樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中若干問題探討

王前進(jìn)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市中各類高層建筑拔地而起，作為高層的基礎(chǔ)部分往往在整個(gè)建筑物投資中占據(jù)了很大的比例。而高層基礎(chǔ)往往采用樁基礎(chǔ)，因此，如何選擇合理的樁基礎(chǔ)形式，對(duì)于保證安全、節(jié)約投資、降低造價(jià)起著舉足輕重的作用。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)人員對(duì)每個(gè)建筑物的勘察報(bào)告進(jìn)行仔細(xì)分析，選擇一個(gè)最優(yōu)化的基礎(chǔ)方案。下面對(duì)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中值得注意的問題進(jìn)行探討。

1 高層帶裙房樁筏基礎(chǔ)

目前設(shè)計(jì)的項(xiàng)目大量涌現(xiàn)高層帶裙房及同一大面積地下室上有多棟高層和裙房，根據(jù)原規(guī)范樁基設(shè)計(jì)，均屬同一建筑物的基礎(chǔ)，樁基設(shè)計(jì)不宜采用不同樁型和不同持力層的規(guī)定，實(shí)際上主樓與裙房荷載差異懸殊，反映在樁的承載力水平也相差懸殊，采用相同持力層，裙房樁的承載力水平過高，制約裙房的變形，致使梁上出現(xiàn)裂縫，而大多數(shù)設(shè)計(jì)單位未按原規(guī)范建議設(shè)計(jì)考慮荷載和樁的承載力水平，采用不同持力層、不同樁型或不同布樁密度，使樁的承載力水平接近的原則，適當(dāng)考慮引起建筑物變形地基土的壓縮性及厚度因素，在承載力水平上予以增減，建筑物建成多年未發(fā)現(xiàn)過大的差異沉降致使梁出現(xiàn)裂縫，按變形協(xié)調(diào)的概念，尚需強(qiáng)化主樓的樁基，適當(dāng)弱化裙房的樁基，方能達(dá)到變形協(xié)調(diào)。

2 樁筏基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)測(cè)樁頂反力分布，在高層中心集荷部位，將樁的長(zhǎng)度加長(zhǎng)或樁徑增大，提高中心部位的樁土剛度，則筏板下的樁頂反力分布發(fā)生變化，成為外小內(nèi)大狀態(tài)，筏板的變形隨之趨于平緩。

變剛調(diào)平的概念設(shè)計(jì)基本思路為樁、土與上部結(jié)構(gòu)共同作用，對(duì)其沉降變形的主導(dǎo)因素是對(duì)樁土支承剛度分布進(jìn)行調(diào)整，使其沉降變形均勻，一般有以下三種措施:1)中心部位樁適當(dāng)加長(zhǎng);2)中心部位樁布樁加密處理;3)中心部位樁的樁徑加大。

上述三種措施可以單獨(dú)使用也可疊加使用，使中心部位樁土剛度得以加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)平，因概念設(shè)計(jì)是不能用精確計(jì)算表達(dá)式或成熟分析軟件，但是一種可通過變剛度設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際存在的欠缺進(jìn)行彌補(bǔ)的設(shè)計(jì)理念。

3 樁的承載力水平接近

所謂樁的承載力水平是指承臺(tái)樁或剪力墻下樁承載力發(fā)揮的程度，一般是指估算樁承載力值或現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)確定的樁承載力值(R為設(shè)計(jì)值，Ra為特征值)，按充分發(fā)揮的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使各承臺(tái)樁或剪力墻下的樁承載力值比較接近，使各承臺(tái)或剪力墻結(jié)構(gòu)的變形比較接近，可減小差異沉降。對(duì)于底面積較大的建筑，存在應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)問題，由實(shí)測(cè)情況可知，在中心部位加密布樁，說明考慮中心部位集荷而布樁加密，也就是使筏板下樁承載力水平接近，實(shí)驗(yàn)D中心部位樁加長(zhǎng)，當(dāng)施工荷載均達(dá)40%總重時(shí)，實(shí)驗(yàn)C的筏板的變形，差異沉降大，且呈盆形變形，而實(shí)驗(yàn)D差異沉降大幅度減小，且呈鞍狀變形，說明即使樁承載力水平接近設(shè)計(jì)，尚須在中心部位加強(qiáng)樁土剛度，承臺(tái)樁承載力水平接近設(shè)計(jì)并按平均樁承載力值在中心部位提高5%～10%，按提高承載力值進(jìn)行換算樁長(zhǎng)和樁徑設(shè)計(jì)，可減少差異沉降，滿足變形協(xié)調(diào)。

4 多層框架承臺(tái)樁

滿足變形協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)對(duì)于量大面廣的多層框架住宅，采用獨(dú)立承臺(tái)的樁基也需考慮變形協(xié)調(diào)，對(duì)各承臺(tái)下樁的承載力水平需進(jìn)行控制，并達(dá)到使樁的承載力水平接近。傳統(tǒng)樁基設(shè)計(jì)理念，首先確定樁型和樁徑，然后對(duì)照地質(zhì)資料選定的持力層進(jìn)行單樁承載力的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算值按Nmax控制的設(shè)計(jì)荷載組合(設(shè)計(jì)值 R)或Nmax標(biāo)準(zhǔn)荷載組合(特征值 Ra)的軸壓力平衡設(shè)計(jì)。例如:計(jì)算結(jié)果需2.1根樁按3根樁布樁設(shè)計(jì)，相鄰承臺(tái)樁計(jì)算結(jié)果3.9根樁按4根樁布樁設(shè)計(jì)選用，相鄰承臺(tái)下的樁承載力水平相差50%，顯然會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相鄰承臺(tái)間的差異沉降。對(duì)于不均勻沉降敏感的框架結(jié)構(gòu)來說，在框架梁構(gòu)件上次應(yīng)力而導(dǎo)致梁上裂縫產(chǎn)生。在房屋安全鑒定過程，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)非受力的梁上裂縫，尤其是商品住宅，出現(xiàn)的裂縫尚未達(dá)到威脅建筑安全的程度，但法律糾紛難以避免。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的獨(dú)立承臺(tái)樁基設(shè)計(jì)也需調(diào)平樁的承載力水平，使建筑物的變形協(xié)調(diào)。本文認(rèn)為也需變更傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，宜根據(jù)上部荷載組合計(jì)算確定的框架柱不同的軸壓力，各柱軸壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求出近似的最大公倍數(shù)，確定合理的單樁承載力，然后根據(jù)該值選擇樁的持力層及樁型、樁徑，原則上飽和軟黏土地層，宜采用最少樁數(shù)的承載力值，也就是盡可能提高樁的承載力值，減少樁數(shù)使施工沉樁擠土引起對(duì)樁體及周鄰環(huán)境影響，達(dá)到降低造價(jià)的優(yōu)化方案，對(duì)于少數(shù)及個(gè)別承臺(tái)樁采用調(diào)節(jié)樁長(zhǎng)和樁徑，調(diào)整到使各承臺(tái)下樁的承載力水平接近，滿足整體建筑物柱下樁基的變形協(xié)調(diào)。

5 工程地質(zhì)勘察

一般勘察部門對(duì)高層建筑的工程地質(zhì)勘察比較重視，且報(bào)告內(nèi)容較完整，但多層建筑工程地質(zhì)勘察工作無論鉆探布孔、鉆探深度及提供設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，對(duì)滿足概念設(shè)計(jì)要求尚有較大差距，主要如下:

1)勘探手段單一，無控制性勘探孔或數(shù)量不足，鉆探深度不能滿足變形計(jì)算的要求，甚至存在樁長(zhǎng)超過鉆孔深度現(xiàn)象，控制樁端下壓縮層深度不夠，多層建筑未提供第二樁端持力層土性指標(biāo)等。不能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)樁長(zhǎng)變剛度設(shè)計(jì)。2)變形計(jì)算的主要指標(biāo)土的壓縮模量，未按工程設(shè)計(jì)所需深度土的自重壓力與附加壓力之和進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和提供分層指標(biāo)、e—p曲線。

上述情況與勘察單位的資質(zhì)有關(guān)，也與勘察人員對(duì)設(shè)計(jì)荷載情況了解程度有關(guān)，所以概念設(shè)計(jì)尚需設(shè)計(jì)與勘察部門緊密的配合和相互專業(yè)滲透，方能獲得符合設(shè)計(jì)要求的勘察報(bào)告。

6 結(jié)語(yǔ)

1)樁筏基礎(chǔ)按均勻布樁的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)測(cè)筏下樁的承載力水平相差懸殊，樁頂反力呈外大內(nèi)小，樁土剛度呈外強(qiáng)內(nèi)弱，導(dǎo)致筏基盆形沉降，從而加大筏板承臺(tái)的整體彎矩及中心部位沖切力，采用加厚筏板厚度或增大剛度的箱樁基礎(chǔ)，既增加造價(jià)又影響使用。采用變剛度調(diào)平控制筏板承臺(tái)下實(shí)際樁的承載力水平調(diào)整筏板承臺(tái)下樁的反力，增強(qiáng)中心部位的樁土剛度，既可有效發(fā)揮樁的承載性狀，降低筏板厚度，又可減少差異沉降。2)多層框架結(jié)構(gòu)按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，獨(dú)立承臺(tái)的樁型，部分承臺(tái)下樁的承載力水平相差懸殊，出現(xiàn)相鄰承臺(tái)的差異沉降加大，導(dǎo)致不均勻沉降敏感的框架結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)因過大的次應(yīng)力而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫;且部分樁的承載性狀不能有效發(fā)揮，致使造價(jià)提高，采用調(diào)整承臺(tái)下樁的承載力水平，使承臺(tái)下樁的承載力水平接近，有效發(fā)揮各樁的承載性狀，且承臺(tái)間差異沉降減小，又可降低造價(jià)。3)變剛度調(diào)平及控制承臺(tái)下的樁承載力水平應(yīng)按地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)剛度及荷載條件而定，高層帶裙房及共用樁筏基礎(chǔ)的多棟高層及裙房，控制筏板承臺(tái)下樁的承載力水平前提下，樁的設(shè)計(jì)按荷載狀況可采用不同的持力層及可靠質(zhì)量的不同樁型，運(yùn)用樁、土及上部結(jié)構(gòu)共同作用的概念設(shè)計(jì)達(dá)到變形協(xié)調(diào)，也可采用變更樁徑和樁長(zhǎng)，增強(qiáng)中心部位的樁土剛度，達(dá)到調(diào)平為宜。4)獨(dú)立承臺(tái)和剪力墻結(jié)構(gòu)按靜力平衡承臺(tái)下樁及沿剪力墻布樁也存在“應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)”問題，如果樁的承載力水平接近，差異變形比厚板樁筏基礎(chǔ)要小，如果在中心部位樁的承載力水平提高5%～10%，基本可達(dá)到調(diào)平，而且造價(jià)較低。

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