大底盤高層建筑基礎設計方法探索

王曉琳 東 芳

(1.北京市弘都城市規劃建筑設計院，北京 100045;2.中國核電工程有限公司，北京 100840)

1 概述

大底盤高層結構的主樓與裙房的層數相差較多，但由于建筑功能要求，一般不設置沉降縫。此類工程建筑形體復雜，高低錯落，上部荷載分布不均，基底壓力差異明顯。主樓的基底壓力較大，而裙房與純地下室部分的地基往往處于補償，甚至超補償狀態。

大底盤高層結構基礎的受力狀態也很復雜。地基的沉降差異使結構產生不利的次生應力，造成結構安全度降低，因此應采取措施減小差異沉降，并合理估算差異沉降和由此產生的基礎內力，作為基礎設計的依據。

2 減小差異沉降的措施

2.1 設置沉降后澆帶

大底盤高層建筑在主樓與裙房間設沉降縫時會造成主樓的嵌固作用削弱，因此不宜設置。沉降后澆帶由于只是施工期間留置，對結構整體性不造成影響。沉降后澆帶一般設置在主樓與裙房交界處，裙房一側的第一跨或第二跨，由裙房基礎至屋頂每層設置。在結構封頂后，沉降觀測結果趨于穩定，后期沉降滿足設計要求時，方可對后澆帶進行合縫。

2.2 地基基礎變剛度的概念設計

1)合理選擇基礎形式，調整基底壓力。通過合理選擇主樓與裙房的基礎形式，可以調節基底壓力，平衡各部分的地基沉降，減少基礎的附加內力。主樓基礎一般采用剛度較大的筏型或箱型基礎，可以利用外挑方式擴大基礎面積，降低基底壓力。裙房部分的基礎形式選擇應以充分利用地基承載力為原則，盡量采用獨立柱基或條基加抗水板的形式。

2)加強地基剛度，降低差異沉降。傳統思路解決差異沉降的方法是加強基礎的剛度，以抵抗差異沉降產生的附加內力。這種做法會造成結構造價增加，沒有解決沉降差異的根本問題。當主樓層數較高時，這種做法難以實現。采用CFG樁復合地基和樁基礎可以提高主樓的地基承載力和剛度。對于上部荷載分布不均勻的情況，可以調節樁的疏密以及樁長，使上部荷載與地基剛度相協調。通過對地基的變剛度處理，降低地基的沉降差異，減小基礎的附加內力。

3 基于規范沉降分析方法的基礎設計

3.1 分層總和法沉降計算

根據《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范》，當高層建筑的基礎埋置較深，考慮地基土回彈再壓縮和正常固結壓縮的實際加載變形過程，按下式計算最終沉降量:

采用分層總和法計算地基沉降存在以下問題:地基沉降是基底附加壓力作用下得到的，無法計算基底附加壓力為零或負值時的地基變形;地基沉降未考慮基礎及上部結構剛度的影響，沉降計算結果與實測值差別較大;不同荷載分布產生的地基沉降量是通過角點法疊加產生的，當基礎面積較大，建筑體型非常復雜時，難以計算各點沉降量。分層總和法適用于荷載分布比較規則的基礎的沉降分析，其計算過程簡單，計算參數多數是通過查表得到的。

3.2 高層住宅與地下車庫連體結構基礎設計

高層住宅地下室一側或兩側與多跨車庫相連形成大底盤結構。高層住宅一般采用剪力墻結構體系，上部結構剛度較大，地下車庫一般為框架結構。主樓范圍的基底壓力明顯集中，而地下車庫的基底壓力較小。根據以上特點，可以清晰的判斷地基的差異沉降出現在車庫與主樓的交界處。其他部分可不考慮地基附加沉降對基礎的影響。主樓的基底壓力相對均勻，與車庫的結構剛度差距明顯，比較適合采用分層總和法計算地基沉降。地基的沉降差主要是由主樓的地基沉降產生的。

3.3 實例

某高層住宅項目，主樓為12層剪力墻結構，與地下車庫連為整體。車庫地下2層，上有2.2 m覆土。基底持力層為新近沉積的粉質粘土，地基承載力100 kPa。由于地基承載力不高，車庫基礎采用了梁板式筏型基礎，地基為天然地基。主樓采用筏板基礎，地基為CFG樁復合地基。為減小沉降差異，在車庫與住宅交界處設置沉降后澆帶。本工程車庫為兩層框架，基礎梁按跨的1/6控制梁高，根據規范的要求，后澆帶可設置在車庫與主樓相鄰的第二跨。依據分層總和法進行沉降計算，主樓在與車庫交界處地基沉降最終值為23 mm。本工程主樓施工期間的沉降取最終沉降量的30%，合縫后的沉降為16 mm，后澆帶兩側的差異沉降為16 mm。后澆帶所在跨的跨度為8 m，局部傾斜為0.002，滿足規范要求。

4 基于地基與基礎的協同分析的基礎設計

4.1 協同分析的必要性

由多棟高層和低層建筑組成大底盤結構高層建筑上部荷載分布不均勻，主樓和裙房的結構剛度差別較大，在進行基礎分析時，應考慮地基、基礎以及上部結構的共同作用。考慮地基與基礎協調作用，所得的沉降分布比一般自由沉降分析接近實際，而準確預測建筑物的沉降值將是影響其地基方案可行性和建筑質量安全的重要條件。通過協調分析了解不同基礎剛度對沉降調整能力的差異，有利于合理選擇基礎方案。

4.2 SFIA 方法

SFIA是北京市勘察設計研究院編制的“高層建筑地基與基礎協調分析軟件”。該方法是根據建筑物基礎的剛度情況，采用交叉梁的假設以及差分法，在縱橫交叉梁交匯處的計算節點上建立起基礎的位移方程，根據各節點的地層情況，并采用土的單向壓剪非線性應力應變本構關系，按照布辛斯克應力假設和分層總和法建立起地基柔度矩陣，從而列出地基沉降與基底反力的關系式。按照地基與基礎共同作用的原理，假設在各節點處基礎與地基的變形是協調一致的，由此獲得了以基底反力為未知數的協調方程，并求解出基底反力，然后再計算出各節點的沉降及基礎內力。

4.3 實例

某辦公樓項目地上由A區、B區辦公樓和C區報告廳組成，各區之間地上由抗震縫分開。辦公樓為框架剪力墻結構，層數分別為9層和12層，報告廳為3層框架結構。地下室4層，三區連成整體，下沉廣場和汽車坡道為純地下部分。基礎形式為整體式梁板筏基，A區和B區采用了CFG樁復合地基，C區和純地下室采用天然地基。本工程基礎埋置較深，低層裙房及純地下車庫的基礎處于超補償狀態，造成與其相鄰辦公樓結構部分基礎的側限約束條件被永久性削弱，對高層辦公樓地基承載力的深度修正帶來不利影響，也使本工程地基基礎共同作用條件趨于復雜。為了分析地基差異沉降，優化基礎設計方案，本工程采用了SFIA方法進行地基與基礎協調作用計算分析。本工程A區、B區辦公樓采用CFG樁復合地基方案，C區和純地下車庫采用天然地基方案。建筑物總沉降量不大，建筑物長期最大沉降量小于5.0 cm，建筑物整體傾斜均小于0.002，滿足規范要求。

5 結語

大底盤高層建筑地基沉降不均勻，使結構中產生次生應力，進而影響結構的安全度。在基礎設計中，應盡量采用設置沉降后澆帶，調整地基剛度等構造措施減小差異沉降。合理的計算地基沉降是分析基礎內力的前提，本文結合工程實例，分別提出了用于高層住宅與車庫連體結構的基于規范沉降分析的基礎設計方法，用于復雜高層公共建筑的基于地基基礎協調分析的基礎設計方法，從而提高了大底盤高層建筑基礎設計的可操作性和準確性。

［1］劉金礪.高層建筑地基基礎概念設計的思考［J］.土木工程學報，2006(3):21-23.

［2］DBJ 11-501-2009，北京地區建筑地基基礎勘察設計規范［S］.

［3］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范［S］.