3.1 地基、基礎與上部結構共同作用的概念

3.1.1 概述

常規的設計方法中，通常是將地基、基礎和上部結構三部分作為彼此獨立的結構單元進行分析，這樣雖然滿足了靜力平衡條件的要求，但卻完全忽略了三者在受荷前后的變形連續性，也就是說在受荷后，地基、基礎和上部結構都將按照各自的剛度發生變形，那么在三者相互接觸的位置就有可能由于彼此變形的不同而發生脫離現象，這與實際是不相符的。圖3.1所示的高層框架結構體系，按照常規設計方法，能夠滿足上部結構、基礎、地基之間作用力的平衡，卻不能滿足上部結構-基礎、基礎-地基之間的變形協調。當地基軟弱、結構物對不均勻沉降敏感時，上述常規分析結果與實際情況的差別就增大。事實上，地基、基礎和上部結構三者是一個統一的整體，三者相互聯系共同承擔荷載，在外荷載作用下，內力和變形均相互制約、彼此影響。由此可見，合理的分析方法，原則上應該是地基、基礎和上部結構三者不僅要滿足靜力平衡條件，而且必須同時滿足變形協調條件，這樣才能揭示地基、基礎和上部結構三者在外荷載作用下相互制約、彼此影響的內在聯系，由此所設計的地基基礎方案才能夠真正達到安全、經濟、合理的目的。

由于上部結構往往為空間結構，而地基土為半無限的三相體，所以按地基、基礎和上部結構三者共同作用的原則進行整體的相互作用分析是比較復雜的。在分析和計算過程中，要借助計算機平臺，采用能夠全面反映結構影響和土的變形特征的地基計算模型進行分析和計算。

3.1.2 地基與基礎的共同作用

1.基底反力的分布規律

在地基、基礎和上部結構三者相互作用的過程中，地基起主導作用，其次是基礎，另外還受到上部結構剛度的約束作用。在常規設計法中，通常假設地基與基礎之間的相互作用力——基底反力為線性分布。事實上，基底反力的分布是非常復雜的，其分布形式與地基、基礎和上部結構的類型、剛度等有關。為便于分析，忽略上部結構的影響，探討基礎剛度對基底壓力的影響。對于基礎剛度對基底壓力的影響，可以先思考兩種極端情況，一種是基礎剛度為零的柔性基礎，另一種是基礎剛度趨于無窮大的剛性基礎。

（1）柔性基礎。柔性基礎的抗彎剛度很小。這種基礎就像放在地基上的柔軟薄膜，可以隨著地基的變形而任意彎曲，這樣基礎上任意一點的荷載傳遞到基底時不可能向四周擴散分布，所以基礎像直接作用在地基上一樣?；追戳Ψ植寂c作用于基礎上的荷載分布完全一致。如果在均布荷載作用下，柔性基礎的基底沉降是中部大、邊緣?。蹐D3.2（a）］；如果使柔性基礎的沉降均勻，則需增大基礎邊緣的荷載，減小基礎中部荷載［圖3.2（b）］。

（2）剛性基礎。剛性基礎的抗彎剛度可以視為無窮大，在外力作用下，基礎本身不會發生撓曲。假定基礎絕對剛性，在集中荷載作用下，原來是平面的基底，沉降后仍然保持平面（圖3.2），即剛性基礎的基底均勻下沉，此時基底反力將向兩側集中，邊緣大，中部小。如果按彈性半空間理論，求得剛性基礎的基底反力圖，如圖3.3中的實線所示，邊緣處的值趨于無窮大。實際上，地基土抗剪強度有限，基礎邊緣處的土體受荷后首先屈服、破壞，部分應力將向中部轉移，這樣基底壓力的分布將呈現為馬鞍形，如圖3.3中的虛線所示。剛性基礎這種跨越基底中部，將所承擔的荷載相對集中地傳至基底邊緣的現象叫做基礎的“架越作用”。

（3）基礎相對剛度的影響?；A相對剛度是指基礎與地基之間的剛度比，稱為基礎相對剛度?；A相對剛度對基底反力的分布影響較大。對于圖3.4（a）所示的黏性土地基上的基礎剛度較大的基礎，當荷載不太大時，地基中的塑性區較小，基礎的架越作用明顯。當荷載增大時，塑性區不斷擴大，基底反力會趨于均勻。在流塑狀態的軟土中，基底反力幾乎呈直線分布。對于基礎相對剛度較小的基礎，如圖3.4（c）所示，由于基礎的擴散能力不大，基底出現反力集中的現象，基礎的內力反而不大。對于一般的黏性土地基上相對剛度適中的基礎，如圖3.4（b）所示，其基底壓力的分布介于圖3.4（a）與圖3.4（c）情況之間。

由此可見，基礎架越作用的強弱，取決于基礎相對剛度的大小、土的壓縮性及基底塑性區的大小。一般來說，基礎的相對剛度越大，架越作用越明顯，基底壓力分布與上部荷載分布越不一致。

（4）鄰近荷載的影響。事實上，上述地基與基礎的共同作用的分析是在沒有考慮鄰近荷載作用情況下得出的。如果基礎受到相鄰荷載的影響，那么受荷載影響一側的沉降量會增大，此時基底反力分布會發生明顯的變化，反力呈現為中間大兩端小的向下凸的雙拱形，而顯著有別于無鄰近荷載時的馬鞍形分布形式。

2.地基非均質性的影響

地基的非均質性對地基與基礎的共同作用也有顯著的影響。當地基壓縮性不均勻時，若按照常規的設計方法計算得到的基礎內力可能會造成與實際情況明顯不同的現象。如圖3.5所示，圖3.5（a）所示為上部軟弱土壓縮性較大，下部堅硬土壓縮性較小，而圖3.5（b）所示的地基壓縮性恰好與圖3.5（a）所示的相反，外荷載及基礎相同，但其撓曲情況和彎矩圖截然不同。

此外，若外荷載分布不同也會對基礎內力產生不同的影響，對于圖3.6所示幾種外荷載分布情況，圖3.6（a）和圖3.6（b）所示的情況比較有利，而圖3.6（c）和圖3.6（d）所示的情況則是不利的。

3.1.3 上部結構與基礎的共同作用

上部結構剛度對基礎的受力狀態影響較大。上部結構剛度指的是整個上部結構對基礎不均勻沉降或撓曲的抵抗能力，或稱為整體剛度。如果上部結構為絕對剛性，比如長高比很小的現澆剪力墻結構，如圖3.7所示，當地基變形時，由于上部結構的剛度較大，所以認為其不發生彎曲，那么剛性柱結構均勻下沉，基礎梁撓曲時柱端相當于不動的支座，此時基礎梁的受力分析可以看作是一根倒置的連續梁。事實上，實際工程中體型簡單、長高比很小的結構，如煙囪、水塔、高爐、筒倉等高聳結構物或采用框架-剪力墻、筒體結構的高層建筑均可看作剛性結構。這類結構之下常為整體配置的獨立基礎，基礎與上部結構渾然一體，使整個體系具有很大的剛度。當地基不均勻時，基礎轉動傾斜，但幾乎不會發生相對撓曲，這類結構也可采用常規設計。

另外，實際工程中按照上部結構剛度對基礎的影響，還有一類柔性結構。柔性結構是指上部結構的剛度較小，不會或者對地基變形產生較小影響的結構，如剛度較小的框架結構，或以屋架 柱 基礎為承重體系的排架結構和木結構等。如果上部結構為剛度較小的框架結構，由于其剛度很小，對基礎的變形幾乎沒有約束作用，在進行受力分析時可將上部結構簡化為荷載直接作用在基礎梁上，如圖3.7所示。此外，由于整個承重體系對基礎的不均勻沉降有很大的順從性，故基礎的沉降差不會引起主體結構的附加應力，傳給基礎的柱荷載也不會因此而有所改變。結構與地基變形之間并不存在彼此制約、相互作用的關系。這類結構最適合按常規方法設計。

由上述分析可知，上部結構的剛度對基礎梁的受力有較大影響，其為絕對剛性和完全柔性，形成的基礎彎曲變形和內力是截然不同的，如圖3.7所示。實際上，建筑結構中最常見的磚石砌體承重結構和鋼筋混凝土框架結構的剛度一般有限，這類結構一方面可以調整地基不均勻沉降，但在調整地基不均勻沉降的同時也引起了結構中的附加應力，這樣就有可能導致結構的變形甚至開裂，也就是說，這類結構對基礎的不均勻沉降的反應都很靈敏，故稱為敏感性結構。此類結構應考慮地基、基礎和上部結構的相互影響作用?；谙嗷プ饔梅治龅脑O計方法，稱為“合理設計”方法，但對于柔性基礎和剛性基礎仍然可以采用常規的簡化計算方法，而對于敏感性結構則需考慮三者的相互作用。因為合理設計方法不僅需要建立能正確反映結構剛度影響的分析理論，還要有能夠合理反映地基土變形特性的地基計算模型和相應的參數，以及可以借助計算機完成相應計算的有效計算方法。到目前為止，基于地基、基礎和上部結構的相互作用分析還處于研究階段，也是國內外引起學者廣泛研究興趣的一項研究課題。