地基基础设计思考与实践（十五）
—基础埋深与地基稳定
很多地基基础类规范都给出了 建筑埋深 的要求。
《建筑地基基础设计规范》5.1.3、5.1.4规定：
5.1.3是强条规定的是 高层建筑 ，实际上任何建筑都要满足地基承载力、变形和稳定性的要求，故该条应删掉 高层 两个字。而5.1.4的对基础埋深的具体要求，反而没有提到高层建筑。多层建筑不宜按这个比例确定埋深，故应增加高层两字。
《北京地区地基基础勘察设计规范》基本内容一致：
北京地规埋深规定比国标稍微浅一点，也更细致一些，尤其提到了 能浅埋尽量浅埋 。
《高层建筑筏基与箱型基础技术规范》也几乎同样规定：
三本规范大致要求相同。首先要满足建筑功能、冻土深度、地质土层（基础要位于好土层）等要求，这是基础埋深的前置条件，其它就是满足地基基础的安全问题，即 地基承载力 、 变形 与 稳定 的要求。地基承载力和变形与埋深的关系，结构工程师都很清楚，但 稳定与埋深的关系 往往都是概念或者说是 综合经验 的，规范给出了 地基整体稳定 性计算的公式，但该公式真正用于实际工程计算的并不多。规范对基础埋深的规定是“宜”，如果小于规定但又满足稳定计算时，如何合理的确定埋深呢？很多人会感到困惑，本文谈谈个人观点。
首先说下 基础埋深和地基承载力及地基变形的关系 ，这样再分析埋深与稳定的关系时脉络和因果关系更清楚一些。
深度修正使地基承载力提高，故埋深越深越有利，深度修正的机理和地基滑切面稳定的概念有一定的关系，该系列前文说过不再详述。地基变形的因素主要是地基附加应力和地基的变形模量，基础埋深越大，地基附加应力越小（有地下室时），同样的土埋置深度越深因地质历史的原因其变形模量越大。但遇到软弱下卧层时，浅埋反而更好，这个要清楚。
地基承载力和地基变形与埋深的关系是，埋深是原因（建筑要求、冻土深度及浅层不适于承载土层厚度等综合原因），承载力和地基变形是自然而然的结果，故很少人单纯为了增加承载力或减少地基变形而加大埋深。但埋深与地基稳定的关系似乎正好相反，埋深可以增加地基的稳定性，故因地基稳定性的要求，规范对高层建筑的埋深有具体的比例规定，除上述的自然而然的要求外，埋深的规定基本是对高层建筑的地基整体稳定性而言的。
很多地基类的规范都规定了基础的埋置深度，比如《高层建筑筏基与箱基基础技术规范》5.2.3规定： 在抗震设防区 ，除岩石地基外，天然地基基础埋深不宜小于建筑高度的1/15，桩基不宜小于1/18。
但如果从承载力和地基变形的角度，很多时候基础无需做的这样深，此时埋深就单单是因为地基稳定的要求了，故5.1.1规定当不符合5.2.3规定或土层不均匀时应该进行 地基整体稳定性 验算。
要注意地基土不均匀时，高层建筑仅仅满足规范的埋深要求是不够的，这个概念大家很清楚，对不均匀地基地基整体稳定性未必算的清楚，要运用 宏观经验的概念性判断 通过整体方案概念上解决。多层建筑一般不会发生地基失稳的问题，但建筑的倾斜很可能发生。
规范还特别指出了在 抗震设防区 ，换句话说，如果是非抗震设防区不存在这个埋深的要求。不过连6度区都属于抗震设防区，基本也没什么非设防区了。
地基整体稳定验算 包含三个部分，分别是 基础的抗滑移 、 结构抗倾覆稳定 和 地基整体稳定 。
《建筑地基基础设计规范》5.4.1规定了 地基整体稳定性 的计算公式，形式很简单：
计算的方法是采用极限平衡理论的圆弧滑动面分条法，见下图：
《地规》没有给出其它两项 基础的抗滑移 和 结构抗倾覆稳定 的计算公式。我觉的给不给也无所谓，这是个简单的物理学范畴的问题，自然应该满足，除地基非常不均匀时一般情况下很容易满足（见下文）。
《高层建筑筏基与箱型基础技术规范》和《北京地规》给出了计算公式， 抗滑移稳定 计算如下：
从公式可以看出，如果基底摩擦系数按0.2考虑的话，结构本身满足设计要求的，这个基本自然就满足了。但对于埋深很浅的岩石地基，摩擦系数很小时，应注意其抗滑，解决起来也很简单，基础与岩石用锚筋连接起来即可。
抗倾覆稳定性 计算如下：
这个要求也很容易满足，但对于地基不均匀一边硬一边软时要注意，不是这个公式能够考虑的了，前文已经说过。
所以《地规》关于地基稳定部分仅仅规定了 地基整体稳定性 的计算，是有道理的。
我们单独讨论下 地基整体稳定性和埋深的关系 问题。
国标《地规》、《北京地规》和《高层地规》关于基础埋深的条文说明都引用了北京院 张在明 的研究，如下图：
但我感觉这个案例研究结果并没有说服力，看不出必然的逻辑关系，反而增加了人们对埋深与稳定性之间关系的怀疑。比如案例中的25层（约75米高）建筑埋深是1.8米时，埋深很浅几乎到了1/40，而安全系数仍然可达到1.44，大于1.2；即使基础埋深增加了2倍多（1.8米增加到3.8米），安全系数也才仅仅增加到了1.64。 所以稳定性和基础埋深的关系虽然是正相关，但并不是很敏感。而且从滑切面原理来看，稳定性主要取决于地基土的内摩擦角和粘聚力，埋深仅仅是增加滑切面的长度和抵抗力，不是关键的因素。
该案例中也没提到土的性质，但从北京地质来看是粉质粘土或砂卵石可能性大，也就是说北京地区一般埋深的建筑其地基整体稳定系数大约在1.2~2.0之间。这个案例和也桩基没有关系，所以桩基的1/18的来历很可能是适当减少了20%得出来的，但如果纯粹从滑切面的稳定性来看，桩基的稳定性要高于天然地基很多，仅仅减少到1/18，埋深应该是是富裕的，所以1/18的要求很可能是规范专家的综合经验，没什么依据。
古今强《高层住宅基础优化实例》提到一个案例很好非常有代表性，情况大概这样：住宅28层，无地下室，因地勘给出的第3层土为强风化岩石承载力较低且不均匀，故设计采用桩基穿透该层进入下部的岩石层，按1/18桩基埋深要求基础顶面-1.8米（基础板厚1.6米）。因打桩困难，后优化改为天然地基（强风化岩石层地基承载力重新勘测提高了很多）。如果按天然地基1/15的要求，基础要加深约1米，但因无地下室，故业主希望基础埋深不变。如果基础不加深就不满足规范的要求，这是问题的关键，也是很多结构工程师困惑的问题。
为了不增加基础埋深，古今强等对地基进行了整体稳定验算，简图如下（摘自论文）：
三个稳定计算公式安全系数分别如下（摘自论文）：
从该文章可以看出抗滑移和抗倾覆系数远远大于规范的要求，几乎无需验算，证明了上文的无需考虑的说法。但整体稳定性系数比规范的1.2仅仅大了60%，并不富余。
该案例基础埋深1/18和 张在明 的案例1/17.8相当，但土质为强风化岩石好于北京的土质，故其安全系数从1.64增加到了2.02，主要作用是土的内聚力和摩擦角起了作用。同样大概可以判断，土质在粉质粘土以上时，正常体型的高层建筑的地基整体稳定性应该是可以满足计算要求的。
总结一下：
1、埋深首先考虑建筑功能、冻土、地基持力层深度、地下水等综合初步确定埋深。对多层建筑根据该埋深计算地基承载力和变形验算，多层建筑一般无需考虑地基整体稳定性的要求。《北京地基规范》还特别指出，满足上述条件及整体稳定性的要求后 尽量浅埋 。除非有软弱下卧层，基础埋置越深对地基基础的安全性越好，但结构的造价也会大幅度提高，所以非必要的情况，一般不宜埋的过深。
2、规范给出的高层建筑基础埋深从 综合工程经验 上是合理的，100米的高层建筑上做2层地下室埋深6.5米左右是有必要的。较深的基础可同时带来地基承载力的提高、变形的减少等综合的好处。
3、地震反应会减小。我在《抗震系列浅谈》谈到过这个问题，不再详述。当然我们也不会为了减少地震反应而加大基础埋深，只是我们要知道还有这个附加价值。
4、若高层建筑因为建筑地下室较浅，埋深不满足要求要进行地基整体稳定性验算时，首先要看地基土质和均匀性性，要知道 地基的土的性质或其是否均匀比埋深重要的多 ，比如岩石地基单纯从上述稳定的三个公式来看，即使基础位于地面也是满足的，所以岩石几乎不存在埋深问题。软土或不均匀地基土仅仅满足埋深也是不够的。上海住宅倾覆的案例就是因为地基土是软弱的，再加上单侧堆土，造成滑切面的倾覆力矩大大增加，即使打了管桩也不能阻止地基稳定性倾覆，所以宏观上要评价地基土对稳定的影响，其重要性高于埋深。
5：桩基时的埋深尽量满足，因为如果不满足，需要验算地基整体稳定性，各种资料似乎均无计算方法，这时候更是需要综合经验的了，一般的工程师很难有超越规范的经验，而且采用桩基一定是因为地基很差或建筑荷载很大，因此满足规范规定的埋深要求也是非常必要的。
6、从理论上看，如果地基满足承载力、变形和稳定性的要求，无需再额外规定基础的埋深，但对高层建筑的地基稳定性，工程经验性比数据计算要重要的多，所以规范对高层建筑规定了一般工程的基本要求，便于工程师们使用。对个别情况，土质很差或不均匀时即使满足规范的要求也要进行地基稳定性验算或评估。
一般情况工程师要用规范和结构安全来说服建筑师或业主能满足尽量满足。若不满足时，要综合判断，首先看地基土好坏、均匀性和上部结构荷载分布的情况。山地坡地上的建筑的整体稳定性因素更是复杂的多，要数据计算并结合综合判断来保证。
参考文献：
1：《建筑地基基础设计规范》及条文。
2：《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》及条文。3：《高层建筑筏板与箱基技术规范》及条文。
4：《高层住宅基础优化设计示例》 古今强等
5：基础工程 清华大学 李广信等
6：地基与基础 建工出版社
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