多高層建筑地基基礎(chǔ)設計方案淺議

1、多高層建筑地基基礎(chǔ)設計淺議 摘要 本文簡單介紹了幾種常見基礎(chǔ)類型的選擇原則和設計方法，供設計同行們借鑒 和參考。 關(guān)鍵詞 獨立柱基 筏形基礎(chǔ) 樁筏基礎(chǔ) 一. 概述 隨著社會的發(fā)展 ,多高層建筑越來越多 , 多高層建筑地基基礎(chǔ)費 用在整個工程工程總造價中占有很大的比例 ,基礎(chǔ)工程所耗費的鋼 材、混凝土用量多 ,施工難度大。一般情況下基礎(chǔ)工程造價占土建工 程總造價的 20%左右，工期占土建工程的 20%30%，當?shù)刭|(zhì)條件復 雜時，其造價和工期所占比重還會增加。多高層建筑地基基礎(chǔ)不同 方案的選擇與工程造價關(guān)系極大，為節(jié)約投資，應該對地基基礎(chǔ)進 行多方案比較，優(yōu)化設計。 二 . 多高層建筑地基選擇 一

2、般來講，多高層建筑宜優(yōu)先考慮采用天然地基，有利于方便 施工，縮短工期，節(jié)省造價；當天然地基的變形和承載力不能滿足 要求時，可結(jié)合工程實際情況和當?shù)氐鼗幚斫?jīng)驗及施工條件，優(yōu) 先考慮采用CFG樁等復合地基，采用復合地基與一般樁基相比可節(jié) 約造價 30%以上；當復合地基也不能滿足變形及承載力要求時，應 采用樁基方案，至于具體采用哪種樁基形式，均應根據(jù)工程實際和 當?shù)鼐唧w情況進行不同的選擇。 三.多高層建筑基礎(chǔ)選型及設計 多高層建筑的基礎(chǔ)選型，應綜合考慮建筑場地的地質(zhì)狀況及水 位、上部結(jié)構(gòu)類型、使用功能、施工條件以及相鄰建筑的相互影 響，應選用整體性好、能滿足地基承載力和建筑物容許變形的要 求，并能

3、調(diào)節(jié)不均勻沉降，達到安全實用和經(jīng)濟合理的目的。下面 對多高層建筑幾種經(jīng)常用到的基礎(chǔ)類型的選擇及設計作一些簡要的 分析。 1獨立柱基 多層建筑，當?shù)鼗凛^好承載力較大時，宜優(yōu)先考慮采用獨立 柱基，因為此做法土方量少，方便施工，造價低，如果有地下室且 地下水位較低，可采用獨立柱基加抗水板，這種結(jié)構(gòu)形式傳力明確 且工程費用節(jié)約。 獨立柱基在進行內(nèi)力及配筋計算時，以軸壓柱為例，計算簡圖 如下： 1 1 1 1 r 1 r r 圖1 而實際上由于土體局部承壓提高了承載力，獨立柱基范圍內(nèi)的 地基反力分布是不均勻的，力是沿著最短的路徑傳遞，而且剛度大 的部分傳的多，即捷徑傳遞和剛度集聚，造成了沖切破壞錐體以

4、內(nèi) 部分的地基反力集度咼，沖切破壞錐體以外部分地基反力下降，地 基土的剛度越大，下降的越多，如為軟弱地基，地基反力的分布幾 乎是均勻的，如為巖石地基，錐體內(nèi)外反力分布極其懸殊，一般地 基介與軟弱地基與巖石地基之間 。如下圖所示： 這種實際上的內(nèi)力分布圖使得獨立柱基內(nèi)力計算結(jié)果要小，對沖 切計算也有利 獨立柱基底板的邊長大于等于 2.5m時，在該方向的鋼筋長度可 減短10%，并交錯布置，如下圖所示: 獨立柱基的截面通常是臺階形或坡形，邊緣高度一般取200mm,而 柱或墻邊的高度根據(jù)荷載不同而出入很大，如果按建筑地基基礎(chǔ) 設計規(guī)范(GB50007-2011)要求的最小配筋率配筋，取邊緣高度 還是最

5、大高度或平均高度進行計算，配筋量有很大不同，規(guī)范中對 此問題沒有明確規(guī)定，北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設計規(guī)范 8.3.5 條規(guī)定，當基礎(chǔ)受力鋼筋實際配筋量比計算所需多 1/3 以上， 且滿足直徑不小于10mm,間距不大于200mm的配筋構(gòu)造要求時，可 不受國家標準最小配筋率的要求。 2.筏形基礎(chǔ) 高層建筑工程設計中，常遇到這樣的地質(zhì)情況，地下室底板下 的巖土層為風化殘積土層、全風化巖層、強風化巖層或中風化軟巖 層，因此有可能采用天然地基。高層建筑地下室通常作為地下停車 庫，機電用房等，建筑上不允許設置過多的內(nèi)墻，因而限制了箱形 基礎(chǔ)的使用，筏板基礎(chǔ)既能充分發(fā)揮地基承載力，調(diào)整不均勻沉 降，又能滿

6、足停車庫的空間使用要求，因此就成為比較理想的基礎(chǔ) 型式，且筏形基礎(chǔ)和周邊的鋼筋混凝土外墻相結(jié)合，整體剛度也很 大，因此在現(xiàn)在的高層建筑基礎(chǔ)設計中，沒有必要刻意要求采用箱 形基礎(chǔ)。 筏板基礎(chǔ)主要構(gòu)造形式有平板式筏基和梁板式筏基，當建筑物 層數(shù)較多，基底反力很大時，宜優(yōu)先采用平板式，采用梁板式筏 基，基礎(chǔ)梁截面大，必然增加基礎(chǔ)埋置深度，當水位高時更加不 利，梁板的混凝土需分層澆注，梁支模費事，因而增長工期，綜合 經(jīng)濟效益反而比平板式差。 高層建筑的筏板基礎(chǔ)，以往不少結(jié)構(gòu)設計人員認為梁板式筏基 比平板式筏基經(jīng)濟性好，如僅從結(jié)構(gòu)專業(yè)考慮此概念是對的，但從 多項工程實際測算比較，考慮層高、土方、護坡、墻

7、柱高度、防 水、基礎(chǔ)梁間回填材料、工期等諸多方面，綜合造價平板式筏基比 梁板式筏基低2。 現(xiàn)有的一些資料表明，目前工程實際中，許多高層基礎(chǔ)筏板內(nèi) 鋼筋實際受力，都遠遠小于實配鋼筋的強度設計值，某些工程中 實測到的鋼筋應力，僅為其屈服強度值的 1/41/10，基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋承 載能力遠遠沒有發(fā)揮出來。 出現(xiàn)這種基礎(chǔ)底板內(nèi)力遠遠小于常規(guī)計算方法的因素很多，如 在基礎(chǔ)底板施工時，只有底板的自重，且無任何上部結(jié)構(gòu)的邊界約 束，而混凝土的硬化收縮力大，在底板的收縮應變過程中，使混凝 土中的縱向鋼筋產(chǎn)生預壓應力，從而在正常工作狀態(tài)下抵消了部分 拉應力，使鋼筋受力變??；另外基礎(chǔ)底面和地基土之間巨大的摩擦 力起著

8、一定程度的反彎曲作用，使基礎(chǔ)底板的內(nèi)力和撓曲率會相應 減??；再有天然地基設計承載力按平均值取用，而實測基底反力表 明，由于土體局部承壓提高了承載力，在柱和墻下的反力比平均值 大得多，如下圖所示： HN -1 / if 1 W/f 1 W/ j/ / 皿1屮出 訓社.13 根據(jù)結(jié)構(gòu)力學原理，此時計算出的基礎(chǔ)底板反力比假設基底為平均 反力情況下要小。 除上述因素外，最主要的就是上部結(jié)構(gòu)和地下室整體剛度的貢 獻，并參與了基礎(chǔ)的共同抗力，起到了拱的作用，從而減小了底板 的撓曲和內(nèi)力。還有由于地下室具有一定的埋置深度，周邊都有按 設計要求夯實的回填土，地下室外墻的被動土壓力限制了基礎(chǔ)的擺 動，而其與周邊

9、回填土的摩擦阻力平衡了部分建筑物的自重，使得 基礎(chǔ)底板的壓力分布趨于平緩和減小。 鑒于高層基礎(chǔ)筏板有很大的內(nèi)在潛力，在具體工程工程的設計 中，必須細心把握，否則則基礎(chǔ)截面和配筋量都比實際所需的大得 多，造成很大的浪費。 現(xiàn)在采用的有關(guān)基礎(chǔ)計算軟件，不同的軟件對相同工程計算結(jié) 果不一致，有的相互間差的較大，可以采用所得內(nèi)力小的軟件的計 算結(jié)果，按計算結(jié)果不宜再放大，筏板的裂縫沒有必要計算，雙向 板的裂縫實際無法計算，還有實際應力比計算其實小很多。當平板 式筏基采用倒樓蓋經(jīng)驗系數(shù)法計算時，柱下板帶和跨中板帶的彎矩 值均比 JCCAD 基礎(chǔ)軟件計算出的結(jié)果要小。 當對平板式筏基按照無梁樓蓋經(jīng)驗系數(shù)法

10、進行設計時，由于 a. 平板式筏基和地基共同作用，與一般無梁樓蓋受力顯然不同， b. 無 梁樓蓋的板厚比較薄，平板筏基則一般比較厚，如果再套用薄板理 論計算，并根據(jù)薄板理論計算結(jié)果直接配筋顯然不妥。根據(jù)以往的 工程經(jīng)驗，可以采用如下原則進行設計 5： a.考慮其受力特點，平板式筏基仍采用無梁樓蓋經(jīng)驗系數(shù)法計算， 但最后的彎矩結(jié)果均乘以折減系數(shù) 0.8 后再進行基礎(chǔ)底板的配筋。 b.當平板筏基的厚度不小于跨度的1/71/8時，對帶柱帽平板 1/101/12 時，筏基配筋不再區(qū)分柱下板帶和跨中板帶，一律平均配 置，以方便施工。 3.樁筏基礎(chǔ) 高層建筑樁筏基礎(chǔ)受力情況非常復雜，對于其準確的內(nèi)力計算非

11、常 困難，有關(guān)的國家規(guī)范、各地方的標準均未對高層建筑樁筏基礎(chǔ)承 臺板的計算方法進行詳細規(guī)定，一般僅籠統(tǒng)的提示采用考慮地基 -基 礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)共同作用的電算法或倒樓蓋法等簡化計算，倒樓蓋法等 簡化計算一般僅考慮局部彎矩，應用時有很大的局限性，而考慮地 基-基礎(chǔ) -上部結(jié)構(gòu)共同作用的電算法雖然可行，但計算工作量大， 且因各分析軟件對上部結(jié)構(gòu)剛度、節(jié)點約束等處理的不同，經(jīng)常導 致不同軟件計算結(jié)果差異很大，因此高層建筑樁筏承臺板的計算是 一個十分重要但至今仍未很好解決的問題，目前各設計院均采用計 算機進行內(nèi)力分析，再用傳統(tǒng)方法進行復核。 筏形基礎(chǔ)下樁的布置，宜優(yōu)先考慮布置在墻下、梁板式筏形基礎(chǔ) 的梁下

12、或平板式筏形基礎(chǔ)的柱下，以減少承臺筏板的厚度以及內(nèi) 力。 針對高層建筑樁筏基礎(chǔ)傳統(tǒng)設計方法帶來的碟形差異沉降問題和 主裙樓的差異沉降問題，新的行業(yè)標準建筑樁基技術(shù)規(guī)范 (JGJ94-2008)提出了變剛度調(diào)平設計新概念，其基本思路是：考 慮地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用，對影響沉降變形場的主導因 素樁土支撐剛度分布實施調(diào)整，“抑強補弱：，促使沉降趨向均 勻。具體而言，包括高層建筑內(nèi)部的變剛度調(diào)平和主裙房間的變剛 度調(diào)平，對于前者，主導原則是強化中央，弱化外圍，對于荷載集 中，相互影響大的核心區(qū)，實施增大樁長或調(diào)整樁徑、樁距；對于 外圍區(qū)，則減少布樁，布較短樁，發(fā)揮承臺承載作用。調(diào)平設計過 程就

13、是調(diào)整布樁，進行共同作用迭代計算的過程。對于主裙樓的變 剛度調(diào)平，主導原則是強化主體，弱化裙房，裙房采用天然地基是 首選方案，必要時采取增沉措施，當主裙樓差異沉降小于規(guī)范容許 值時，不必設沉降縫，甚至后澆帶也取消。 在樁直徑大小的選擇上要進行研究分析，對于摩擦型樁，應盡 量選擇混凝土體積小而表面積大的樁徑，如800mm的樁每立方M 混凝土可提供5m2/m3表面積，而1000mm的樁每立方M混凝土只 能提供4m2/m3表面積，因此對摩擦型的小直徑樁每立方 M混凝土 可提供的樁基承載力要比大直徑樁大，相應造價就低。 當選用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)方案時，如果條件允許，宜優(yōu)先考慮采 用后注漿技術(shù)，可以提高單樁

14、承載力，減少基礎(chǔ)沉降量，普通灌注 樁的樁端沉渣現(xiàn)象也不復存在。鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)目前在工程 中已經(jīng)得到了廣泛的應用，取得了良好的效果。 四. 結(jié)束語 以上對幾種常見的地基基礎(chǔ)類型簡要進行了分析，并提出了設 計上的一些建議，供同行們借鑒和參考，限于作者水平，有不當或 錯誤之處，歡迎指正 參考文獻 1 李華亭 王立超 李鑫 李健 柱下基礎(chǔ)設計新思路 第二十屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學術(shù)交流會論文集 P991996 2008年 6 月 2 李國勝 多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化與合理構(gòu)造 P4748 2008年 12 月 3 蘭倩 杜永峰 高層建筑筏形基礎(chǔ)受力實驗研究及拓撲優(yōu)化 第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學術(shù)交流會論文集 P1054 2004年 10 月 4 李華亭 張冬云 巖土地基中高層建筑地下室的設計 第十七屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學術(shù)交流會論文集 P65