地下水对地基基础设计的影响

地下水对地基基础设计的影响

雷晓雨申雪静闫雪峰

([1] 天津大学建筑工程学院，天津 300072， [2] 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240

[3] 中国建筑技术集团有限公司，北京 100013；)

[1]

[2]

[3]

摘 要：地基基础设计主要包括地基承载力计算、地基变形计算和基础设计计算。承载力计算中要涉及到基底压力Pk的确定和承载力深度修正；变形计算要求基底附加压力P0；基础设计计算需要确定基础反力。当地基中存在地下水时，基底压力、基底附加压力、基础反力的计算，以及对地基承载力进行深度修正就变得比较复杂。本文通过讨论地下水对基底压力、基底附加压力、基础反力和承载力深度修正的影响，给出了上述设计参数的计算方法。 关键词：地下水；基底压力；基础反力；基底附加压力；深度修正 中图分类号：TU473.1 文献标识码： 文章编号：

作者简介：雷晓雨(1983– )，男，汉族，河北唐山人，天津大学建筑工程学院在读博士，从事地基与基础设计与研究。

Groundwater Impact in The Design of Building Foundation

LEI Xiao-yu [1], SHEN Xue-jing [2]YAN Xue-feng [3]

( [1] School Of Civil Engineering , Tianjin University ,Tianjin 300072. [2] School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering ,

Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 200240 [3]China BuildingTechnique Group Co.Led, Beijing 100013)

Abstract: Building foundation design includes the calculations of subgrade bearing capacity, subsoil deformation and foundation design. Bearing capacity is involved in the determination of base pressure Pk and depth correction; Deformation calculation requires solution of base supplementary pressure P0; The foundation reaction force need to be identified in the calculations of foundation design.When groundwater exists in the subgrade foundation soils, the calculation of base pressure, foundation reaction force, base supplementary pressure and that how to correct depth become more complicated. Through discussing the impact of groundwater in the calculation of base pressure, foundation reaction force, base supplementary pressure and depth correction of bearing capacity, this paper educes the calculation method of these design parameters. Key words: groundwater; base pressure; foundation reaction force; base supplementary pressure; depth correction

0 引 言

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）

[1]

（后简称《地基规范》），地基基础设计时，需要进行如下计算：

（1） 承载力计算：

基础底面压力， 应满足下式要求： 当轴心荷载作用时，

Pkfa （1）式中Pk为相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的

平均压力值。并有：

Pk

FkGk

（2） A

式中Fk为相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值；Gk为基础自重和基础上的土重；A为基础底面面积。fa为修正后的地基承载力特征值。

（2） 承载力深度修正：

在（1）式中，fa是修正后的地基承载力特征值，《地基规范》 条文说明指出“目前建筑工程大量存在着主裙楼一体的结构，对于主体结构地基承载力的深度修正，宜将基础底面以上范围内的荷载，按基础两侧的超载考虑，当超载宽度大于基础宽度两倍时，可将超载折算成土层厚度作为基础埋深，基础两侧超载不等时，取小值。”

（3） 变形计算：

P0是对应于荷载准永久组合时的基础底面处的附加压力，《地基规范》计算地基变形需要确定P0；

（4） 基础设计计算：

基础设计涉及基础反力的求解，它是基础断面配筋计算的重要参数。

对基础基底压力pk、基底附加压力po、基础反力在有地下水情况下如何确定，以及当对地基做深度修

x

正时，基础一侧有建筑荷载，要将超载折算成当量土层厚度，在有地下水的情况下，如何将超载折算成当量土层厚度，本文都将做进一步讨论。

1 地下水对基底压力的影响

基底压力Pk是基础底面与地基之间产生的接触

压力，它是基础作用在地基土上的有效应力。在地基承载力计算中，特别是存在地下水的情况如何合理确定基地压力Pk，下面分四种情况进行讨论，见图1：

图1 存在地下水时的地基示意图

Fig. 1 The diagram of foundation when groundwater exists

在图1（a）中，地下水位在基底以下，这时的基底压力按（2）式计算，即：PGk

k

FkA

。 同样，图1（b）和图1（c）中的基础底面分别处在隔水层和隔水层以下，基础没有受到水浮力的作用，基底压力Pk按（2）式计算。

图1（d）中，基础底面位于地下水位以下隔水层以上，基础受地下水的作用，基底压力应扣除地下水的浮力，基底压力为：

Pk（FkGk）/Awh （3） w——水的容重。

根据《地基规范》[1]

，在地基承载力计算中，当

轴心荷载作用时，基底压力，应符合下式要求：

Pkfa （ 4） Pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面

处的平均压力值。

fa——修正后的地基承载力特征值。

2 地下水对基础反力的影响

基础反力是基础底面受到的总的作用力，不是基底压力的反作用力,数值不一定与基底压力相同。

当基础底面没有受到地下水作用，如图1中（a）（b）（c）的情况，基础底面只受到土体的作用，这个力与基底压力大小相等方向相反，是基底压力的反作

用力，即：

R=Pk（FkGk）/A （5） R——基础反力。

当基础底面在地下水位以下，如图1（d），基础底面既受到土体的作用（基底压力的反作用力），又受到地下水的作用（浮力），两者方向相同，共同作用在基础的底面上，这时基础反力值为基底压力反作用力与水的浮力之和。即：

RPkwh （6）

将（3）式Pk（FkGk）/Awh，代入（6）式得：

R=（FkGk）/Awhwh（FkGk）/A （7）

可见，地基中有无地下水，基础反力的计算结果不变，可以认为基础反力大小与地下水位无关。

3 地下水对基底附加压力的影响

地基变形计算需要确定基地附加压力P0，P0是指由于外荷载的作用，使地基产生变形的那一部分压力，是有效应力。基底附加压力等于基底压力扣除土的自重应力，即：

P0=P-D （8） P——基底压力准永久组合值。

γ——天然地基容重，水下用有效容重。 D——基础埋深。

当地基中有地下水，如何确定P0，通过一个算例加以讨论：

例1：如图2，某建筑物平面尺寸为20×20m，基础埋深为D=4m，传到基础底面的荷载（准永久组合）为200kN/m2，该处地基为密实中砂，土的重度为20kN/m3，（1）无地下水（2）地下水位于室外地面下2m，求基底附加压力。

图2 基底附加压力算例示意图

Fig. 2 The diagram of example with basic additional pressure

（1）地基中无地下水，上部结构传到基础底面的荷载就是基底压力P，根据（8）式得：

p0200204120kN/m2

（2）地基中有地下水，传到基础底面的荷载并不是有效应力，不等于基底压力，要求基底压力应先扣除地下水的浮力，即：

P200102180KN/m2

根据（8）式：

P2

0=P-D=180-[202+(20-10)2]=120KN/m

（3）水位标高同天然地面标高

基底压力P200104160KN/m2

根据（8）式：P0=P-D=160-(20-10)4=120KN/m2通过以上讨论可以看出，在地基变形计算中，确定基底附加压力的值可以不考虑地下水的作用。

4 地下水对地基承载力深度修正的影响

对地基承载力进行深度修正时，当两侧超载均为土体，应取基础埋深较浅一侧进行深度修正；当地基中无地下水，基础两侧超载一侧为土体，另一侧为建筑物（基底压力满足线性分布条件），可将超载折算成土层厚度，按照埋深较浅一侧进行深度修正；当地基中存在地下水且基础两侧超载一侧为土体，另一侧为建筑物的情况，深度修正问题就变得比较复杂，下面通过一个算例做一探讨。

例2：某建筑，主楼左侧为埋深d=10m的土层，右侧为裙房，裙房作用在基础底面的竖向压力为180kpa，且裙房宽度大于等于主楼基础宽度的2倍，地下水位在距地表5m的位置，基础底面上下均为粘粒含量小于10%的粉土（根据《地基规范》，查表5.2.4得基础埋深地基承载力修正系数d2），土层具体物理力学指标见图3，对地基承载力进行深度修正：

图3 主楼两端超载示意图

Fig. 3 The diagram of the main building with overloads

a 选取超载较小的一侧作为控制深度

主楼左侧：作用在基础底面处的自重应力： z(520510)150kpa

基础底面地基土受的有效压力即为150kpa。 主楼右侧：裙房作用在基础底面的竖向压力180kpa，扣除水的浮力，得到裙房下地基土受到的有效压力Pk180510130kpa。

根据《地基规范》当基础两侧超载不等时，取小值。本例中应选取主楼右侧建筑物超载控制深度修正量。

b承载力深度修正方法的探讨

方法1，将裙房荷载转换成当量土层，地下水位不变。

按裙房竖向压力180kpa，将其折算为重度为20KN/m3厚度为9m的土层，地下水位不变，见

图

4

图4 按照方法1修正后的主楼基础示意图

Fig. 4 The diagram of the main basis after amendment by means

of the first method

按方法1将建筑物超载折算成9m厚土层的加权平均重度：m(420510)/914.44KN/m3 深度修正量：

dm(d0.5)214.44(90.5)245.4kpa 方法2，将裙房荷载扣除水的浮力后准换成当量无地下水的土层。

把裙房下地基土受到的有效压力130kpa等效为重度20KN/m3，厚度6.5m无地下水的土层，见图

5

图5 按照方法2修正后的主楼基础示意图

Fig. 5 The diagram of the main basis after amendment by means

of the second method

按方法2将建筑物超载折算成6.5m厚土层的加权平均重度：m20KN/m3

x

深度修正量：

dm(d0.5)220(6.50.5)240kpa

通过深度修正量的比较，方法2小于方法1的修正量，方法2更为安全，建议应采用方法2进行修正。

5 结 论

通过以上讨论，可以得出如下结论：

（1） 当基础底面处于地下水位以下隔水层以上，应

考虑地下水位对基底压力的影响，并按照（2）式求取；

（2） 在地基变形计算中，地基中有无地下水对基底

附加压力P0的数值没有影响；

（3） 计算基础反力时可不考虑地下水的作用； （4） 对地基承载力做深度修正，当地基中存在地下

水，基础两侧超载一侧为土体，一侧为建筑物超载，且深度修正由建筑物超载控制，在选择修正方法时，宜采用深度修正量小的方法进行修正。 参考文献：

[1] 建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）[S]，中国建筑

工业出版社，2002(Code for design of building foundation (GB 5007-2002)[S],China building industry press 2002)

作者简介：雷晓雨(1983– )，男，河北唐山人，天津大学建筑工程学院博士研究生，从事地基与基础设计与研究。

工作单位：天津大学建筑工程学院 联系方式：天津大学48斋120室 联系电话：[1**********] Email：real－leixiaoyu @163.com

地下水对地基基础设计的影响

雷晓雨申雪静闫雪峰

([1] 天津大学建筑工程学院，天津 300072， [2] 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240

[3] 中国建筑技术集团有限公司，北京 100013；)

[1]

[2]

[3]

摘 要：地基基础设计主要包括地基承载力计算、地基变形计算和基础设计计算。承载力计算中要涉及到基底压力Pk的确定和承载力深度修正；变形计算要求基底附加压力P0；基础设计计算需要确定基础反力。当地基中存在地下水时，基底压力、基底附加压力、基础反力的计算，以及对地基承载力进行深度修正就变得比较复杂。本文通过讨论地下水对基底压力、基底附加压力、基础反力和承载力深度修正的影响，给出了上述设计参数的计算方法。 关键词：地下水；基底压力；基础反力；基底附加压力；深度修正 中图分类号：TU473.1 文献标识码： 文章编号：

作者简介：雷晓雨(1983– )，男，汉族，河北唐山人，天津大学建筑工程学院在读博士，从事地基与基础设计与研究。

Groundwater Impact in The Design of Building Foundation

LEI Xiao-yu [1], SHEN Xue-jing [2]YAN Xue-feng [3]

( [1] School Of Civil Engineering , Tianjin University ,Tianjin 300072. [2] School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering ,

Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 200240 [3]China BuildingTechnique Group Co.Led, Beijing 100013)

Abstract: Building foundation design includes the calculations of subgrade bearing capacity, subsoil deformation and foundation design. Bearing capacity is involved in the determination of base pressure Pk and depth correction; Deformation calculation requires solution of base supplementary pressure P0; The foundation reaction force need to be identified in the calculations of foundation design.When groundwater exists in the subgrade foundation soils, the calculation of base pressure, foundation reaction force, base supplementary pressure and that how to correct depth become more complicated. Through discussing the impact of groundwater in the calculation of base pressure, foundation reaction force, base supplementary pressure and depth correction of bearing capacity, this paper educes the calculation method of these design parameters. Key words: groundwater; base pressure; foundation reaction force; base supplementary pressure; depth correction

0 引 言

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）

[1]

（后简称《地基规范》），地基基础设计时，需要进行如下计算：

（1） 承载力计算：

基础底面压力， 应满足下式要求： 当轴心荷载作用时，

Pkfa （1）式中Pk为相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的

平均压力值。并有：

Pk

FkGk

（2） A

式中Fk为相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值；Gk为基础自重和基础上的土重；A为基础底面面积。fa为修正后的地基承载力特征值。

（2） 承载力深度修正：

在（1）式中，fa是修正后的地基承载力特征值，《地基规范》 条文说明指出“目前建筑工程大量存在着主裙楼一体的结构，对于主体结构地基承载力的深度修正，宜将基础底面以上范围内的荷载，按基础两侧的超载考虑，当超载宽度大于基础宽度两倍时，可将超载折算成土层厚度作为基础埋深，基础两侧超载不等时，取小值。”

（3） 变形计算：

P0是对应于荷载准永久组合时的基础底面处的附加压力，《地基规范》计算地基变形需要确定P0；

（4） 基础设计计算：

基础设计涉及基础反力的求解，它是基础断面配筋计算的重要参数。

对基础基底压力pk、基底附加压力po、基础反力在有地下水情况下如何确定，以及当对地基做深度修

x

正时，基础一侧有建筑荷载，要将超载折算成当量土层厚度，在有地下水的情况下，如何将超载折算成当量土层厚度，本文都将做进一步讨论。

1 地下水对基底压力的影响

基底压力Pk是基础底面与地基之间产生的接触

压力，它是基础作用在地基土上的有效应力。在地基承载力计算中，特别是存在地下水的情况如何合理确定基地压力Pk，下面分四种情况进行讨论，见图1：

图1 存在地下水时的地基示意图

Fig. 1 The diagram of foundation when groundwater exists

在图1（a）中，地下水位在基底以下，这时的基底压力按（2）式计算，即：PGk

k

FkA

。 同样，图1（b）和图1（c）中的基础底面分别处在隔水层和隔水层以下，基础没有受到水浮力的作用，基底压力Pk按（2）式计算。

图1（d）中，基础底面位于地下水位以下隔水层以上，基础受地下水的作用，基底压力应扣除地下水的浮力，基底压力为：

Pk（FkGk）/Awh （3） w——水的容重。

根据《地基规范》[1]

，在地基承载力计算中，当

轴心荷载作用时，基底压力，应符合下式要求：

Pkfa （ 4） Pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面

处的平均压力值。

fa——修正后的地基承载力特征值。

2 地下水对基础反力的影响

基础反力是基础底面受到的总的作用力，不是基底压力的反作用力,数值不一定与基底压力相同。

当基础底面没有受到地下水作用，如图1中（a）（b）（c）的情况，基础底面只受到土体的作用，这个力与基底压力大小相等方向相反，是基底压力的反作

用力，即：

R=Pk（FkGk）/A （5） R——基础反力。

当基础底面在地下水位以下，如图1（d），基础底面既受到土体的作用（基底压力的反作用力），又受到地下水的作用（浮力），两者方向相同，共同作用在基础的底面上，这时基础反力值为基底压力反作用力与水的浮力之和。即：

RPkwh （6）

将（3）式Pk（FkGk）/Awh，代入（6）式得：

R=（FkGk）/Awhwh（FkGk）/A （7）

可见，地基中有无地下水，基础反力的计算结果不变，可以认为基础反力大小与地下水位无关。

3 地下水对基底附加压力的影响

地基变形计算需要确定基地附加压力P0，P0是指由于外荷载的作用，使地基产生变形的那一部分压力，是有效应力。基底附加压力等于基底压力扣除土的自重应力，即：

P0=P-D （8） P——基底压力准永久组合值。

γ——天然地基容重，水下用有效容重。 D——基础埋深。

当地基中有地下水，如何确定P0，通过一个算例加以讨论：

例1：如图2，某建筑物平面尺寸为20×20m，基础埋深为D=4m，传到基础底面的荷载（准永久组合）为200kN/m2，该处地基为密实中砂，土的重度为20kN/m3，（1）无地下水（2）地下水位于室外地面下2m，求基底附加压力。

图2 基底附加压力算例示意图

Fig. 2 The diagram of example with basic additional pressure

（1）地基中无地下水，上部结构传到基础底面的荷载就是基底压力P，根据（8）式得：

p0200204120kN/m2

（2）地基中有地下水，传到基础底面的荷载并不是有效应力，不等于基底压力，要求基底压力应先扣除地下水的浮力，即：

P200102180KN/m2

根据（8）式：

P2

0=P-D=180-[202+(20-10)2]=120KN/m

（3）水位标高同天然地面标高

基底压力P200104160KN/m2

根据（8）式：P0=P-D=160-(20-10)4=120KN/m2通过以上讨论可以看出，在地基变形计算中，确定基底附加压力的值可以不考虑地下水的作用。

4 地下水对地基承载力深度修正的影响

对地基承载力进行深度修正时，当两侧超载均为土体，应取基础埋深较浅一侧进行深度修正；当地基中无地下水，基础两侧超载一侧为土体，另一侧为建筑物（基底压力满足线性分布条件），可将超载折算成土层厚度，按照埋深较浅一侧进行深度修正；当地基中存在地下水且基础两侧超载一侧为土体，另一侧为建筑物的情况，深度修正问题就变得比较复杂，下面通过一个算例做一探讨。

例2：某建筑，主楼左侧为埋深d=10m的土层，右侧为裙房，裙房作用在基础底面的竖向压力为180kpa，且裙房宽度大于等于主楼基础宽度的2倍，地下水位在距地表5m的位置，基础底面上下均为粘粒含量小于10%的粉土（根据《地基规范》，查表5.2.4得基础埋深地基承载力修正系数d2），土层具体物理力学指标见图3，对地基承载力进行深度修正：

图3 主楼两端超载示意图

Fig. 3 The diagram of the main building with overloads

a 选取超载较小的一侧作为控制深度

主楼左侧：作用在基础底面处的自重应力： z(520510)150kpa

基础底面地基土受的有效压力即为150kpa。 主楼右侧：裙房作用在基础底面的竖向压力180kpa，扣除水的浮力，得到裙房下地基土受到的有效压力Pk180510130kpa。

根据《地基规范》当基础两侧超载不等时，取小值。本例中应选取主楼右侧建筑物超载控制深度修正量。

b承载力深度修正方法的探讨

方法1，将裙房荷载转换成当量土层，地下水位不变。

按裙房竖向压力180kpa，将其折算为重度为20KN/m3厚度为9m的土层，地下水位不变，见

图

4

图4 按照方法1修正后的主楼基础示意图

Fig. 4 The diagram of the main basis after amendment by means

of the first method

按方法1将建筑物超载折算成9m厚土层的加权平均重度：m(420510)/914.44KN/m3 深度修正量：

dm(d0.5)214.44(90.5)245.4kpa 方法2，将裙房荷载扣除水的浮力后准换成当量无地下水的土层。

把裙房下地基土受到的有效压力130kpa等效为重度20KN/m3，厚度6.5m无地下水的土层，见图

5

图5 按照方法2修正后的主楼基础示意图

Fig. 5 The diagram of the main basis after amendment by means

of the second method

按方法2将建筑物超载折算成6.5m厚土层的加权平均重度：m20KN/m3

x

深度修正量：

dm(d0.5)220(6.50.5)240kpa

通过深度修正量的比较，方法2小于方法1的修正量，方法2更为安全，建议应采用方法2进行修正。

5 结 论

通过以上讨论，可以得出如下结论：

（1） 当基础底面处于地下水位以下隔水层以上，应

考虑地下水位对基底压力的影响，并按照（2）式求取；

（2） 在地基变形计算中，地基中有无地下水对基底

附加压力P0的数值没有影响；

（3） 计算基础反力时可不考虑地下水的作用； （4） 对地基承载力做深度修正，当地基中存在地下

水，基础两侧超载一侧为土体，一侧为建筑物超载，且深度修正由建筑物超载控制，在选择修正方法时，宜采用深度修正量小的方法进行修正。 参考文献：

[1] 建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）[S]，中国建筑

工业出版社，2002(Code for design of building foundation (GB 5007-2002)[S],China building industry press 2002)

作者简介：雷晓雨(1983– )，男，河北唐山人，天津大学建筑工程学院博士研究生，从事地基与基础设计与研究。

工作单位：天津大学建筑工程学院 联系方式：天津大学48斋120室 联系电话：[1**********] Email：real－leixiaoyu @163.com