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摘 要：本文首先给出软弱下卧层的概念,并阐述软弱下卧层验算的意义和重要性.通过对规范公式的分析和理解,明确验算中应注意的问题,为实际工程中的具体应用提供参考.
关 键 词 ：软弱下卧层；地基承载力；扩散角
1.引言
目前,随着建筑行业的蓬勃发展,建筑物的层数越来越高,业主和投资方对建筑的要求也是越来越高,但是由于地质情况的千差万别,使得建筑结构基础设计中出现了许多复杂的问题,这对建筑结构设计人员在进行基础设计时提出了新的挑战和更高要求.本文将主要对基础设计中的一个典型问题,即软弱下卧层的验算问题进行探讨和分析,明确验算中应注意的问题,提出一些建议,一方面使得工程师对此问题概念更加清楚、计算更加合理,另一方面也为实际工程中的具体应用提供参考.
2.软弱下卧层中的概念和特点
在进行软弱下卧层强度验算时,首先应明确几个基本概念.根据《建筑岩土工程勘察基本术语标准》（JGJ 84-92）的解释,持力层是指直接承受结构荷载的地层；下卧层是指位于结构物基础持力层以下,并处于压缩层范围内的各土层；压缩层是指在建筑物基础荷载下,地基土中产生绝大部分沉降量的土层的总和.软弱下卧层土层通常具有下述特点：天然含水量高,天然孔隙比高,压缩性高；承载力低,抗剪强度低,渗透性低.下卧层承受的荷载虽然可以忽略,但是如果下卧层是软弱下卧层,那么除了验算持力层的承载力外,还需验算软弱下卧层的承载力.如果验算不能满足设计要求,那么就要考虑采取地基处理措施,或者考虑采用桩基础.在工程实际运用过程中,遇到的问题往往复杂,若处理不慎,就会出现偏差过大或计算错误,造成事故隐患,甚至酿成严重后果.因此对于软弱下卧层的验算应引起工程技术人员的高度重视.
3.规范中关于软弱下卧层验算的规定
建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）和建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）都对软弱下卧层的验算提出了要求,本文中将以桩基规范中的软弱下卧层验算为例进行进一步分析和探讨.桩基规范中的541条对软弱下卧层的验算提出了以下要求：对于桩距不超过6d的群桩基础,桩端持力层下存在承载力低于桩端持力层承载力1/3的软弱下卧层时,应按下列公式验算软弱下卧层的承载力.
σz+γmz≤faz （3-1）
σz等于(Fk+Gk)－3/2(A0+B0)•,∑qsikli(A0+2t•,tanθ)(B0+2t•,tanθ) （3-2）
式中：
Fk――荷载效应标准组合下,作用于承台顶面的竖向力；
Gk――桩基承台和承台上土自重标准值,对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力；
σz――作用于软弱下卧层顶面的附加应力；
γm――软弱层顶面以上各土层重度（地下水位以下取浮重度）按厚度加权平均值；
t――硬持力层厚度；
faz――软弱下卧层经深度z修正的地基承载力特征值；
A0,B0――桩群外缘矩形底面的长、短边边长；
qsik――桩周第i层土的极限侧阻力标准值；
θ――桩端硬持力层压力扩散角；
li――桩周第i层土的厚度；
这里需要说明的是：根据桩基规范的精神,并非所有的下层土承载力低于上层土承载力时都需要进行软弱下卧层的验算.软弱下卧层的验算需要满足规范中所要求的两个条件,即土层强度相差过大时才有必要验算.
4.关于软弱下卧层几个问题的探讨
41 群桩实体基础侧摩阻力
群桩实体基础在公式中被当作所分析系统的一个外力.而实质上侧摩阻是半空间平面系统内的一个内力.地基土对桩群土体产生向上的侧摩阻,反过来桩群对土体产生向下的侧摩阻.这样在桩群外侧土体中产生向下的压力.这个压力既会在群桩实体基础外侧传递,也会向群桩实体基础范围传递.在此情况下,如果假定某一个实际情况下群桩实体基础外侧的侧摩阻值与计算值相同,并且按公式计算出的软弱下卧层顶面的总应力值恰好等于深度修正后的承载力特征值,此时软弱下卧层顶面的实际总应力恐怕就要超过修正后的地基土承载力特征值.新版规范将侧摩阻的取值由极限值调整为3/4倍的极限值,客观上给软弱下卧层的计算留了一些余地,能在一定程度上消解侧摩阻向下的附加效应,在计算的安全性上较原规范安全一些.但如果实际达到的侧摩阻只能达到3/4倍的极限值,取值建议取特征值.其实,根据静力平衡的原理,所有上部荷载都要由软弱下卧层承担.由以上分析,群桩实体基础的荷载通过侧面和底面扩散至软弱下卧层顶面,两条路径的应力在软弱下卧层顶面部分叠加,并遵循中间大、外边小的分布规律.当然,这里还有一个有利因素.扩散角是根据中心点附加应力的比值反推出来的,亦即按扩散角面积计算出的下部附加应力值是中心点附加应力值.扩散角内的面积并不是扩散面积,这个面积内附加应力的最大点是中心点,向外边逐渐减小.这样,侧摩阻产生的附加应力会与端部产生的附加应力在较小的外置叠加,相对有利.
42 桩端硬持力层压力扩散角θ的取值
在工作中,查扩散角表格的时候,当压缩模量比Es1/Es2或者厚宽比t/B0不在表格范围中的时候,出现了许多理解和做法.本节中将参考建筑地基基础设计规范和有关文献,给出θ取值的一些建议.
根据参考文献,压缩模量比与扩散角的关系见图1所示,当z/b一定的时候,随着Es1/Es2的增大,扩散角也在增大,这表明上层越“刚”,其扩散作用越强.但是其扩散角的增长速度不同,当z/b较小的时候,扩散角增长较快.参考本图,并结合桩基中压力扩散角的表5.4.1,我们可知：
1)当Es1/Es2等于1的时候,地基可以视为均质土层,这个时候通常就不存在软弱下卧层强度验算的问题.
2)当Es1/Es2<1的时候,出现了上软下硬这种情况,这时也不存在软弱下卧层验算的问题.3)当1
4)当Es1/Es2>10的时候,这时候明显具有上硬下软的特点,但是出于安全的考虑,规范中规定了任何情况下压力扩散角也不能超过30°.
研究证明：当基底压力增加到一定值后,传至软弱下卧层顶面的压力将随之迅速增加,即θ角迅速降低,直到持力层剪切破坏时的θ值为最小,实际发生破坏时,θ角一般为6°～25°,最大也不超过30°,所以计算时θ取值一般不超过30°,这个也是出于安全的考虑.当满足了软弱下卧层承载力的验算公式,实际上也就保证了上覆持力层不会发生剪切破坏,说明基础尺寸设计是合适的.
5.结论
关于软弱下卧层的验算,工程实践中碰到的问题往往比较复杂,每个工程中遇到的问题可能各不相同.而在工程设计中,由于工程设计人员对规范有着不同的理解,往往会出现不同的做法,有的可能会引起结构隐患,有的可能设计的过于保守.希望通过本文的分析和探讨,对工程设计中的具体运用规范提供借鉴.