幾乎所有地基基礎(chǔ)規(guī)范都有關(guān)于建筑地基變形計算值不大于控制值的強條，但兩者都是經(jīng)驗值，所以這個強條本身就是一個概念了?！兜鼗放c《高基》規(guī)范都有關(guān)于考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基三者共同作用，以及大底盤基礎(chǔ)多棟不同建筑對變形的影響的條款，但如何計算、如何考慮這些影響，規(guī)范沒有明確的計算方法。
關(guān)于這方面實際的案例，有關(guān)的資料不是很多，也比較零散，規(guī)范條文有一些，但概念上不是很清晰。筆者不是搞科研的，很難得到一手實際工程的實測資料，對于上部結(jié)構(gòu)的剛度的影響也只是用市場上的軟件對比計算，但程序本身的技術(shù)內(nèi)核無從知曉，無法真正判斷其正確性，所以只能從概念上進行判斷思考，和資料上的有關(guān)的數(shù)據(jù)進行對比。方向?qū)Φ?，對自己思考的概念可以證明其正確性，對與概念不符的，繼續(xù)深入思考，會發(fā)現(xiàn)概念錯誤，但也可能會發(fā)現(xiàn)規(guī)范和資料等存在一些問題。
一：柔性荷載與剛體基礎(chǔ)荷載對地基變形的影響
規(guī)范地基變形的計算公式如下：
公式是根據(jù)布氏的彈性半空間體的假定給定的應(yīng)力系數(shù)，但因為應(yīng)力系數(shù)是通過面荷載的積分出來的，所以本質(zhì)是柔性荷載作用下的應(yīng)力系數(shù)。
實際建筑無論是高層的筏基箱基或獨立基礎(chǔ)，荷載均是介于柔性和剛性之間的半剛性（與上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的共同剛度有關(guān)），那剛性荷載對沉降的影響有多大呢？
下圖是完全柔性荷載、完全剛性荷載、有限剛性荷載的基底反力（或結(jié)構(gòu)對地基的作用力）和地基變形示意圖。
地基規(guī)范變形公式計算出的是a點的變形，b、c點的變形理論上如果知道了地基反力的分布，就可以根據(jù)布氏解積分計算出來，但我們無法準確的知道反力的分布。反力分布和地基變形是互相關(guān)系的，就像有兩個未知數(shù)，我們只能列出一個方程一樣，無法用規(guī)范的公式計算。
但通過很多的實際工程大致知道半剛性的建筑的地基反力分布和變形基本是上圖右側(cè)的圖形。
現(xiàn)假設(shè)一個案例，算下三種情況各點的變形，進行下對比。為了概念清楚，采用規(guī)范的基本的公式計算，不用軟件。
算例中平均變形是把柔性荷載的不均勻變形拉平，可以認為是剛性基礎(chǔ)的變形，不過似乎有點想當然。
實際任何結(jié)構(gòu)，上部與基礎(chǔ)的剛度均為有限剛，建筑荷載均勻的情況下，中點的變形一定比邊緣大。但邊緣的地基反力一定比中部大，《高基》的高層建筑的地基反力的分塊實際是考慮了一般高層建筑上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基共同作用下的地基反力的情況?，F(xiàn)按規(guī)范做一個變形算例。
下圖為上述例題的同樣條件的一般高層的地基反力系數(shù)，總荷載兩個例題是一樣的，平均值均為150kpa。
手算三個點的變形。
因為上述的地基反力的分布系數(shù)每塊是不同的，所以必須分9塊進行疊加計算。中點c的計算如下：
邊緣中點的變形計算如下：
基礎(chǔ)角點a點的變形最繁瑣，過程從略。
三種情況變形對比如下：
（1）按規(guī)范的柔性荷載，中心點113.6mm，邊緣中點65.2mm,角點40.5mm。剛性基礎(chǔ)強制平均為89.4mm，剛性基礎(chǔ)變形是柔性計算的79%。
（2）按《高基規(guī)范》給的地基反力分布系數(shù)，計算考慮了上部結(jié)構(gòu)剛度影響，三點的變形分別為：103.36、64.8、40.5mm，中點沉降計算值是柔性荷載的91%，規(guī)范采用的柔性荷載計算和實際考慮上部剛度計算的變形相差不大。
本例題做了大的簡化，具體數(shù)值雖然不具有實際工程的參考價值，但作為剛性和柔性的對比是有意義的。本結(jié)論與朱丙寅大師的《建筑地基基礎(chǔ)計算方法與分析》的剛性基礎(chǔ)沉降值是柔性荷載（規(guī)范公式）的80%的論述基本一致。
（3）按規(guī)范柔性荷載計算的地基變形偏于保守。但規(guī)范給于了公式很寬泛的經(jīng)驗系數(shù)，對于強條規(guī)定的變形控制值不同的結(jié)構(gòu)采用不同的數(shù)值及方法，經(jīng)驗系數(shù)和控制值是大量的概率統(tǒng)計及計算對比得來的，這些來源于實際的數(shù)值和經(jīng)驗系數(shù)應(yīng)該已經(jīng)包含了上述的柔性荷載與實際計算的誤差了。
二：基礎(chǔ)形狀和計算深度對地基變形的影響
總荷載相同采用方形基礎(chǔ)和矩形基礎(chǔ)進行對比計算及不同的計算深度進行對比計算如下：
從算例可以得出如下結(jié)論：
（1）當總荷載相同時，方形基礎(chǔ)比矩形基礎(chǔ)沉降大。朱大師的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計方法及實例分析》中論述方形基礎(chǔ)沉降比矩形基礎(chǔ)小很多，所以一般基礎(chǔ)應(yīng)該采用方形基礎(chǔ)的結(jié)論有誤。
圖2.3.11條形基礎(chǔ)和方形基礎(chǔ)實際是當基礎(chǔ)平均反力相同時，無限長的條基和方形基礎(chǔ)的對比，圖形來源于布式解的推導(dǎo)，不是獨立基礎(chǔ)的矩形和方形的對比。
之所以大部分做方形基礎(chǔ)不是因為沉降，而是因為方形簡單。若一個方向有彎矩另外一個方向沒有時，做矩形基礎(chǔ)更經(jīng)濟，沉降也小一點，但形狀對沉降的影響很小，可以不考慮。
（2）計算深度的影響應(yīng)重視。理論上計算越深沉降越大，但完全按規(guī)范公式計算時未必如此。劉金波博士的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計禁忌和實例》中提到這一點。當不考慮修正系數(shù)時，深度越深沉降自然越大（這是概念），但若考慮沉降系數(shù)時有可能計算越深反而沉降越小。
我是這樣理解的：首先說我們的概念沒有錯即計算深度越深沉降越大，出現(xiàn)這種情況的原因是修正系數(shù)不能包括某些特殊情況，這是沒有辦法的事情。所以要最好嚴格按規(guī)范的計算公式確定計算深度和修正系數(shù)計算，不能任意加大計算深度。
（3）對于規(guī)范5.3.8規(guī)定的簡化計算深度，一定要正確理解，否則可能犯較大的錯誤。
這個簡化的深度計算一定是無相鄰荷載的影響才可使用。絕大部分情況是有相互影響的，除非獨立的單體建筑的基礎(chǔ)。有人在利用角點法計算中點沉降時，按分塊的小矩形的寬度計算影響深度，算出的沉降太小了，就是忘記了相鄰荷載的影響的先決條件。
對于結(jié)構(gòu)獨立基礎(chǔ)之間一般距離較遠，是否考慮臨近荷載的影響，很難判斷，所以還得用規(guī)范公式計算深度向上一定深度的沉降小于總沉降的2.5%來判斷，這個是影響深度計算的基本公式。用簡化的公式一般應(yīng)該用它來校核。對于復(fù)雜的互相影響的基礎(chǔ)沉降計算深度的確定太繁瑣，必須依賴于計算機。
（4）剛性下臥層的對沉降的不利影響
計算地基承載力時，需要計算軟弱下臥層的承載力。在本系列的（三）中講過，當土層上硬下軟時，上層土的應(yīng)力擴散較快，所以采用較大的擴散角，反之采用較小的擴散角（見系列三）。
所以規(guī)范對于有剛性下臥層時比如巖石，沉降計算深度可以到巖石頂面，但要考慮上部應(yīng)力擴散角變小的不利影響。地基規(guī)范6.2.2第二條即是考慮了剛性下臥層對沉降變形增大的影響，很多人未必注意到這一點。
三：基底反力不同對地基沉降的影響
1、圣維南原理
圣維南原理（saint venant’s principle）是彈性力學(xué)的基礎(chǔ)性原理，是法國力學(xué)家圣維南于1855年提出的。是彈性力學(xué)中一個說明局部效應(yīng)的原理，雖然已經(jīng)有大量實例驗證，但至今還沒有嚴格證明。其內(nèi)容是：分布于彈性體上一小塊面積（或體積）內(nèi)的荷載所引起的物體中的應(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關(guān)；荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布。
原理要點：
一、進行替換的兩個力系必須是剛體力學(xué)的“等效”力系；
二、力系替換的表面必須小，在替換表面附近的解失去精度。
意義：
圣維南原理在實用上和理論上都有重要意義。在解決具體問題時，如果只關(guān)心遠離荷載處的應(yīng)力，就可視計算或?qū)嶒灥姆奖?，改變荷載的分布情況，不過須保持它們的合力和合力矩等于原先給定的值。圣維南原理是定性地說明彈性力學(xué)中一大批局部效應(yīng)的第一個原理。
同樣，建筑基礎(chǔ)作用于地基上時，在地基表面及附近的應(yīng)力因為上部結(jié)構(gòu)的剛度、荷載、基礎(chǔ)的形式等復(fù)雜的因素，造成基底反力（也是基礎(chǔ)施加在地基上的荷載）比較復(fù)雜，但在離地基表面較遠的地方，基本只和荷載的大小及合力矩有關(guān)，這一點地基也同樣適用。
但地基土因為離散性大，強度比較底等原因，可能這個局部的范圍較大，但通過上述的計算分析，這個局部范圍的影響大概約10~20%的誤差。也就是說按規(guī)范公式計算的沉降和實際有一定剛度的基礎(chǔ)沉降相差不大于20%。
2、圣維南原理也說了，對于荷載作用點的附近局部范圍內(nèi)其應(yīng)力變化無法精確求解，所以對于地基表面與基礎(chǔ)接觸的部位不能用布氏解的應(yīng)力系數(shù)來求解。
比如：規(guī)范附錄給出的地基附加應(yīng)力系數(shù)，在深度為0處角點的應(yīng)力系數(shù)為0.25，見下圖：
如果按這個計算，在地基表面處，柔性荷載的中心點的應(yīng)力（地基反力）應(yīng)該是角點的4倍，但其實地基反力和結(jié)構(gòu)柔性荷載完全相等（見上文中草圖），否則就違反了牛頓第三定律力的平衡原理了。
也就是說布氏解也無法解答地基荷載作用面附近范圍的應(yīng)力計算，只有在一定深度的范圍才能應(yīng)用布式解即規(guī)范的附加應(yīng)力系數(shù)。
實際工程地基地基的壓縮深度一般應(yīng)該在超過了這個有限的范圍了，所以不存在上述的不能解答的問題，但不同的分布應(yīng)力的確只在較淺的范圍有影響，這個影響大概就是上面所說的10~20%的范圍吧。
四：大底盤結(jié)構(gòu)的地基沉降的計算
《地規(guī)》5.3.12和《高基》5.4.5、5.4.6都提到了上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基的共同作用以及大底盤的多塔樓的沉降計算問題。但太籠統(tǒng)了，很難具體操作。
根據(jù)上面的分析及本系列以前文章的論述，筆者建議如下進行：
1、對于單體高層建筑，現(xiàn)在的軟件已基本可以計算考慮結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度了。對三者共同作用求解地基反力進而進行地基沉降計算，如果地基參數(shù)完全相同，上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)模型正確，計算結(jié)果應(yīng)該和上述算例中的分塊疊加法相當。但整體建模很難完善，而且計算結(jié)果設(shè)計人很難把握，概念不清不易判斷。
建議高層建筑按規(guī)范公式進行單體沉降計算，可按《高基》規(guī)范的地基反力分布圖進行分塊疊加計算。一般多層建筑的筏板基礎(chǔ)可直接按規(guī)范公式計算沉降及傾斜，當層數(shù)不同時按層數(shù)劃塊計算疊加。獨立基礎(chǔ)按規(guī)范公式計算沉降及傾斜，但要考慮不同獨基之間的影響。
2：對于框架核心筒等結(jié)構(gòu)，其核心筒因自重大，恒載與活載準永久組合大于周邊框架時可以井筒為區(qū)格，并參考《高基》進行分塊考慮不同的反力分布系數(shù)進行計算。
3：對于高層塔樓和周邊裙房，可以塔樓與裙房交接線劃分區(qū)塊，進行疊加計算。裙房劃分的依據(jù)，以裙房的層數(shù)不同而劃分，高層塔樓的劃分見上文。
4：當裙房為多層框架時，對于筏板基礎(chǔ)可以采用整體劃分，對于獨立基礎(chǔ)可以以獨基為分塊劃分。對于剛度很弱的防水板基礎(chǔ)建議按適當擴大的獨基來分塊。
5：分塊疊加計算沉降手算幾乎無法完成，建議開發(fā)分塊計算的小程序，便于工程師靈活進行分塊，這樣概念清楚容易控制進行對比計算。實際工程往往底盤形狀復(fù)雜，難以劃分規(guī)矩的矩形，見下圖某實際項目簡圖：
基礎(chǔ)不能劃分成規(guī)矩的矩形區(qū)格，所以不能直接應(yīng)用規(guī)范的附錄中的附加應(yīng)力表，但程序可以開發(fā)出任意形狀區(qū)格（比如三角形等，用布氏解積分）的附加應(yīng)力系數(shù)還是比較容易的。
6: 采用劃分區(qū)塊疊加的計算方式根據(jù)有關(guān)資料證明是符合工程實際要求的，不必要求必須三者共同分析計算沉降。三者共同分析得出的地基反力可用于基礎(chǔ)本身的計算，因為其對基礎(chǔ)的影響比對沉降的影響大的多。
四：對規(guī)范倒樓蓋計算要求地基梁剛度（1/6跨高比）的疑問
1、上部結(jié)構(gòu)的剛度基本決定了結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件根部的沉降，見下圖：
基礎(chǔ)梁的剛度雖然可以使豎向結(jié)構(gòu)的根部的沉降差更小，但因為僅為一層梁（雖然比樓層梁大很多）所以起的作用并不大。所以對于上部結(jié)構(gòu)剛度非常大的結(jié)構(gòu)，基底反力的分布是大水平，小波浪。地基梁越剛，小波浪越接近水平。
起伏的小波浪的分布力實際減少了梁的彎矩，用倒樓蓋水平的反力進行計算是偏于保守的，當上部剛度足夠大時，不必追求1/6的梁高即可用倒樓蓋計算，滿足地基梁的規(guī)范的各項要求即可。當然剛度大的地基梁使地基反力更均勻，可以降低沉降，但上文分析可以看出，這個有利的影響實在微乎其微。
2：若上部結(jié)構(gòu)為比較柔的框架時，為了采用倒樓蓋計算法，按1/6確定基礎(chǔ)梁斷面，地基梁做的很大很浪費，但整體彎曲仍然很大，采用倒樓蓋是不安全。是否應(yīng)用倒樓蓋法的關(guān)鍵是上部的剛度。若基礎(chǔ)梁做的剛度很大，雖然小波浪比較平滑了，但整體彎曲仍然很大（單層的基礎(chǔ)梁畢竟無法與很多樓層的梁的剛度相當），這時采用倒樓蓋是不安全的，應(yīng)該用考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基者共同作用的彈性地基梁法計算。但有資料顯示，共同分析的彈性地基梁的鋼筋應(yīng)力遠遠小于計算配筋的應(yīng)力（幾十分之一），資料認為是基底巨大的摩擦力減少了基礎(chǔ)梁的整體彎矩的軸力造成的。
五：手算地基變形的體會
本文手算的例子雖然簡單，但花費的時間不少于4個小時，發(fā)在超限群的第一稿的計算結(jié)果還是漏了重要的一環(huán)，只好修改參數(shù)又重新算了一遍，好在最復(fù)雜的應(yīng)力系數(shù)的合與分沒有錯。在計算過程中幾乎沒幾步就要出錯，原因是查應(yīng)力系數(shù)表、劃分9塊，分分合合極易出錯。每次出錯之所以能夠發(fā)現(xiàn)主要是靠的是概念正確，比如應(yīng)力擴散，遠近、方形或矩形形狀、面積大小的影響等，如果概念不清，幾乎結(jié)果必然為錯。上述算例是否完全正確，還希望各位專家驗證。
從這里也可以看出，即使已經(jīng)進行了大量的簡化的案例，還如此容易出錯，花費的時間也很長，不能被現(xiàn)在的高效率所允許。所以實際工程中對于復(fù)雜的互相影響尤其是多建筑大底盤的基礎(chǔ)計算手算沉降非常困難，幾乎做不到。但這種方法的概念很簡單，利用計算機的優(yōu)勢用這種分塊疊加的概念應(yīng)該是不錯的方法。
本文上述純粹是概念分析，僅供有關(guān)技術(shù)人員參考。有很多設(shè)計人對地勘的參數(shù)表示懷疑，本文不進行討論。本文著眼于結(jié)構(gòu)師需要考慮的部分，做好我們自己的這攤事兒，巖土參數(shù)是巖土工程師需要負責(zé)的，大家是一個聯(lián)合部隊，只是軍種不同，需要各自負好自己的責(zé)任，共同配合、互相學(xué)習(xí)溝通，才能打勝仗。