2.4 地基承载力的确定
2.4.1 地基承载力概念
地基承载力是指地基承受荷载的能力。地基基础设计首先必须保证荷载作用下地基应具有足够的安全性。在保证地基稳定的条件下，使建筑物的沉降量不超过允许值的地基承载力称为地基承载力特征值，以fa表示。
确定地基承载力特征值是地基基础设计中一个至关重要而又十分复杂的问题，它不仅与地基土的形成条件和性质有关，而且还与基础的类型、底面尺寸、埋深、上部结构的类型、荷载性质与大小及施工等因素密切相关。
2.4.2 地基承载力特征值的确定方法
地基承载力特征值的确定主要有以下4种方法。
（1）按现场载荷试验确定。
（2）根据土的抗剪强度指标由理论公式计算确定。
（3）按现行规范提供的承载力表确定。
（4）在土质基本相同的情况下，参照相邻建筑物的工程经验确定。
以上方法各有所长、互为补充，在具体工程中，往往需要用多种方法综合确定，确定的精度宜按建筑物的安全等级、地质条件并结合当地经验适当选择。
1.按现场载荷试验确定
载荷试验有浅层平板载荷试验、深层平板载荷试验和螺旋板载荷试验。前者适用于浅层地基，后两者适用于深层地基。《地基规范》规定,浅层平板载荷试验承压板的面积宜为0.25～0.5m2，对软土不应小于0.5m2；深层平板载荷试验的承压板常用直径为0.8m的圆形刚性板，要求承压板周围的土层高度不应小于0.8m，由此测定深部地基土层的承载力。
载荷试验采用分级加载、逐级稳定、直到破坏的试验步骤进行。试验完毕后，根据各级荷载与其相应的沉降稳定的观测值，采取适当比例尺绘制荷载p与沉降s的关系曲线，如图2.15所示，根据p-s曲线确定地基承载力特征值fak。按下述规定取值。
图2.15 按载荷试验方法确定地基承载力特征值
（a）低压缩土；（b）高压缩土
（1）当p-s曲线上有明显比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值p1作为地基承载力特征值，如图2.15（a）所示。
（2）当极限荷载pu小于比例界限荷载的2倍时，取其极限荷载值的一半，即取pu/2作为地基承载力特征值。
（3）当不能按上述要求确定时，若承压板的面积为0.25～0.5m2时，可取s/b=0.01～0.015所对应的荷载值作为地基承载力特征值，但其值不应大于最大加载量的一半，如图2.15（b）所示。
（4）对同一土层，应选择3个以上的试验点，当试验实测值的极差（最大值与最小值之差）不超过其平均值的30%时，取其平均值作为该土层的地基承载力特征值fak。
载荷试验的优点是压力的影响深度可达1.5～2.0倍的承压板宽度，故能较好地反映天然土体的压缩性。对于成分或结构很不均匀的土层，如杂填土、裂隙土、风化岩等，它则显示出用别的方法难以替代的作用。其缺点是试验工作量和费用较大，时间较长。
2.根据土的抗剪强度指标由理论公式计算确定
《地基规范》规定，当基底荷载偏心距e≤l/30（l为偏心方向基础边长）时，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按式（2.5）计算,即
式中 fa——由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值,kPa；
Mb、Md、Mc——承载力系数，由土的内摩擦角标准值φk查表2.3确定；
b——基础底面宽度，m，当基底宽度大于6m时按6m取值；对于砂土，小于3m时按3m取值；
d——基础埋置深度，m，取值方法与式(2.6)相同；
γ——基础底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度，kN/m3；
γm——基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度,kN/m3；
ck——基础底面下一倍基础宽度的深度范围内土的黏聚力标准值。
表2.3 承载力系数Mb、Md、Mc
续表
3.按规范承载力表确定
我国各地区规范给出了按野外鉴别结果，室内物理力学指标，或现场动力触探试验锤击数查取地基承载力特征值fak的表格，这些表格是将各地区载荷试验资料经回归分析并结合经验编制的。表2.4给出的是砂土按标准贯入试验锤击数N查取承载力特征值的表格。
表2.4 砂土承载力特征值fak 单位：kPa
注 现场试验锤击数应经下式修正：N=μ-1.645σ，式中μ和σ分别为现场试验锤击数的平均值和标准差。
4.按建筑经验确定
在拟建场地的附近，常有不同时期建造的各类建筑物。调查这些建筑物的结构类型、基础形式、地基条件和使用现状，对于确定拟建场地的地基承载力具有一定的参考价值。
在按建筑经验确定地基承载力时，需要了解拟建场地是否存在人工填土、暗沟、土洞、软弱夹层等不利情况。对于地基持力层，可以通过现场开挖，根据土的名称和所处的状态估计地基承载力。这些工作还需在基坑开挖验槽时进行验证。
2.4.3 地基承载力特征值的修正
当基础宽度大于3m、埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其他原位测试、规范表格等方法确定的地基承载力特征值，应按式(2.6)进行修正，即
式中 fa——修正后的地基承载力特征值,kPa；
fak——地基承载力特征值,kPa；
ηb、ηd——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查表2.5确定；
b——基础底面宽度,m，当基底宽度大于6m时按6m取值，小于3m时按3m取值；
d——基础埋置深度,m，一般自室外地面标高算起；在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起；对于地下室，如果采用箱形基础或筏形基础时，基础埋深自室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起。对于主裙楼一体的主体结构基础，可将裙楼荷载视为基础两侧的超载，当超载宽度大于基础宽度2倍时，可将超载折算成土层厚度作为基础的附加埋深；
γ——基础底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度,kN/m3；
γm——基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下的土层取有效重度,kN/m3。
表2.5 承载力修正系数
注 1.强风化和全风化的岩石，可参照所风化成的相应土类取值，其他状态下的岩石不修正。
2.地基承载力特征值按深层平板载荷试验确定时，ηd取0。
【例2.1】 某墙下条形基础，基础底面宽度为3.8m，基础埋深1.6m，地下水位位于地面以下1.0m处，地质剖面如图2.16所示，试确定地基持力层的承载力特征值。
解 因为基础宽度b=3.8m>3m，基础埋深d=1.6m>0.5m，所以持力层承载力特征值需要进行宽度和深度修正，由表2.5查得ηb=0.3、ηd=1.6。
图2.16 ［例2.1］图
由式(2.6)可得修正后的地基承载力特征值为
【例2.2】 某条形基础，基础底面宽度为2.5m，基础埋深为1.5m，合力偏心距e=0.04m，地基土内摩擦角φk=24°，黏聚力ck=15kPa，地下水位位于地面以下0.8m处，地下水位以上土的重度为γ=18kN/m3，地下水位以下土的饱和重度为γsat=19kN/m3。试确定地基持力层的承载力特征值。
解 由题意知，e=0.04m<b/30=2.5/30=0.0825m，可以采用规范推荐的强度理论公式来确定地基持力层的承载力特征值。由φk=24°查表2.3,得Mb=0.8、Md=3.87、Mc=6.45。
由式(2.5)可得地基持力层的承载力特征值为
2.4.4 地基变形验算
按前述方法确定的地基承载力特征值虽然可保证建筑物在防止地基剪切破坏方面具有足够的安全度，但却不一定保证地基变形满足要求。因为在荷载作用下，地基土总要产生压缩变形，使建筑物产生沉降。由于不同建筑物的结构类型、整体刚度、使用要求的差异，对地基变形的敏感程度、危害、变形要求也不同。因此，对于各种类型建筑物，如何控制对其不利的沉降形式——地基变形特征，使其不会影响建筑物的正常使用或安全，也是地基基础设计必须予以充分考虑的一个基本问题。
《地基规范》按不同建筑物的地基变形特征，要求建筑物地基变形的计算值s应不大于地基变形的允许值［s］，即
式中 s——地基变形计算值传至基础上的荷载Fk应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合（不应计入风荷载和地震作用）确定；
［s］——地基变形允许值，按表2.6取值。
地基变形允许值确定涉及的因素很多，如建筑物的结构特点和具体使用要求，对地基不均匀沉降的敏感程度以及结构强度储备等。《地基规范》(GB 5007—2011)综合分析了国内外各类建筑物的有关资料，提出了表2.6所列的建筑物地基变形的允许值。对表中未包括的其他建筑物的地基变形允许值，可根据上部结构对地基变形特征的适应能力和使用上的要求确定。
地基变形验算结果如果不满足式(2.7)的要求，可以先适当调整基础底面尺寸或埋深，如仍不满足要求，再考虑从建筑、结构、施工等方面采取有效措施以防止不均匀沉降对建筑物的损害，或改用其他地基基础设计方案。
地基变形按其特征可分为4种，即沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜。
表2.6 建筑物的地基变形允许值
注 1.本表数值为建筑物地基实际最终变形允许值。
2.有括号者仅适用于中压缩性土。
3. l为相邻柱基的中心距离，mm；Hg为自室外地面起算的建筑物高度，m。
（1）沉降量：指独立基础中心点的沉降值或整幢建筑物基础的平均沉降值。
若沉降量过大，将影响建筑物的正常使用。对于单层排架结构柱基、高层建筑和高耸结构基础须计算沉降量，并使其小于允许值。
（2）沉降差：一般指相邻柱基中点的沉降量之差。
相邻柱基沉降差过大，就会导致上部结构产生附加应力，严重时建筑物会发生开裂、倾斜甚至破坏。对于建筑物地基不均匀，有相邻载荷影响或荷载差异较大的框架结构、单层排架结构，其地基变形由沉降差控制，需验算基础的沉降差，并将其控制在允许值以内。
（3）倾斜：指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。
对于高耸结构以及长高比很小的高层建筑，整体刚度很大，可近似视为刚性结构，其地基变形应由建筑物的整体倾斜控制。
高耸结构重心高，基础倾斜使重心侧向移动而引起的偏心力矩，不仅使基底边缘压力增加而影响倾覆稳定性，还会导致高耸结构产生附加弯矩。因此，高耸结构基础的倾斜允许值随结构高度的增加而递减。一般地，地基土层的不均匀分布以及邻近建筑物的影响是高耸结构产生倾斜的重要原因；如果地基的压缩性比较均匀，且无邻近荷载的影响，对高耸结构只要基础中心沉降量不超过表2.6的允许值，可不作倾斜验算。
高层建筑横向整体倾斜允许值主要取决于人们视觉的敏感程度，高大的刚性建筑物倾斜值达到明显可见的程度时大致为1/250，而结构损坏则大致当倾斜值达到1/150时才开始。
对于有吊车的工业厂房，还应验算桥式吊车轨面沿横向或纵向的倾斜，以免因倾斜而导致吊车自动滑行或卡轨。
（4）局部倾斜：指砌体承重结构沿纵向6～10m内基础两点的沉降差与其距离的比值。
一般砌体承重结构房屋对地基不均匀沉降是很敏感的，因地基不均匀沉降所引起的损坏，最常见的是房屋外纵墙由于相对挠曲而引起的斜裂缝，有裂缝呈正“八”字形的墙体正向挠曲（下凹），有裂缝呈倒“八”字形的反向挠曲（凸起）。因此，砌体承重结构的地基变形由局部倾斜控制。
必须指出，目前的地基沉降计算方法还比较粗糙，因此，对于重要的或体型复杂的建筑物，或使用上对不均匀沉降有严格要求的建筑物，应进行系统的地基沉降观测。通过对观测结果的分析，一方面可以对计算方法进行验证，修正土的参数取值；另一方面可以预测沉降发展的趋势，如果最终沉降可能超出允许范围，则应及时采取处理措施。
在必要情况下，需要分别预估建筑物在施工期间和使用期间的地基变形值，以便预留建筑物有关部分之间的净空，考虑连接方法和施工顺序。一般多层建筑在施工期间完成的沉降量，对于砂土可认为其最终沉降量已完成80%以上；对于其他低压缩性土可认为已完成最终沉降量的50%～80%；对于中压缩性土可认为已完成20%～50%；对于高压缩性土可认为已完成5%～20%。