筏板基礎設計與計算方法研究

趙冬林+田燕霞

摘要：筏板基礎設計與應用，重點在于從基礎板理論分析與作用效果分析上，來優化計算思路，提升筏板基礎設計有效性，降低基礎沉降變化，增強地基承載力和穩定性。

關鍵詞：筏板基礎；設計方法；計算優化；方法研究

中圖分類號：TU222文獻標識碼：A文章編號：1671-864X（2016）10-0 182 -01

筏板基礎設計關系到建筑工程基礎的穩定性優劣，特別是在提升基礎整體性、增強基礎剛度和抗震性上具有突出優勢。由于筏板基礎受力機理復雜，在對不同建筑結構基礎承載力的影響分析上，還具有多樣性。因此，為了提升建筑基礎穩定性，減少不均勻沉降可能帶來的安全隱患問題，很有必要通過筏板基礎計算分析方法的對比，來優化筏板基礎設計方能，提升筏板基礎的應用水平。當然，在筏板基礎設計方法上，一種是簡化處理法，一種是理論分析法，還有共同作用分析法。本文將針對三種計算方法展開探討，并對其優劣勢進行歸納，為相關技術人員提供參考和借鑒。

一、筏板基礎簡化設計法

從筏板基礎結構來看，由于地基、基礎、上部結構三者在受力上的多變性，在簡化算法中將之作為整體來進行靜力計算，并完成對工程設計的運用。由于基礎底板條件具有差異性，不同筏板基礎設計方法，對其基底反力作業分析也不同。以框架結構為例，對于上部結構中的柱嵌結構，按照結構力學要求可以得出其上部內力，而對于底層軸力、柱腳處彎矩反向作用力，主要是有基礎板來承受，并與上部結構荷載形成共同承受地基反力。可見，在對框架結構筏板基礎進行簡化計算時，需要從基礎自重、地基土重及靜力結構平衡上，假設基礎是剛性的，其受力結構是垂直分布的，然后依照結構力學方法來求解基礎板內力，最后再將基礎比作柔性的，以荷載方式來求解平均反力帶來的地基變形。因此，從簡化方法來看，其假設與整個結構應力狀態存在不符合，主要適宜總荷載與總反力平衡條件，而未對基礎與上部結構之間，以及基礎與地基之間的作用力進行考慮，從而難以避免上部結構帶來的給地基基礎的荷載，帶來與實際應力分布的偏差。當然，該方法在計算基礎板內力及地基反力上也存在偏差。

二、基礎板理論設計法

根據基礎板理論，對于基礎板與地基可以作為整體，使其與上部結構分離，而上部結構所形成的荷載作用力，僅為滿足地基基礎與地基表面的靜力平衡，因此，通過對幾何學、物理學的簡化，可以實現對基礎內力與地基變形的簡化計算。首先，基礎板理論分析法可以歸納為四個部分。第一是結合不同地基工程實際，來搭建地基模型，并從地基壓力與沉降變化上優化數學表達式；第二是根據一般撓曲微分方程，結合基礎板受力分析，并從撓度、反力作用中來求解函數；第三是計算基礎的沉降變化，依托變形協同、靜力平衡條件，從地基基礎板受力作用與地基板地基壓力等值的分析中，將第一項得出的地基壓力代入第二項得出的地基反力微分方程中；第四是利用數學分析方法，對上述地基撓度、反力項微分方程進行求解，主要運用數學有限差分法、解析法、有限單元法、及加權殘數法等，來達到基礎板撓度及基礎板內力。很顯然，從本計算方法來看，其理論方法也忽視了對上部結構的影響，特別是在變形量分析上，可能帶來基礎內力的增大，導致偏差；另一方面由于基礎板自身的彎曲變形，也可能帶來對基礎上部結構的影響，因此，該方法適宜小型建筑框架結構，且對基礎剛度要求很高。

三、共同作用分析法

從筏板基礎設計與計算實際來看，由于存在上部結構、基礎、地基的三方作用，因此可以將三者作為整體來進行計算。共同作用計算法是通過對三方作用的理論分析，并從模型試驗、原位測試等方法分析中來提升共同作用分析法的計算精度。該方法主要應用于高層建筑、大型橋梁及糧倉、儲罐等建筑物、構筑物工程基礎模型設計中。在進行理論分析時，由于采用數值分析方法，需要對基礎土體及上部結構進行分析。一般表示為兩個步驟，一是對地基結構、地基動力反應的分析，二是對各單體反應及相互作用條件的分析，并獲得動力反應模型，來得出不同環節的基礎的振動阻抗，振動位移和外力關系；三是采用有限元分析法，通過對土體地震反應的分析，來探討地基基礎非勻質性及非線性動力特點，并綜合考慮多種因素來提升基礎筏板的設計準確性。四是采用混合法，將數值方法與解析方法進行綜合。如利用邊界元法與有限元法來進行綜合，也可以利用有限元與半無限元法進行綜合，從而提升筏板基礎的計算實效性。當然，利用模型試驗法，以及原位測試法，也可以從上部結構、地基、基礎的三方作用來獲得整體結構應力狀態。在基礎分析上，由于上部結構的貢獻，對整體彎曲變形來說，其作用會增加變形的次應力，提升結構的穩定性。

四、結語

由于筏板基礎設計方法較多，在對上部結構剛度足夠條件下，其對筏板基礎的荷載力，也成為筏板基礎的主要應力。因此，在進行筏板基礎應力分析上，應該考慮上部結構的影響，來充分發揮基礎材料的應力，增強基礎設計的合理性。同時，針對筏板基礎的整體彎曲應力變化，可能使得上部結構出現不同的應力分布，而增加了內力變化。因此在筏板基礎設計上，對上部結構的分析主要傾向于不安全性分析，需要對上部結構進行考慮來提升其共同作用力。最后，由于不同建筑工程筏板基礎的差異性，在對三方共同作用分析上，以整體受力分析更為合理，也減少了計算成本，便于實現基礎結構的經濟、安全、穩定目標。

參考文獻：

[1]孫峰，孔紀名，王杰，劉相.考慮共同作用下的筏板基礎厚度的設計方法研究[J].四川建筑科學研究.2012（05）.

[2]韓緒，王家林.無限元與有限元耦合在地基計算中的應用[J].土工基礎.2014（01）.