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基础埋深与地基稳定性

发布于：2022-09-27 13:23:27 来自：建筑结构/地基基础 [复制转发]

一

很多地基基础类规范都给出了建筑埋深的要求。

《建筑地基基础设计规范》5.1.3、5.1.4规定：

5.1.3是强条规定的是高层建筑，实际上任何建筑都要满足地基承载力、变形和稳定性的要求，故该条应删掉高层两个字。而5.1.4的对基础埋深的具体要求，反而没有提到高层建筑。多层建筑不宜按这个比例确定埋深，故应增加高层两字。

《北京地区地基基础勘察设计规范》基本内容一致：

北京地规埋深规定比国标稍微浅一点，也更细致一些，尤其提到了能浅埋尽量浅埋。

《高层建筑筏基与箱型基础技术规范》也几乎同样规定：

三本规范大致要求相同。首先要满足建筑功能、冻土深度、地质土层（基础要位于好土层）等要求，这是基础埋深的前置条件，其它就是满足地基基础的安全问题，即地基承载力、变形与稳定的要求。地基承载力和变形与埋深的关系，结构工程师都很清楚，但稳定与埋深的关系往往都是概念或者说是综合经验的，规范给出了地基整体稳定性计算的公式，但该公式真正用于实际工程计算的并不多。规范对基础埋深的规定是“宜”，如果小于规定但又满足稳定计算时，如何合理的确定埋深呢？很多人会感到困惑，本文谈谈个人观点。

二

首先说下基础埋深和地基承载力及地基变形的关系，这样再分析埋深与稳定的关系时脉络和因果关系更清楚一些。

深度修正使地基承载力提高，故埋深越深越有利，深度修正的机理和地基滑切面稳定的概念有一定的关系，该系列前文说过不再详述。地基变形的因素主要是地基附加应力和地基的变形模量，基础埋深越大，地基附加应力越小（有地下室时），同样的土埋置深度越深因地质历史的原因其变形模量越大。但遇到软弱下卧层时，浅埋反而更好，这个要清楚。

地基承载力和地基变形与埋深的关系是，埋深是原因（建筑要求、冻土深度及浅层不适于承载土层厚度等综合原因），承载力和地基变形是自然而然的结果，故很少人单纯为了增加承载力或减少地基变形而加大埋深。但埋深与地基稳定的关系似乎正好相反，埋深可以增加地基的稳定性，故因地基稳定性的要求，规范对高层建筑的埋深有具体的比例规定，除上述的自然而然的要求外，埋深的规定基本是对高层建筑的地基整体稳定性而言的。

三

很多地基类的规范都规定了基础的埋置深度，比如《高层建筑筏基与箱基基础技术规范》5.2.3规定：在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基基础埋深不宜小于建筑高度的1/15，桩基不宜小于1/18。

但如果从承载力和地基变形的角度，很多时候基础无需做的这样深，此时埋深就单单是因为地基稳定的要求了，故5.1.1规定当不符合5.2.3规定或土层不均匀时应该进行地基整体稳定性验算。

要注意地基土不均匀时，高层建筑仅仅满足规范的埋深要求是不够的，这个概念大家很清楚，对不均匀地基地基整体稳定性未必算的清楚，要运用宏观经验的概念性判断通过整体方案概念上解决。多层建筑一般不会发生地基失稳的问题，但建筑的倾斜很可能发生。

规范还特别指出了在抗震设防区，换句话说，如果是非抗震设防区不存在这个埋深的要求。不过连6度区都属于抗震设防区，基本也没什么非设防区了。

地基整体稳定验算包含三个部分，分别是基础的抗滑移、结构抗倾覆稳定和地基整体稳定。

《建筑地基基础设计规范》5.4.1规定了地基整体稳定性的计算公式，形式很简单：

计算的方法是采用极限平衡理论的圆弧滑动面分条法，见下图：

计算出这个图形的和并不是件简单的事，没有岩土工程师的背景，大部分结构工程师会望而生畏。

《地规》没有给出其它两项基础的抗滑移和结构抗倾覆稳定的计算公式。我觉的给不给也无所谓，这是个简单的物理学范畴的问题，自然应该满足，除地基非常不均匀时一般情况下很容易满足（见下文）。

《高层建筑筏基与箱型基础技术规范》和《北京地规》给出了计算公式，抗滑移稳定计算如下：

从公式可以看出，如果基底摩擦系数按0.2考虑的话，结构本身满足设计要求的，这个基本自然就满足了。但对于埋深很浅的岩石地基，摩擦系数很小时，应注意其抗滑，解决起来也很简单，基础与岩石用锚筋连接起来即可。

抗倾覆稳定性计算如下：

这个要求也很容易满足，但对于地基不均匀一边硬一边软时要注意，不是这个公式能够考虑的了，前文已经说过。

所以《地规》关于地基稳定部分仅仅规定了地基整体稳定性的计算，是有道理的。

四

我们单独讨论下地基整体稳定性和埋深的关系问题。

国标《地规》、《北京地规》和《高层地规》关于基础埋深的条文说明都引用了北京院张在明的研究，如下图：

但我感觉这个案例研究结果并没有说服力，看不出必然的逻辑关系，反而增加了人们对埋深与稳定性之间关系的怀疑。比如案例中的25层（约75米高）建筑埋深是1.8米时，埋深很浅几乎到了1/40，而安全系数仍然可达到1.44，大于1.2；即使基础埋深增加了2倍多（1.8米增加到3.8米），安全系数也才仅仅增加到了1.64。所以稳定性和基础埋深的关系虽然是正相关，但并不是很敏感。而且从滑切面原理来看，稳定性主要取决于地基土的内摩擦角和粘聚力，埋深仅仅是增加滑切面的长度和抵抗力，不是关键的因素。

该案例中也没提到土的性质，但从北京地质来看是粉质粘土或砂卵石可能性大，也就是说北京地区一般埋深的建筑其地基整体稳定系数大约在1.2~2.0之间。这个案例和也桩基没有关系，所以桩基的1/18的来历很可能是适当减少了20%得出来的，但如果纯粹从滑切面的稳定性来看，桩基的稳定性要高于天然地基很多，仅仅减少到1/18，埋深应该是是富裕的，所以1/18的要求很可能是规范专家的综合经验，没什么依据。

古今强《高层住宅基础优化实例》提到一个案例很好非常有代表性，情况大概这样：住宅28层，无地下室，因地勘给出的第3层土为强风化岩石承载力较低且不均匀，故设计采用桩基穿透该层进入下部的岩石层，按1/18桩基埋深要求基础顶面-1.8米（基础板厚1.6米）。因打桩困难，后优化改为天然地基（强风化岩石层地基承载力重新勘测提高了很多）。如果按天然地基1/15的要求，基础要加深约1米，但因无地下室，故业主希望基础埋深不变。如果基础不加深就不满足规范的要求，这是问题的关键，也是很多结构工程师困惑的问题。

为了不增加基础埋深，古今强等对地基进行了整体稳定验算，简图如下（摘自论文）：

三个稳定计算公式安全系数分别如下（摘自论文）：

从该文章可以看出抗滑移和抗倾覆系数远远大于规范的要求，几乎无需验算，证明了上文的无需考虑的说法。但整体稳定性系数比规范的1.2仅仅大了60%，并不富余。

该案例基础埋深1/18和张在明的案例1/17.8相当，但土质为强风化岩石好于北京的土质，故其安全系数从1.64增加到了2.02，主要作用是土的内聚力和摩擦角起了作用。同样大概可以判断，土质在粉质粘土以上时，正常体型的高层建筑的地基整体稳定性应该是可以满足计算要求的。

四

总结一下：

1、埋深首先考虑建筑功能、冻土、地基持力层深度、地下水等综合初步确定埋深。对多层建筑根据该埋深计算地基承载力和变形验算，多层建筑一般无需考虑地基整体稳定性的要求。《北京地基规范》还特别指出，满足上述条件及整体稳定性的要求后尽量浅埋。除非有软弱下卧层，基础埋置越深对地基基础的安全性越好，但结构的造价也会大幅度提高，所以非必要的情况，一般不宜埋的过深。

2、规范给出的高层建筑基础埋深从综合工程经验上是合理的，100米的高层建筑上做2层地下室埋深6.5米左右是有必要的。较深的基础可同时带来地基承载力的提高、变形的减少等综合的好处。

3、地震反应会减小。我在《抗震系列浅谈》谈到过这个问题，不再详述。当然我们也不会为了减少地震反应而加大基础埋深，只是我们要知道还有这个附加价值。

4、若高层建筑因为建筑地下室较浅，埋深不满足要求要进行地基整体稳定性验算时，首先要看地基土质和均匀性性，要知道地基的土的性质或其是否均匀比埋深重要的多，比如岩石地基单纯从上述稳定的三个公式来看，即使基础位于地面也是满足的，所以岩石几乎不存在埋深问题。软土或不均匀地基土仅仅满足埋深也是不够的。上海住宅倾覆的案例就是因为地基土是软弱的，再加上单侧堆土，造成滑切面的倾覆力矩大大增加，即使打了管桩也不能阻止地基稳定性倾覆，所以宏观上要评价地基土对稳定的影响，其重要性高于埋深。