建筑物体地基的非等应力设计

建筑物体地基的非等应力设计武汉祥新行勘测评估咨询有限公司 樊新泉正如我们建筑行业内技人员已知的，建筑物的全部荷载是通过楼板、梁、柱传至基础，并由基础传至地基，地基因而产生压缩变形并将导致建筑物产生沉降。当地基土在场地平面范围分布不均匀，或虽分布均匀承载能力较低，或房屋的平面尺寸较大而高度较小，或体型复杂时，或层高差异大时，建筑物都可能产生不均匀沉降，当不均匀沉降超过一定限度时，将会导致墙体开裂。严重时裂缝甚至可能危及建筑物的安全。为了防止墙体因不均匀沉降而产生裂缝，有关建筑规范对设计和施工都提出了相应的要求；一些同行针对建筑裂缝的防治也进行过多方探讨，大多是从施工的角度进行，提出过不少好的防范措施。在这里，笔者想再介绍一项针对设计方面的措施——建筑地基的非等应力设计方法，以期得到同行们指教。本方法的基本做法是：在满足建筑物各项基本构造要求的前提下，根据地质资料和有关规定，取定地基持力层的承载能力设计值后，再通过增大基础底面积的方法，人为地对房屋某些部位下的基底应力设计值进行削减，其它部位则保持按规定取定的应力设计值，使建筑物建成后局部的地基应力小于同条件下其它部位的应力，故称为“地基的非等应力”设计方法。房屋墙体产生裂缝的现象，一般在低层房屋（1~3）中相对多见。在这类房屋中，一般长（宽）与高的比值较大，墙体的纵向结构刚度较小。其产生裂缝的部位，多在底层纵墙的端部，有时横墙端部也会出现。这种裂缝的走向一般是斜向的，即由墙体的根部靠内向上、向外延伸，且裂缝的宽度呈现上大下小的形态，缝的走向与水平方向成对 45°角。如果墙体的两端都有裂缝，则恰恰形成倒“八”字形。究其产生的原因，是因为在墙体的端部产了相对于墙体中部较大的沉降量，而墙体内则相应产生了附加剪应力；当墙体的抗剪强度不足以抵抗该剪应力时，那部分墙体的就会一方面向下，一方面向外变形而开裂，形成裂缝。而当某片墙体两端沉降量相对于中部较少时，情况则完全不同。此时，墙体的两端相当于各有一个“支座” ，墙体则相当于一个简支构件，类似于过梁上的墙体——两支座处斜向中、上部的三角区域内的墙体可能向下变形，而该区域以上的墙体则相当于一个“三铰拱”构件，不会产生变形。至于三角区内的墙体，只要设计时房屋的各方面均满足一般的构造要求，那么由于墙体、基础和地圈梁等的整体作用，形成类似于墙梁的构件；只要基底的设计应力差值取得合适，上部荷载将产生重分布，把一部分荷载转移到墙体两端的“支座”上，整片墙体的沉降是均匀的。至于危害不均匀觉降的产生，笔者认为按等应力的程式化设计原则是难以避免的。这是因为：一方面地基土并不非理想匀质材料，地质勘探也不可能毫无遗漏地反映地基各个部位的情况；即使地基土质非常均匀，建筑的荷载分布也非常均匀，建筑的地基压力分布仍然是不均匀的，从而使建筑地基产生不均匀沉降。另一方面，建筑结构设计也并非纯理论性的工作，诸如荷载的统计、力的传递和重分布等要素，还有许多不确定的成分，当建筑的体型复杂时更是如此。基于以上的分析，笔者认为：要避免建筑物因地基不均匀沉降而产生裂缝，除了采取其它的构造措施外，同时结合地基的非等应力设计方法是有效的。地基的非等应力设计的具体操作主要是两个方面的内容：一是选定建筑物需减小应力的部位；二是该具体的部位应力减小程度的确定。关于第一个方面的内容，需要依据建筑的具体体型进行认真分析后确定。对于一般的建筑，其外角，突出外纵墙的小房间的各墙体，端部横墙，内横墙与外纵墙的交接处；这些部位的基础底面的应力均可适当削减。关于第二个方面的内容，则既要看地基土的可压缩性如何，还要看具体的部位而论。一般来说，对于高压缩性土（如淤泥土质或软塑状态的粘性土） ，应力差可取得稍大些，可多消减一些；房屋纵向端部，外角和个别突出的部位也应多削减一些；内横墙与纵墙交接处则可少削减一些。如果场地内地质不均匀，则应按各类地基土的承载能力分别进行调整。一般来说，应力削减的比率在 5%~15%范围比较适宜。消减基底应力的具体措施，是根据计算应力公式，在荷载不变的情况下，应增大局部基础底面积，使地基应力减小。例如，对于条形基础来说，可以采用将条基向外延伸或设置类似附墙柱基础的做法扩大条基底面积。实践证明，通过对建筑地基的基础底面积适当的增大，可以有效的减少房屋因不均匀沉降而导致的裂缝。