【摘要】基礎(chǔ)底面以上的覆土層能顯著提高地基的承載力，挖去覆土層、地基承載力降低，塑性變形區(qū)增加，沉降增加。在房屋部分區(qū)域下挖進(jìn)行改建，將產(chǎn)生局部區(qū)域沉降增加，造成基礎(chǔ)間的沉降差，沉降差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，超過結(jié)構(gòu)可調(diào)整的范圍，將引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)的損壞，影響建筑物的安全和使用。故需對(duì)下挖改建進(jìn)行安全性評(píng)、處置，保證建筑物安全。

【關(guān)鍵詞】下挖地坪；臨塑荷載；塑性變形區(qū)；地基承載力；沉降差；應(yīng)力

【Abstract】Above the base underside of the casing layer can significantly improve the bearing capacity of foundation， the digging of overburden， foundation bearing capacity decreased plastic deformation zone increase， the settlement increased. Dug to carry out alterations in the housing part of the region， will result in the local area deposition， resulting in differential settlement between the basis， the settlement difference between the structure of stress， more than the structure of adjustable range will cause damage to the building structure， affect the safety of buildings and to use. Therefore， the need for the next dig converted safety assessments， disposal， and to ensure building safety.

【Key words】The next dig Ping；Critical edge load；Plastic deformation zone；Bearing capacity of foundation；Differential settlement；Stress

當(dāng)多層房屋是埋深小于5米的淺基礎(chǔ)時(shí)，下挖底層地坪（以下簡稱下挖）進(jìn)行房屋改建，增加底層凈高，以滿足不同營業(yè)的需要；或做成夾層、地下室，增加室內(nèi)使用面積。這樣的改建，有時(shí)施工尚未結(jié)束，上部建筑結(jié)構(gòu)就出現(xiàn)損壞，引發(fā)上、下層業(yè)主間的糾紛，因此有必要認(rèn)識(shí)下挖改建的危害性，慎重決策是否改建、科學(xué)制定改建方案，以保證地基基礎(chǔ)、房屋結(jié)構(gòu)的安全。

1. 覆土層的作用

基礎(chǔ)埋深D范圍內(nèi)的土稱為覆土層，明確它在地基基礎(chǔ)中的作用，理解地基破壞機(jī)理，才能認(rèn)清下挖改建的危害。

1.1地基受力破壞過程。

土力學(xué)試驗(yàn)表明，隨著外荷載的增加（圖1：曲線1），一般的地基變形分為三個(gè)階段。第一階段：線性變形階段，壓力與沉降基本成直線關(guān)系，引起地基中出現(xiàn)、但尚未出現(xiàn)塑性變形區(qū)的荷載稱為臨塑荷載（pcr）；第二階段：塑性變形階段，基礎(chǔ)邊緣局部范圍內(nèi)發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)塑性變形區(qū)（圖2）；第三階段：整體剪切破壞階段，塑性變形區(qū)發(fā)展、地基沉降增加、形成連續(xù)滑動(dòng)面，基礎(chǔ)周邊隆起，地基破壞（圖3），此時(shí)的荷載稱極限荷載（Pu ）。這個(gè)過程中，地基應(yīng)力變化與地基變形、破壞間的關(guān)系，是理解覆土層的作用，控制、處置下挖改建的理論基礎(chǔ)。

1.2覆土層能提高地基承載力。

覆土層對(duì)提高地基承載力有顯著的作用，其大小，受埋深、土質(zhì)等因素的影響。

滑動(dòng)面應(yīng)力分析。與中學(xué)物理中敘述的物體間摩擦力概念相似，滑動(dòng)面（圖3）上存在一對(duì)方向相反的摩擦力，其大小與滑動(dòng)面間的摩擦系數(shù)、以及其上受到的壓力有關(guān)，摩擦系數(shù)與土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ有關(guān)；壓力與覆土層厚度D有關(guān)。將覆土層向下的力用均布荷載q=γD來表示，D越大q越大，滑動(dòng)面上受到的正壓力越大、摩擦力也就越大?；诖?，普朗德爾（Prandtl）、賴斯特（Reissnre）指出，破壞圖式中，區(qū)域Ⅰ是主動(dòng)朗肯（Rankine）區(qū)，它推擠放射形的普朗特爾（Prandtl）Ⅱ區(qū)，并向上推擠被動(dòng)朗肯區(qū)Ⅲ區(qū)，可明顯看出q有抵抗Ⅲ區(qū)向上滑動(dòng)的作用。

鑒于此，眾多土力學(xué)研究成果均考慮覆土層在提高地基抗剪強(qiáng)度中的作用，提出用大于1的深度系數(shù)對(duì)地基承載力進(jìn)行修正。

我國《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）（以下簡稱《規(guī)范》），考慮到覆土層厚度的影響規(guī)定：當(dāng)基礎(chǔ)的寬度大于3m，埋深大于最小埋深0.5m時(shí)，對(duì)按載荷實(shí)驗(yàn)、公式計(jì)算并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定的地基承載力特征值fak 進(jìn)行修正：

fa=fak+ηb γ（b-3） + ηd γm（D-0.5） （1）

修正后的 fa 是確定地基承載力f 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。式中ηd為大于等于1的地基承載力埋深修正系數(shù)。當(dāng)D>0.5 m時(shí)，fak 提高至 fa 。

由公式可見覆土層的厚度越大、地基承載力越高。

本文只討論覆土層厚度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，為簡潔明了，對(duì)基底寬度、加荷速率、滑動(dòng)線上覆土層厚度范圍內(nèi)的抗剪強(qiáng)度、覆土層與基礎(chǔ)及持力層間的摩擦力等因素不予討論。

1.3覆土層減小的危害。

覆土層減小地基承載力降低。按1.2節(jié)的討論，宏觀上看，隨著下挖深度增加D的減小，q減小、滑動(dòng)面間的摩擦力減小，抗剪強(qiáng)度減小；從內(nèi)因上分析，滑動(dòng)面上土單元體受到q形成的側(cè)限應(yīng)力，隨著D的減小而減小，由土的實(shí)驗(yàn)學(xué)知識(shí)可知，隨著側(cè)限應(yīng)力減小，土單元體的抗剪強(qiáng)度減小，地基承載力相應(yīng)減小，原設(shè)計(jì)值 f減小為f/。當(dāng)D=0時(shí)，覆土層的作用完全喪失。

覆土層減小沉降量增加。在地基設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)基底所受的應(yīng)力（p）小于或等于地基承載力設(shè)計(jì)值（ f）的條件：

p= F+ADA f（2） 得基底寬度： A F f- D（3）

式中：F為上部結(jié)構(gòu)的荷載設(shè)計(jì)值，AD 為基底范圍內(nèi)，基礎(chǔ)及回填土的平均重度，改建時(shí)，基礎(chǔ)臺(tái)階上的土同時(shí)會(huì)被挖去，會(huì)部分減小對(duì)地基的壓力，但相對(duì)于被挖去的、整個(gè)室內(nèi)面積上的土對(duì)地基的壓力，其數(shù)值較小，分析中忽略這部分影響。從公式（2）、（3）可以看出，下挖后承載力降低， f減小為f/ ，基底面積A不變，公式失去平衡 P>f/，基底下土單元體所受應(yīng)力增加，壓縮量增加。相當(dāng)于在地基荷載實(shí)驗(yàn)中，土體所受的應(yīng)力由pcr向pu發(fā)展，隨之塑性變形區(qū)深度增加，沉降量也隨之增加（圖2：曲線2）。

綜上所述，覆土層對(duì)提高地基承載力有較大作用，減小了覆土層、地基承載力降低，塑性變形區(qū)增加，沉降量增加。

2.下挖改建對(duì)建筑物的影響

下挖深度增加，危害性也隨之增加，嚴(yán)重時(shí)基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生破壞。

2.1不同下挖深度的后果。

2.1.1下挖深度小于等于室內(nèi)外高差。通常室內(nèi)地坪高于室外地坪，地基承載力沒有考慮室內(nèi)高于室外部分的土對(duì)承載力的影響，下挖深度不超過室內(nèi)外高差，對(duì)地基承載力、上部結(jié)構(gòu)沒有影響，很少出現(xiàn)糾紛。

2.1.2下挖深度小于等于基礎(chǔ)埋深D的情況：

（1）下挖深度≤0.5時(shí)m，由公式（1）可知，地基承載力不需修正，挖去后不會(huì)影響建筑物安全。只是地基的安全儲(chǔ)備能力有所降低。

（2）0.5 m <下挖深度

2.1.3下挖深度大于基礎(chǔ)埋深D的情況。以條形荷載為例，圖4、圖5分別系條基基底下，x方向應(yīng)力σx及剪應(yīng)力τxz 的等值線圖，σx、τxz 的最大值均出現(xiàn)于基底邊緣下，當(dāng)下挖深度超出覆土層厚度D，進(jìn)入σx、 τxz值均較大的區(qū)域，基底邊緣部分失去抵抗剪應(yīng)力τxz 的能力，首先發(fā)生滑動(dòng)、崩塌（圖6），地基承載力急劇降低，基底面積進(jìn)一步縮小，惡性循環(huán)造成地基失效。這類改建是極其危險(xiǎn)的狀態(tài)，必須十分警惕。

可見，不同程度地減小覆土層厚度或超出埋深下挖，地基承載力會(huì)不同程度地下降，將產(chǎn)生不同的后果。

2.2基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力調(diào)整能力的討論。

有觀點(diǎn)認(rèn)為：地基與基礎(chǔ)是一個(gè)整體，下挖發(fā)生在建筑物的局部區(qū)域，這個(gè)局部位置承載力發(fā)生變化，可以通過基礎(chǔ)整體的應(yīng)力調(diào)整來加以平衡?，F(xiàn)就這一觀點(diǎn)，作一點(diǎn)分析。

2.2.1條形基礎(chǔ)應(yīng)力調(diào)整。

墻下條形基礎(chǔ)的縱、橫墻含基礎(chǔ)下的梁，是按受壓進(jìn)行設(shè)計(jì)的，局部區(qū)域下挖后，地基承載力下降，導(dǎo)致局部地基塑性變形區(qū)增加，局部沉降量S增加，基礎(chǔ)間沉降差增加。沉降差引起基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力，需要承重橫墻下的基礎(chǔ)及以上的結(jié)構(gòu)逐層調(diào)整，基礎(chǔ)（圈）梁、上部結(jié)構(gòu)雖有一定的調(diào)整能力，但這種調(diào)整能力有一定的限度；從結(jié)構(gòu)力學(xué)觀點(diǎn)可知，當(dāng)沉降差產(chǎn)生的附加應(yīng)力，超出基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力，裂縫就不可避免地出現(xiàn)、直至失效。

這類基礎(chǔ)是民用建筑基礎(chǔ)的主體，下挖造成結(jié)構(gòu)破壞的建筑也以此為主，應(yīng)成為關(guān)注的重點(diǎn)。

2.2.2獨(dú)立基礎(chǔ)的應(yīng)力調(diào)整。

獨(dú)立基礎(chǔ)局部區(qū)域的下挖，相鄰基礎(chǔ)間也會(huì)產(chǎn)生沉降差、產(chǎn)生附加應(yīng)力，用結(jié)構(gòu)力學(xué)的觀點(diǎn)分析，此類基礎(chǔ)無基礎(chǔ)梁連系、完全依賴上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，而上部結(jié)構(gòu)的調(diào)整能力更弱，對(duì)沉降更敏感，更易產(chǎn)生裂縫，引起結(jié)構(gòu)破壞。

這類基礎(chǔ)以底層為營業(yè)房的商住樓較多，且基底向二個(gè)方向擴(kuò)散應(yīng)力，淺層土體整體所受應(yīng)力較大、下挖后承載力下降較多且快，加上使用環(huán)境具有不確定性（如：可能滲水的營業(yè)項(xiàng)目，滲水后軟化地基。），更要予以重視。

2.2.3井格基礎(chǔ)的應(yīng)力調(diào)整。

設(shè)計(jì)柱下條形與十字形鋼筋砼基礎(chǔ)，通常采用反梁法和彈性地基梁法。

反梁法按基礎(chǔ)梁和地基土之間的反力呈直線分布進(jìn)行計(jì)算。局部下挖地基承載力下降后，假設(shè)的前題不存在，內(nèi)力重分布、基礎(chǔ)彎矩圖發(fā)生變化，當(dāng)受力筋所受拉應(yīng)力超出原設(shè)計(jì)值、或受拉區(qū)超出原設(shè)計(jì)范圍后，基礎(chǔ)梁調(diào)整能力減弱直至破壞，基礎(chǔ)失效。

彈性地基梁法適用于壓縮性較高的軟土地基。按文克勒地基模型，以地基單位面積上所受的壓力p與該點(diǎn)的沉降量y成正比：p（x）=ky，為邊界條件，求出基礎(chǔ)梁上不同截面的彎矩和剪力值，作出彎矩圖和剪力圖，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。同樣局部下挖、承載力變化，基床系數(shù)K變化，地基梁的內(nèi)力重分布、且因下挖地點(diǎn)的的不確定而無法預(yù)知、預(yù)防，地基梁也同樣具有失效的風(fēng)險(xiǎn)。

整體筏式基礎(chǔ)埋深較淺，有底板的限制，下挖地坪深度受限，一般不會(huì)出現(xiàn)問題。故不予討論。

總之，無論何種類型的基礎(chǔ)，其應(yīng)力調(diào)整能力是有限度的。

2.3地基土固結(jié)問題。

使用時(shí)間較長的建筑物地基土固結(jié)，提高了地基的整體承載力，但局部下挖、地基整體和局部區(qū)域間同樣會(huì)出現(xiàn)承載力的差異，同樣會(huì)產(chǎn)生沉降差，超出一定限度，同樣會(huì)引起結(jié)構(gòu)破壞，只不過固結(jié)時(shí)間的長短，確定其應(yīng)力調(diào)整能力的強(qiáng)弱。

綜上所述，局部下挖后基礎(chǔ)間沉降差增加，需要基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)調(diào)整。而它們的調(diào)整能力受材料、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度富余系數(shù)等限制，一旦超過一定限度，則裂縫不可避免直至破壞。

3. 評(píng)估與控制

為保證建筑物的安全，需對(duì)確需進(jìn)行下挖改建的建筑物進(jìn)行安全評(píng)估與控制，選擇合理的改建方案。

3.1下挖后重新確定地基承載力。

本文所提出的方案，因限于篇幅，僅提出保證改建安全性的思路，具體的技術(shù)方案，可根據(jù)未挖與下挖區(qū)域間承載力差異大小，在規(guī)范、相關(guān)手冊、書籍中找到處理的辦法。

4. 結(jié)束語

下挖進(jìn)行房屋改建，會(huì)對(duì)建筑物造成不同程度的損害。當(dāng)確需改建時(shí)，根據(jù)下挖的深度、地基的土質(zhì)等情況，進(jìn)行地基基礎(chǔ)的重新驗(yàn)算，制定出保證建筑物安全的改造方案，同時(shí)職能部門要加強(qiáng)對(duì)建筑市場的稽查、監(jiān)管，加強(qiáng)對(duì)改建方案、改建圖紙的審核，保證結(jié)構(gòu)安全，杜絕后患。

參考文獻(xiàn)

[1]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 中國建筑工業(yè)出版社 2002.2.

[2]《基礎(chǔ)工程手冊》[美]H.F.溫特科恩、方曉陽主編 錢鴻縉 葉書麟等譯校 中國建筑工業(yè)出版社 1983.4.

[3]《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊》 沈杰編 上?？萍汲霭嫔?1988.11.

[4]《建筑工程事故分析及處理實(shí)例應(yīng)用手冊》 范錫盛 王躍主編 中國建筑工業(yè)出版社1994.6.

[5]《地基及基礎(chǔ)》華南工學(xué)院 南京工學(xué)院 浙江大學(xué) 湖南大學(xué)編 中國建筑工業(yè)出版社1981.6.

[6]《土力學(xué)及基礎(chǔ)工程》 陳希哲主編 中央廣播電視大學(xué)出版社 1995.10.

[文章編號(hào)]1619-2737（2015）01-01-521

[作者簡介] 歐小平（1954.10-），男，職稱： 高級(jí)工程師，工作單位：江寧廣播電視大學(xué)。