砌体结构的多层房屋由于地基不均匀沉降而产生开裂.这说明上部结构、基础、地基三者不仅在二者的接触面上保持静力平衡(例如基础底面处基底压力与基底反力平衡),并且三者是相互联系成整体来承担荷载并发生变形.这时,三部分都将按各自的刚度对变形产生相互制约的作用.从而使整个体系的内力和变形(墙体产生斜拉裂缝)发生变化.因此,原则上应该以地基、基础、上部结构之间必须同时满足静力平衡和变形协调两个条件为前提,揭示它们在外荷作用下相互制约、彼此影响的内在联系,达到经济、安全的设计目的.
3．8．1 地基与基础的共同作用
基础内力求解时,基底反力是作用在基础上的重要荷载,由于基础刚度对地基变形的顺从性差别较大,因此使基底反力的分布规律不相同.对于柔性基础,基础的挠度曲线为中部大、边缘小.如果要基础底面的挠度曲线转变为沉降各点相同的直线,则基础必须具有无限大的抗弯刚度,受荷后基础不产生挠曲,当基础顶面承受的外荷载合力通过基底形心时,基底的沉降处处相等.此类基础属于刚性基础,即沉降后基础底面仍保持平面.因此,与刚性基础相比,对柔性基础,只有增大边缘处的变形值,减小中部的变形值,才可能达到沉降后基础底面保持平面的目的.变形是与基底反力的数值息息相关的,此时基底反力的分布必须中间数值减小,边缘数值增大.刚性基础跨越基底中部,将荷载相对集中地传至基底边缘的现象叫作基础的“架越作用”.由于基础的架越作用使边缘处的基底反力增大,但根据库仑定律与极限平衡理论,其数值不可能超过地基土体的强度,因而势必引起基底反力的重新分布.有些试验在基础底面埋设压力盒实测的基底反力的分布图为马鞍形,证明了这一观点.随着荷载的增加,基底边缘处土体的剪应力增大到与其抗剪强度达到极限平衡时,土体中产生塑性区,塑性区内的土体退出工作,继续增加的荷载必须靠基底中部反力的增大来平衡,因而,基底反力图由马鞍形逐渐变为抛物线形,地基土体接近整体破坏时将成为钟形.综上所述,基底反力的数值求解与基础刚度关系密切.
基底压力是地基土体产生沉降变形的根本原因,因此,土力学中关于地基计算模型的理论确定了地基沉降与基底压力之间的数学计算方法后,其解答可求得基础底面某点处的土体沉降数值.该数值应与基础在该点的挠度数值相等.两个相等的量可以建立方程,在该点基底反力与基底压力相等,地基土体沉降数值与基础底面挠度数值相等,两个方程可以解决基底反力与沉降变形数值的计算问题.但由于建立的是微分方程,其解析只能在简单的情况下得出.其他情况必须利用有限单元法或有限差分法等求得问题的数值解.
3．8．2 基础与上部结构的共同作用
上部结构刚度能大大改善基础的纵向弯曲程度,同时,也引起了结构中的次生应力,严重时可以导致上部结构的破坏.例如,钢筋混凝土框架结构,由于框架结构构件之间的刚性连接,在调整地基不均匀沉降的同时,也引起了结构中的次生应力.当上部结构为柔性结构时,上部结构对地基的不均匀沉降和基础的挠曲完全没有制约作用.与此同时,基础的不均匀沉降也不会引起上部结构中的次生应力.
3．8．3 地基与上部结构的共同作用
从地基变形和上部结构的相互作用来看,地基变形使上部结构产生附加内力,并随其刚度的增大而增大;上部结构的刚度又调节着地基的变形,刚度增大,调节能力也增大.因此,为减少不均匀沉降,可加强上部结构刚度(抵抗);为减少上部结构附加应力,可采用刚度小的不敏感性结构(适应).为减少地基的过大变形或不均匀变形,可进行地基处理(改造).
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