基于差異沉降控制的基礎設計方法研究

朱兵見，溫高原

（臺州學院 建筑工程學院，浙江 臺州 318000）

基于差異沉降控制的基礎設計方法研究

朱兵見，溫高原

（臺州學院 建筑工程學院，浙江 臺州 318000）

沉降縫、后澆帶和整體連接是控制建筑物各部分之間發生差異沉降的主要做法。參照工程實例，總結了三種現行方法的構造、特點及其應用。分析表明：沉降縫安全合理，但后續施工中對縫隙的蓋縫處理較難；后澆帶是建筑與結構設計中針對差異沉降采用的折中方案，在一定范圍內能起到較好的效果；整體連接方式通過基礎及結構的剛度來調整不均勻沉降，施工方便，但對基礎的要求較高，有待進一步的理論研究分析和工程實踐檢驗。伴隨著計算機數值分析技術的發展，整體連接方式必將得到廣泛應用。

差異沉降；基礎設計；沉降縫；后澆帶；整體連接

1 引言

地基基礎設計是建筑設計的重要組成部分，必須根據建筑物的用途和安全等級，場地的工程地質和水文地質條件，以及上部結構形式和施工技術條件等方面的要求，綜合考慮后進行。為防止建筑物各部分由于不均勻沉降引起房屋破壞所設置的垂直縫稱為沉降縫。當一幢建筑物建造在不同土質且性質差別較大的地基上，或建筑物相鄰兩部分的結構形式、荷載和高度差別較大，以及相鄰墻體基礎埋深相差懸殊時，為防止建筑物出現不均勻沉降而導致墻體發生錯動開裂，應在沉降差異處設置貫通的垂直縫隙，將建筑物劃分成若干個可自由沉降的獨立單元。按現行規范要求，在高層建筑與裙房間必須設置沉降縫或后澆帶。［1］沉降縫是從建筑物基礎到屋頂全部貫通，沉降縫寬度與地基性質和建筑高度有關。沉降縫的構造與伸縮縫基本相同，但蓋縫的作法，必須保證相鄰的兩個獨立單元能夠自由沉降。沉降縫因其基礎也要斷開的特殊性為建筑物特別是高層建筑物的基礎處理帶來了很大的困難，而不同的結構所采取的沉降縫基礎處理方式也就有了不同。這里就設置沉降縫和不設置沉降縫這兩種常用結構的基礎處理方式做簡要的闡述。

2 設置沉降縫

2.1 挑梁基礎

基于砌體結構層數少，荷載小的特點，工程中可采用懸挑基礎來處理，即在沉降縫一側墻的基礎按正常設置，另一側的墻體由懸挑的挑梁承擔，挑梁梁端另設基礎梁和輕質隔墻。形式可參考圖1，具體計算方法可參照懸挑梁基礎驗算。［2］

當框架結構層數較少，且地基承載力較大時，可以對挑梁基礎做進一步的改進及采用懸挑式基礎，與磚混結構相比，不同的是承重墻被承重柱所代替，因此對柱下基礎的抗沖切能力和對懸挑梁的抗傾覆能力有了更高的要求。懸挑基礎計算可分為兩部分：一部分為懸挑梁的計算，另一部分為懸挑梁下基礎寬度的計算。懸挑梁可按鋼筋混凝土構件計算，懸挑梁伸入墻內長度應不少于1～2個開間。此伸入長度不能僅滿足抗傾覆要求，而主要由基礎底部反力而定，具體計算這里不再敘述。

懸挑梁下基礎寬度的計算，我們可假設認為懸挑部分的豎向力沿開間方向傳至1～2個開間（即懸挑梁伸入基礎的長度），進行計算。依這樣的假設，懸挑基礎邊緣基礎底部反力較大，懸挑梁尾部基底反力趨近為零。顯然此假設與實際并不吻合。實際上，懸挑梁具有相當大的剛度而與建筑物已形成一體，已不在是一單獨構件。不管是砌體結構還是框架結構，我們在設計的時候都會盡量增大其整體性，所以考慮整個房屋結構的共同作用，我們的假設計算是偏于安全的。懸挑梁下基礎寬度計算參數見圖1.

根據上述剖面圖中的F1、F2、q即可求出上部荷載作用的合力F及其形心位置，根據力的平衡及Pmax≤1.2f即可求出基礎寬度。在實際工程中，根據Pmax≤1.2f求得的基礎寬度是Pmax處最大寬度，這個寬度可近似取1個開間，其他部位基礎寬度可按無挑梁情況下計算寬度配筋即可［5］。

從理論上講，懸挑板基礎相對于懸挑梁基礎來說，受力更加合理一些。其計算依據等同于懸挑梁。從懸臂梁的外形可以看出，該處理方案非常適用于對建筑物的改造，特別對那些原有建筑物基礎埋深較深時，采用該形式基礎相對方便。因該基礎形式基底反力不均勻，受力較復雜，所以在施工懸挑基礎中，拆模時同樣必須拆除懸挑下所有模板支撐，以確?；A間相互獨立，互不影響。

圖2 雙墻基礎示意圖Fig.2 Schematic diagram of the foundation of double-wall

圖1 挑梁基礎示意圖Fig.1 Schematic diagram of the foundation of cantilever beam

2.2 雙墻方案

即在沉降縫兩側都設承重墻，以保證每個獨立單元都有縱橫墻封閉聯結，結構整體性好。在兩承重墻間距較小時，為克服基礎的偏心受力，可采用在平面布置上為兩排交錯設置的獨立基礎，上放承重墻的基礎梁。

2.3 偏心基礎

當荷載較小，地基承載力又相對較高，可在雙墻的基礎上進一步對基礎進行改動，即可采用偏心基礎設置沉降縫（假設沉降縫兩側墻體為240mm），將交錯布置的獨立基礎并排布置在承重墻的下面。偏心式基礎設計模型明確，計算過程和普通基礎相比只是多了組合偏心距的計算，因為荷載的較大偏心作用，基礎的沖切作用面積將增加，基礎的高度和基礎底部的配筋將隨之增大。［3］但實際施工并不復雜，其缺陷是所建的建筑物相對層數較少（一般三層左右）?；A簡圖如圖2所示。［4］

2.4 跨越式基礎

框架結構另外一種沉降縫地基處理方法便是跨越式基礎，特別是對新建建筑物。該方案基底反力分布比較均勻，概念清楚，并且相互獨立，自由沉降，從目前來看是最合理的。其計算依據為將條形基礎分割為若干獨立基礎，各獨立基礎的面積根據各獨立基礎上的豎向荷載設計值確定。沉降縫兩側墻體分別砌筑在各自獨立基礎上的連續梁上。施工時應注意拆模時必須拆除連續梁底模板，沉降縫處側?？捎镁郾桨澹源_?；A能相互獨立，自由沉降，見圖3。

圖3 跨越式基礎分析圖Fig.3 Schematic diagram of the leaping foundation

但此基礎形式設計不易表達清楚，施工也較復雜，在工程中運用也比較廣泛。如某小區經濟適用住宅樓的沉降縫基礎處理實例，見圖4。該沉降縫兩側，一側為樁基，樁端落在基巖上，一側為鋼筋混凝土條形基礎。因為兩側結構差異沉降過大，最終將方案做了以下改進：將33軸鋼筋混凝土條形基礎分為幾個板塊并伸入到32軸樁基之間，板塊猶如橋墩來支承上部荷載。在設計時根據地基承載力特征值，適當考慮經驗系數來確定板底面積。此方法使山墻的荷載由懸挑承載轉變為軸心承載，解決了原設計的弊端。從理論上看，該設計變更受力明確合理，并且構造清晰明了，縮小了沉降量，而且施工方便，降低了工程造價，確保了結構安全可靠性。根據后來對主體結構的相關觀察，沉降縫兩側主體結構的豎向沉降和水平伸縮互不影響，達到了預期效果。［6］

圖4 跨越式基礎實例圖Fig.4 Example diagram of the leaping foundation

3 不設置沉降縫

3.1 后澆帶處理

從上述沉降縫的處理方案上我們可以看出這些變形縫處往往出現雙梁、雙樁、雙墻，因而使結構變的復雜化，施工也麻煩，有時甚至為建筑功能所不允許。一般當裙房伸出長度不大于底部長度的15%（或10米）時，由于應力擴散作用，裙房和主樓基底附加應力相差不大，可以不設沉降縫。若樁的持力層是基本上是不可壓縮的巖石，且建筑沉降完成較快，也就是說所留后澆帶補澆混凝土后，連成整體的結構完全可以承受剩余沉降差產生的結構內力，則可以設臨時變形縫，即后澆帶。設置后澆帶需要對裙房相應的梁板加強配筋。鋼筋連通，先施工主樓，待主樓封頂，再施工裙房，待兩步分沉降基本穩定后再澆后澆帶。對高壓縮性土地基，建筑物在今后的使用階段所產生的最終沉降量仍有可能產生結構難以承受的內力和變形，從而造成結構的過大的裂縫，因此還是不容忽視的。要解決地基的沉降差異問題，僅靠設后澆帶這一項措施有時也是不可靠的。所以要根據設計條件計算基礎沉降和沉降差，確定是否可以采用后澆帶的處理方法。［7］

底板后澆帶是地下防水工程中的薄弱環節。工程中常用的處理做法如圖5，6所示。

圖5 地下室底板后澆帶詳圖Fig.5 Example diagram of the construction post-cast strip in the floor of basement

圖6 地下室墻體后澆帶詳圖Fig.6 Example diagram of the construction post-cast strip in the roof of basement

3.2 主樓和裙房整體連接

主樓和裙房整體連接，就是主樓與裙房之間既不設置沉降縫也不設置沉降后澆帶，而是施工時直接連接成一個整體，通過基礎及結構的剛度來調整不均勻沉降。由于整體連接方式施工方便、施工質量容易保證，且已施工的結構可以隨時投入使用，節約了施工成本，建造成本的回收時間提前，因此主樓和裙房基礎連接也是大部分主裙樓結構連接的發展方向。大底盤高層建筑隨著主樓外裙房面積的增大，厚筏基礎的變形特征逐漸由剛性、半剛性特征表現為柔性特征，裙房結構以及厚筏基礎起到一定的擴散荷載及調整不均勻沉降的作用。通過合理的設計，當主樓和裙房的差異沉降控制在規范許可的范圍內時，可以實現主樓和裙房基礎的整體連接。但是主樓和裙房一體又會牽涉到一系列的問題，比如是否有足夠的剛度抵抗不均勻沉降引起的剪力，偏心受壓時基礎設計需要注意哪些特殊的問題，實際運用中是否可以簡化等等。所以盡管現在有很多類似的工程案例，但大多都是根據經驗計算，精確的結果仍需要進一步驗證。［8］

3.3 主樓和裙房采取不同基礎形式

主樓與裙房基礎相連設計可考慮采用協調二者基礎沉降的方法，即采取可靠措施將高層主樓部分的沉降減至最小，低層裙房部分的沉降在保證基礎承載能力和穩定性的前提下適當增大，以減小二者之間的沉降差。當主樓層數多或地質條件差時，需要采用樁箱或者樁筏基礎，層數小時也可以考慮采用剛性樁復合地基。裙房部分基礎可采用天然地基上的獨立基礎、條形基礎或者格式基礎。水位高時，格式梁之間增設抗水板，也可以在梁板式筏型基礎的中間板下敷設苯板、爐渣等材料以增加局部沉降量。這些都是裙房的增沉、減小主裙沉降差異的有效措施。另一方面，設計中要考慮基坑開挖時地基土回彈再壓縮對減小主裙差異沉降的效應。高層建筑一般均設地下室，裙房多數設計為天然地基，建造完成以后產生回彈再壓縮，因此使得主裙差異沉降減小，基坑開挖深度愈大、裙房荷載越大，主裙差異沉降也就越小。設計時，應綜合分析上述因素，考慮主樓與裙房的相互作用決定是否需要以及采取何種減小主裙差異沉降的措施。［10］

4 結語

常規的處理基礎沉降縫的做法，經過長時間的實踐都具有很大的可行性，但在沉降縫具體設計時需針對具體情況靈活處理。總的來說各種處理方式有一下優缺點：

（1）設置沉降縫的雙墻方案、懸挑方案以及跨越式基礎相對比較安全合理，但后續施工中對縫隙的蓋縫處理麻煩，不適用于一些對建筑立面有較高要求的建筑，其次也容易出現滲水漏水問題。同時會給采暖通風電氣管線的設置帶來不便，從抗震性能來看，震害表明，設縫的建筑大多發生由于或輕或重的碰撞造成的局部破壞。

（2）不設置沉降縫的后澆帶方案滿足了建筑立面的整體性，是處理建筑與結構在沉降縫方面矛盾的折中方案，在一定長度范圍呢能起到較好的效果，但其最大弊病就是施工處理的麻煩，對工期也有很大的影響，所以后澆帶的設置部位應更多考慮施工方便，后澆帶的成本增加主要體現在整個工程工期的拖長，以及給地下室防水工作，管道安置帶來了一定的麻煩。

（3）主裙樓整體連接方案施工方便，最大程度上節約了施工時間，但對基礎的要求較高，且目前這方面的理論研究尚不完善，有待進一步的理論分析和工程實踐檢驗。

［1］陳祥福，邵偉，薛慶峰，申明亮.高層建筑與裙房間無沉降縫設計與工程實例［J］.地下空間與工程學報，2010，6（4），815-820.

［2］李小峰，陳質文.關于懸挑式基礎沉降縫結構設計若干問題的探討［J］.林業科技情報，2008，40（2），46-47.

［3］Randoph M F.Wroth C P.An analysis of the vertical deformation of pile groups ［J］.Geotechnique，1979，29（4）：423-439.

［4］建筑制圖標準（GB/T 50104—2001）.中華人民共和國國家標準［S］.北京：中國計劃出版社，2007.

［5］明華.土力學與基礎工程［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2003.

［6］胡佳泉，汪一鳴.黃山市天都小區經濟實用住宅樓沉降縫基礎處理工程實例［J］.安徽建筑，2006，（5）：125-126.

［7］沈勵操，鄭永強，仲崇民，魯寧.高層建筑與裙房基礎連為整體時的沉降觀測及分析［J］.建筑結構，2007，37（10）：78-81.

［8］王曙光，滕延京.大底盤建筑主裙樓基礎整體連接的可行性與適用性研究［J］.土木工程學報，2010，43（2）：95-99.

［9］樓曉明，劉建航.建筑物沉降縫寬度的確定方法［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2004，32（2）：147-151.

［10］王濤.帶裙房高層建筑樁基優化設計與樁土相互作用影響系數的試驗研究［D］.北京：中國建筑科學研究院博士學位論文，2007.

Study on Foundation Design Based on Differential Settlement Control

ZHU Bing-jian，WEN Gao-yuan
(School of Civil Engineering and Architecture,Taizhou University,Taizhou 318000,China)

Settlement joint,post-cast strip and integral connection are the three major methods to control differential settlement in foundation design. The construction practices, characteristics and application of different methods in current foundation design are summarized according to engineering examples. It shows that settlement joint is safety and reasonable while seam processing is difficult in the following construction. Post-cast strip is a compromise solution to deal with differential settlement in the design of architecture and structure.It is effective in a certain range.The mode of integral connection has the advantages of convenient construction.The differential settlement can be controlled by adjusting the foundation rigidity and structure rigidity. Because of the high requirements of foundation,it needs further theoretical research and engineering practice.The mode of integral connection will be widely used with the development of computer numerical analysis.

differential settlement;foundation design;settlement joint;post-cast strip;integral connection

周小莉）

TU470+.1

A

1672-3708（2011）06-0057-06

2011-03-20；

2011-10-17

浙江省教育廳項目（Y200906988）資助

朱兵見（1 9 7 4- ），女，山東費縣人，碩士，講師，主要從事基礎工程教學和研究。