沈阳铝镁设计研究院有限公司 辽宁沈阳 100001
摘要：地基土经长期压实作用，其状态、土体结构都发生了变化。依据这一现象，汇集有关资料，结合工程实例，具体阐述了原有地基在荷载长期作用下，地基承载能力的计算方法。对加层及改造项目，利用此法可避免繁杂的基础加固工作，节约投资，缩短工期，提高综合效益，为改造工程基础处理创造了很好的条件。
关键词： 原有地基 承载力计算 基础处理
1 前言
我国现有许多工业及民用建筑，随着时间的推移，生产工艺的不断改进，生产规模的不断扩大，以及转产，改产项目等，大量原有工业建筑物、构筑物需要维修加固和扩建改造，一部分居住楼需要加层。在此过程中，造成荷载的变化及增加，从而引起地基的附加应力变化。如果这类项目的地基承载力也像新建工程那样计算，则绝大多数情况要进行地基处理。但原有建筑场地往往障碍多，生产交叉多，这样势必造成施工复杂，工程量大，施工工期延长，甚至无法处理，以至影响生产和效益，故此提出在荷载长期作用下，地基土的利用问题。下面将结合有关工程实例具体分析这一问题。
2 常用地基处理方法
旧有建筑物改造时，一般均可引起地基上荷载的变化（荷载的增加、减少、荷载作用位置的改变）。通常的处理方法大致有以下三种：
<1> 加固基础，扩大基底面积，使新增荷载用扩大基底面积来承担。此法施工复杂，有时甚至无法施工，投资较多。
<2> 分析原有建筑物的荷载情况及基础资料，确定原设计中承载力是否留有可供利用的余地并加以充分利用。此法要求原始设计计算资料齐全，多适用于小型改造，增荷不多的工程。
<3> 卸荷法，即将原有建筑上可以拆除的设备、墙体拆除，或用轻质材料代换来平衡附加荷载。此法适用于荷载增加不多，有可拆除代换的设备和墙体。
上述三种方法无论采用哪种，都有诸多限制条件。而对于许多工期要求紧、现场拥挤，投资有限、施工复杂的工程，我们则可利用在荷载长期作用下，原有地基承载能力的提高这一有效的方法.
3 原有地基承载力确定
3.1 原有地基承载力提高的机理
在荷载长期作用下，原有地基承载力是能提高的，这主要是因为地基受荷后产生了压密固结。具体表现为（1）土体矿物颗粒本身的压缩，（2）孔隙中水和空气的压缩，（3）水和空气从孔隙中被挤出。一般说来水和土体颗粒的压缩量与土全部体积的变化相比是极微小的，可忽略不计。故地基的压密固结主要表现为土中孔隙体积的减少，土体颗粒相应发生移动，重新排列，挤密，从而使其孔隙比减小，压缩模量增加，强度提高。
3.2 确定原有地基承载力的常用方法
经过多年的实践和有关资料证明，地基土在荷载长期压实作用下，其承载力是可以提高的。确定地基土上新的承载力有多种方法：
<1> 经验法：根据建、构筑物的修建年限，并结合土的类别来确定，但准确性稍差。
<2> 现场静力触探测试法：根据静力触探值RS，用经验公式来确定。这需要开挖基础至基底，并有地质部门具体测试。
<3> 公式计算法：是考虑了建筑物的建造时间，建筑物本身刚度及室内模型试验，然后结合试验结果用公式和经验表格来计算，此法试验工作量较大。
3.3 原有地基承载力计算
考查以上所述各种方法，各有利弊。下面笔者参考有关资料，结合以上分析，认为下面所述的原地基上新承载力的计算方法较为适用。地基土上新的承载力主要决定于下列因素：
<1>建造年限、<2>土体类别、<3>原建筑物荷载值的大小、<4>原地基承载力，<5>原设计中地基承载力的利用程度。其中改造前的基底应力可以从原设计文件中查取，也可以根据现状估算。最保守的办法就是认为原设计将地基承载力已全部利用不留余地，即PO=f原地基土在荷载长期作用下，新的承载力f可表达为式（1）
f=kf′ （1）
其中：f—新的地基承载力的设计值（KPa）。
f′—原天然地基承载力（KPa）。
k—荷载长期作用修正系数。
这就归结到求修正系数K的问题（K>1），系数k的确定，过去已做了很多工作，参考冶金部建筑研究总院建筑技术情报室，针对建筑物的鉴定、修复与改造编译的《建筑技术资料》丛集所引用的原苏联有关原基础的加固与利用之中的分析，通过几个实例的校核验证，认为式（2）的经验公式关系较为适用：
k=PO/3.5fH+1 （2）
其中：PO—改造前基底应力（kPa）
fH—改造后基底应力（kPa）
考虑到改造工程的复杂性，建议1.0≤K≤1.5
4 验算实例
4.1 工程概况
某水泥厂在水泥窑上进行烘干打散机试验。原窑尾厂房已建成二十年，结构为四层二跨钢筋混凝土框架结构，独立钢筋混凝土基础。根据主体专业提资，四层改造其增加荷载2300kN。因部分墙体、梁板拆除，卸掉荷载620kN，净增荷载1680kN，分别由A2，A3，B2，B3四个基础承担。（见图1）
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图1 基础局部平面图
荷载分布、原基础参数及基底附加应力列表如下（见表1）
表1 基底附加应力计算表
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从上表可以看出地基应力分别提高14.10%～20.10%。同时原地面有正常运行的设备，若开槽加固基础是不可能的。那么在原基础上增加这些荷载，地基土能否承担呢?验算如下：
4.2 地基验算
原柱基座落在浅褐色硬塑粘性土层上，基础埋深2.0m，地质报告提供的地基承载力为150kPa，修正后为200kPa。因缺少原始设计计算资料，为安全起见取PO=f′=200 kPa，现列表计算如下（见表2）
表2 新的地基承载力计算表
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由以上验算可知，四个基础在增加1680kN荷载后，地基均能满足强度要求。依据这一计算结论，该工程改造时没有对地基进行处理，仅对上部结构进行了改造。这样就减少了施工工作量，节约了投资。现该工程竣工投产多年，使用正常。
5 适用条件及评价
地基在荷载长期作用下，承载力较天然地基有不同程度的提高，是基于荷载长期作用，使地基土的结构、状态改变即发生压密固结的结果。一般从施工开始计算时间，砂性土颗粒间粘结力差，透水透气性好，固结过程完成得快；粘性土颗粒间粘结力强，透水透气性差，固结过程完成得慢一些；粉土和粉质粘土介于砂土和粘性土之间。
利用荷载长期压实作用，地基土承载力提高这一特性，好处虽然很多，但是设计和施工时还应注意：<1>基础上荷载增大以后，地基将产生附加变形，其值不应超过规定。同时，也应考虑对邻近建、构筑物的影响。<2>工程局部增加荷载，不可过大，否则可使建筑物整体产生不均匀沉降，这就需要设计者对工程要有一个整体概念。<3>若场地有软弱下卧层时，同理也应验算该层的承载力。旧有建筑物改造，现状和条件都是千变万化的，任何理论和经验都要结合工程的自身特点，有选择的采用，只有这样才能保证工程建设安全顺利地进行。
参考文献
[1]建筑地基基础设计规范 GB 50007-2011。
[2]土力学与基础工程 北京大学出版社 2015
[3]冶金部建筑研究总院建筑技术情报室、建筑物鉴定、修复与改造、北京、京新出版字87084号，之一～十一。