2.4 地基承載力的確定

2.4.1 地基承載力概念

地基承載力是指地基承受荷載的能力。地基基礎設計首先必須保證荷載作用下地基應具有足夠的安全性。在保證地基穩定的條件下，使建筑物的沉降量不超過允許值的地基承載力稱為地基承載力特征值，以fa表示。

確定地基承載力特征值是地基基礎設計中一個至關重要而又十分復雜的問題，它不僅與地基土的形成條件和性質有關，而且還與基礎的類型、底面尺寸、埋深、上部結構的類型、荷載性質與大小及施工等因素密切相關。

2.4.2 地基承載力特征值的確定方法

地基承載力特征值的確定主要有以下4種方法。

（1）按現場載荷試驗確定。

（2）根據土的抗剪強度指標由理論公式計算確定。

（3）按現行規范提供的承載力表確定。

（4）在土質基本相同的情況下，參照相鄰建筑物的工程經驗確定。

以上方法各有所長、互為補充，在具體工程中，往往需要用多種方法綜合確定，確定的精度宜按建筑物的安全等級、地質條件并結合當地經驗適當選擇。

1.按現場載荷試驗確定

載荷試驗有淺層平板載荷試驗、深層平板載荷試驗和螺旋板載荷試驗。前者適用于淺層地基，后兩者適用于深層地基。《地基規范》規定,淺層平板載荷試驗承壓板的面積宜為0.25～0.5m2，對軟土不應小于0.5m2；深層平板載荷試驗的承壓板常用直徑為0.8m的圓形剛性板，要求承壓板周圍的土層高度不應小于0.8m，由此測定深部地基土層的承載力。

載荷試驗采用分級加載、逐級穩定、直到破壞的試驗步驟進行。試驗完畢后，根據各級荷載與其相應的沉降穩定的觀測值，采取適當比例尺繪制荷載p與沉降s的關系曲線，如圖2.15所示，根據p-s曲線確定地基承載力特征值fak。按下述規定取值。

（1）當p-s曲線上有明顯比例界限時，取該比例界限所對應的荷載值p1作為地基承載力特征值，如圖2.15（a）所示。

（2）當極限荷載pu小于比例界限荷載的2倍時，取其極限荷載值的一半，即取pu/2作為地基承載力特征值。

（3）當不能按上述要求確定時，若承壓板的面積為0.25～0.5m2時，可取s/b=0.01～0.015所對應的荷載值作為地基承載力特征值，但其值不應大于最大加載量的一半，如圖2.15（b）所示。

（4）對同一土層，應選擇3個以上的試驗點，當試驗實測值的極差（最大值與最小值之差）不超過其平均值的30%時，取其平均值作為該土層的地基承載力特征值fak。

載荷試驗的優點是壓力的影響深度可達1.5～2.0倍的承壓板寬度，故能較好地反映天然土體的壓縮性。對于成分或結構很不均勻的土層，如雜填土、裂隙土、風化巖等，它則顯示出用別的方法難以替代的作用。其缺點是試驗工作量和費用較大，時間較長。

2.根據土的抗剪強度指標由理論公式計算確定

《地基規范》規定，當基底荷載偏心距e≤l/30（l為偏心方向基礎邊長）時，根據土的抗剪強度指標確定地基承載力特征值可按式（2.5）計算,即

式中 fa——由土的抗剪強度指標確定的地基承載力特征值,kPa；

Mb、Md、Mc——承載力系數，由土的內摩擦角標準值φk查表2.3確定；

b——基礎底面寬度，m，當基底寬度大于6m時按6m取值；對于砂土，小于3m時按3m取值；

d——基礎埋置深度，m，取值方法與式(2.6)相同；

γ——基礎底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度，kN/m3；

γm——基礎底面以上土的加權平均重度，地下水位以下取有效重度,kN/m3；

ck——基礎底面下一倍基礎寬度的深度范圍內土的黏聚力標準值。

3.按規范承載力表確定

我國各地區規范給出了按野外鑒別結果，室內物理力學指標，或現場動力觸探試驗錘擊數查取地基承載力特征值fak的表格，這些表格是將各地區載荷試驗資料經回歸分析并結合經驗編制的。表2.4給出的是砂土按標準貫入試驗錘擊數N查取承載力特征值的表格。

4.按建筑經驗確定

在擬建場地的附近，常有不同時期建造的各類建筑物。調查這些建筑物的結構類型、基礎形式、地基條件和使用現狀，對于確定擬建場地的地基承載力具有一定的參考價值。

在按建筑經驗確定地基承載力時，需要了解擬建場地是否存在人工填土、暗溝、土洞、軟弱夾層等不利情況。對于地基持力層，可以通過現場開挖，根據土的名稱和所處的狀態估計地基承載力。這些工作還需在基坑開挖驗槽時進行驗證。

2.4.3 地基承載力特征值的修正

當基礎寬度大于3m、埋置深度大于0.5m時，從載荷試驗或其他原位測試、規范表格等方法確定的地基承載力特征值，應按式(2.6)進行修正，即

式中 fa——修正后的地基承載力特征值,kPa；

fak——地基承載力特征值,kPa；

ηb、ηd——基礎寬度和埋深的地基承載力修正系數，按基底下土的類別查表2.5確定；

b——基礎底面寬度,m，當基底寬度大于6m時按6m取值，小于3m時按3m取值；

d——基礎埋置深度,m，一般自室外地面標高算起；在填方整平地區，可自填土地面標高算起，但填土在上部結構施工后完成時，應從天然地面標高算起；對于地下室，如果采用箱形基礎或筏形基礎時，基礎埋深自室外地面標高算起；當采用獨立基礎或條形基礎時，應從室內地面標高算起。對于主裙樓一體的主體結構基礎，可將裙樓荷載視為基礎兩側的超載，當超載寬度大于基礎寬度2倍時，可將超載折算成土層厚度作為基礎的附加埋深；

γ——基礎底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度,kN/m3；

γm——基礎底面以上土的加權平均重度，地下水位以下的土層取有效重度,kN/m3。

【例2.1】 某墻下條形基礎，基礎底面寬度為3.8m，基礎埋深1.6m，地下水位位于地面以下1.0m處，地質剖面如圖2.16所示，試確定地基持力層的承載力特征值。

解 因為基礎寬度b=3.8m>3m，基礎埋深d=1.6m>0.5m，所以持力層承載力特征值需要進行寬度和深度修正，由表2.5查得ηb=0.3、ηd=1.6。

由式(2.6)可得修正后的地基承載力特征值為

【例2.2】 某條形基礎，基礎底面寬度為2.5m，基礎埋深為1.5m，合力偏心距e=0.04m，地基土內摩擦角φk=24°，黏聚力ck=15kPa，地下水位位于地面以下0.8m處，地下水位以上土的重度為γ=18kN/m3，地下水位以下土的飽和重度為γsat=19kN/m3。試確定地基持力層的承載力特征值。

解 由題意知，e=0.04m<b/30=2.5/30=0.0825m，可以采用規范推薦的強度理論公式來確定地基持力層的承載力特征值。由φk=24°查表2.3,得Mb=0.8、Md=3.87、Mc=6.45。

由式(2.5)可得地基持力層的承載力特征值為

2.4.4 地基變形驗算

按前述方法確定的地基承載力特征值雖然可保證建筑物在防止地基剪切破壞方面具有足夠的安全度，但卻不一定保證地基變形滿足要求。因為在荷載作用下，地基土總要產生壓縮變形，使建筑物產生沉降。由于不同建筑物的結構類型、整體剛度、使用要求的差異，對地基變形的敏感程度、危害、變形要求也不同。因此，對于各種類型建筑物，如何控制對其不利的沉降形式——地基變形特征，使其不會影響建筑物的正常使用或安全，也是地基基礎設計必須予以充分考慮的一個基本問題。

《地基規范》按不同建筑物的地基變形特征，要求建筑物地基變形的計算值s應不大于地基變形的允許值［s］，即

式中 s——地基變形計算值傳至基礎上的荷載Fk應按正常使用極限狀態下荷載效應的準永久組合（不應計入風荷載和地震作用）確定；

［s］——地基變形允許值，按表2.6取值。

地基變形允許值確定涉及的因素很多，如建筑物的結構特點和具體使用要求，對地基不均勻沉降的敏感程度以及結構強度儲備等。《地基規范》(GB 5007—2011)綜合分析了國內外各類建筑物的有關資料，提出了表2.6所列的建筑物地基變形的允許值。對表中未包括的其他建筑物的地基變形允許值，可根據上部結構對地基變形特征的適應能力和使用上的要求確定。

地基變形驗算結果如果不滿足式(2.7)的要求，可以先適當調整基礎底面尺寸或埋深，如仍不滿足要求，再考慮從建筑、結構、施工等方面采取有效措施以防止不均勻沉降對建筑物的損害，或改用其他地基基礎設計方案。

地基變形按其特征可分為4種，即沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜。

（1）沉降量：指獨立基礎中心點的沉降值或整幢建筑物基礎的平均沉降值。

若沉降量過大，將影響建筑物的正常使用。對于單層排架結構柱基、高層建筑和高聳結構基礎須計算沉降量，并使其小于允許值。

（2）沉降差：一般指相鄰柱基中點的沉降量之差。

相鄰柱基沉降差過大，就會導致上部結構產生附加應力，嚴重時建筑物會發生開裂、傾斜甚至破壞。對于建筑物地基不均勻，有相鄰載荷影響或荷載差異較大的框架結構、單層排架結構，其地基變形由沉降差控制，需驗算基礎的沉降差，并將其控制在允許值以內。

（3）傾斜：指基礎傾斜方向兩端點的沉降差與其距離的比值。

對于高聳結構以及長高比很小的高層建筑，整體剛度很大，可近似視為剛性結構，其地基變形應由建筑物的整體傾斜控制。

高聳結構重心高，基礎傾斜使重心側向移動而引起的偏心力矩，不僅使基底邊緣壓力增加而影響傾覆穩定性，還會導致高聳結構產生附加彎矩。因此，高聳結構基礎的傾斜允許值隨結構高度的增加而遞減。一般地，地基土層的不均勻分布以及鄰近建筑物的影響是高聳結構產生傾斜的重要原因；如果地基的壓縮性比較均勻，且無鄰近荷載的影響，對高聳結構只要基礎中心沉降量不超過表2.6的允許值，可不作傾斜驗算。

高層建筑橫向整體傾斜允許值主要取決于人們視覺的敏感程度，高大的剛性建筑物傾斜值達到明顯可見的程度時大致為1/250，而結構損壞則大致當傾斜值達到1/150時才開始。

對于有吊車的工業廠房，還應驗算橋式吊車軌面沿橫向或縱向的傾斜，以免因傾斜而導致吊車自動滑行或卡軌。

（4）局部傾斜：指砌體承重結構沿縱向6～10m內基礎兩點的沉降差與其距離的比值。

一般砌體承重結構房屋對地基不均勻沉降是很敏感的，因地基不均勻沉降所引起的損壞，最常見的是房屋外縱墻由于相對撓曲而引起的斜裂縫，有裂縫呈正“八”字形的墻體正向撓曲（下凹），有裂縫呈倒“八”字形的反向撓曲（凸起）。因此，砌體承重結構的地基變形由局部傾斜控制。

必須指出，目前的地基沉降計算方法還比較粗糙，因此，對于重要的或體型復雜的建筑物，或使用上對不均勻沉降有嚴格要求的建筑物，應進行系統的地基沉降觀測。通過對觀測結果的分析，一方面可以對計算方法進行驗證，修正土的參數取值；另一方面可以預測沉降發展的趨勢，如果最終沉降可能超出允許范圍，則應及時采取處理措施。

在必要情況下，需要分別預估建筑物在施工期間和使用期間的地基變形值，以便預留建筑物有關部分之間的凈空，考慮連接方法和施工順序。一般多層建筑在施工期間完成的沉降量，對于砂土可認為其最終沉降量已完成80%以上；對于其他低壓縮性土可認為已完成最終沉降量的50%～80%；對于中壓縮性土可認為已完成20%～50%；對于高壓縮性土可認為已完成5%～20%。