复到原来的水位标高，此时应按照场地近3～5年最高水位绝对标高82.500m对天然地基承载力进行验算。

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由于地下水位高于主楼和地下车库埋深，则主楼和地下车库均受到浮力作用，按照式（3）对第[4]层粉质黏土进行深宽修正，ηb，ηd分别取 0.3，1.6，γ，γm分别取8.2，14.8kN/m3，主楼考虑水浮力后基底压力为135.5kPa，车库恒荷载减去水浮力后超载值为27.5kPa，折算土层厚度，折算高度自主楼基底起取2.05m，该处绝对标高为83.100m，小于室外地坪标高。因此经计算fa为154.0kPa，大于主楼考虑水浮力后的基底压力值，天然地基承载力特征值满足上部荷载要求。

3.2.3 使用期

建筑物全使用寿命期间，地下水位可能会达到最高水位，即抗浮设防水位，该水位应根据场地所在地貌单元、地层结构、地下水类型、各层地下水水位及其变化幅度和地下水补给、径流、排泄条件等因素综合确定。这里抗浮设防地下水位标高按84.000m对天然地基承载力进行验算。

由于地下水位高于主楼和地下车库埋深，则主楼和地下车库均受到浮力作用，按照公式（3）对第[4]层粉质黏土进行深宽修正，ηb，ηd分别取 0.3，1.6，γ，γm分别取 8.2，11.2kN/m3，主楼考虑水浮力后基底压力为120.5kPa，车库恒荷载减去水浮力后超载值为12.5kPa，折算土层厚度，折算高度自主楼基底起取1.31m，该处绝对标高为82.360m，小于室外地坪标高。因此经计算fa为132.0kPa，大于主楼考虑水浮力后的基底压力值，天然地基承载力特征值满足上部荷载要求。

以上3种工况下验算的地基承载力特征值均大于相应的基底压力，基础持力层以下不存在软弱下卧层，不需要进行软弱下卧层验算。因此主楼采用天然地基时，地基承载力特征值能满足上部荷载要求。

3.3 天然地基变形验算

根据《建筑地基基础设计规范》规定，在地基变形计算时，应力分布可采用各向同性均质线性变形体的理论方法。现对主楼按公式（4）进行地基变形计算：

式中：s为变形量（mm）；s'为按分层总和法计算出的变形量（mm）；ψs为沉降经验系数，经计算取 0.85；n为变形计算范围内土层数，取6；p0为基础底面处的附加压力（kPa），取65kPa；Esi为基底下第i层土的压缩模量（MPa）；z，zi-1为基底至第i层土，第i-1层土底面的距离（m）；i，i-1为基底计算点至第i层土，第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

按最不利工况计算，主楼平均沉降量95.00mm，小于《建筑地基基础设计规范》表5.3.4中规定值200mm；整体倾斜值3.1×10-4，小于规定值0.004。因此天然地基变形满足规范要求。

地下车库基础的回弹再压缩平均沉降量为9.44mm，与主楼沉降差85.56mm，主楼和地下车库间应设置后浇带，主楼结顶后，根据主楼沉降观测数据，在满足主楼和地库差异沉降要求的情况下，确定浇筑后浇带时间，从而满足主楼和地下车库差异沉降的要求。

4 结语

主楼天然地基承载力验算时基础埋深的确定比较复杂。在先回填后开挖场地，可从填土后地面标高开始计算，若在主体结构完工后进行填土时，应从填土前原始地面标高开始计算。假如地下室采用箱形基础或筏形基础时，基础埋深从建筑室外的地面标高进行计算；当采用独立基础或条形基础时，应从地下室内地坪标高计算。

基础宽度2倍范围内有地下车库时，要根据车库基础形式按超载折算土层厚度，车库采用筏板基础时，按考虑水浮力后的车库恒荷载折算土层厚度；车库采用独立基础或条形基础时，超载折算高度自主楼基底标高至车库室内地坪标高。

不同时期与工况下，地下水位的取值会影响基底压力值和地基土承载力特征值，所以在天然地基承载力计算时应对每种工况进行验算；变形计算时按最不利工况进行验算。