淺析樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

徐祖林

1 工程概況

本工程位于海南省三亞市迎賓路，地下2層，地上裙房部分為5層，主樓部分為26層，總建筑面積54000m2，高度99.60m，為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，基本風(fēng)壓Wo=1.05kN/m2（本工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)由風(fēng)荷載控制）。擬建場(chǎng)地從上至下分別為：人工填土：①粉質(zhì)粘土；②砂礫；③粉質(zhì)粘土；④砂礫；⑤粉質(zhì)粘土；⑥砂礫；⑦粉質(zhì)粘土；⑧砂礫；⑨粘土；⑩粗砂；?粉質(zhì)粘土；?砂礫；?粉質(zhì)粘土；?砂礫；?粉質(zhì)粘土；?強(qiáng)風(fēng)化巖；?中風(fēng)化巖。強(qiáng)風(fēng)化巖位于基底約70m，地下水位常年較高，抗浮設(shè)計(jì)水位位于室外地面2m。由于地質(zhì)條件比較復(fù)雜，故需進(jìn)行綜合考慮地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，滿(mǎn)足既安全又經(jīng)濟(jì)的要求。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，主樓部分由于層數(shù)多且抗震墻基本布置在主樓部分，導(dǎo)致基底壓應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)地基承載力允許值（除非筏板向四周擴(kuò)展得很大）。而裙樓部分對(duì)地基產(chǎn)生的壓應(yīng)力亦達(dá)到210kPa。由于本工程地下室與大面積的地下商業(yè)街銜接成為一個(gè)整體，地基承載力經(jīng)過(guò)修正后的承載力亦無(wú)法滿(mǎn)足裙房部分不設(shè)樁的條件，另外由于裙房面積相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大，為了控制主樓與裙房之間的不均勻沉降，考慮到樁的存在對(duì)減少樁筏基礎(chǔ)的沉降有明顯效果，并使建筑物的整體橫向傾斜大大改善，使建筑物均勻沉降，故最終選定樁筏基礎(chǔ)。

3 樁土共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）的規(guī)定，在適當(dāng)加大樁間距，減少樁數(shù)，充分發(fā)揮筏板底的地基承載力是可行的，決定在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮樁土共同作用，讓樁間土承擔(dān)一部分上部結(jié)構(gòu)荷載。樁間土承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載的比例根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，高層建筑樁箱（筏）基礎(chǔ)在常規(guī)設(shè)計(jì)條件下，樁間土仍分擔(dān)上部荷載，樁間土地基反力略呈馬鞍形。在建筑物竣工時(shí)，箱（筏）底板可分擔(dān)小于26%的上部總荷載。在進(jìn)行樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)單樁反力值大于單樁豎向承載力特征值，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的情況，很多情況下設(shè)計(jì)人員習(xí)慣增加樁數(shù)，當(dāng)原有樁的單樁豎向反力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.2Ra，即1.2倍單樁豎向荷載承載力特征值時(shí)，增加樁數(shù)會(huì)比較合適，反之，這樣處理會(huì)造成浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì)。其實(shí)，當(dāng)原有樁的單樁豎向反力不是遠(yuǎn)大于1.2Ra，我們可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整樁筏部分的基底反力系數(shù)K值，以達(dá)到相應(yīng)增加地基土所承擔(dān)的反力，但又不超過(guò)地基土的承載力，從而降低樁端反力，達(dá)到使單樁反力值小于單樁承載力的目的，而不必用增加樁數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般而言，地基土所承擔(dān)的上部荷載值大概占10%左右為宜，此條與現(xiàn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范5.2.5條文說(shuō)明的分析數(shù)據(jù)一致，故在本工程中我們采用后者進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。

4 布樁方式

通常的布樁方式，是按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）表3.3.3的要求布置，對(duì)于樁筏基礎(chǔ)，為避免筏板沖切問(wèn)題，一般盡量把樁布置在混凝土墻的正下方，對(duì)于樁承臺(tái)基礎(chǔ)，在滿(mǎn)足單樁承載力的條件下，樁的布置盡量合理。在傳統(tǒng)的樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，主要采用等樁徑等樁長(zhǎng)等樁距布置。然而對(duì)本工程而言，由于上部荷載的不均勻性及受場(chǎng)地限制，若采用均勻布樁將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重心與基礎(chǔ)形心距離遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，同時(shí)也會(huì)使一些樁未能充分發(fā)揮作用，導(dǎo)致筏板出現(xiàn)較大的不均勻沉降。考慮到主樓和裙房的荷載差異性，為了便于調(diào)整樁的樁徑和長(zhǎng)度，故選用當(dāng)前建筑工程中大量使用的灌注樁。

為了使基礎(chǔ)受力更加合理，沉降更加均勻，本工程采用目前比較時(shí)興的變剛度調(diào)平的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種理論的樁位布置方式大體有如下幾種：等樁徑等樁長(zhǎng)不等樁距，不等樁徑等樁長(zhǎng)等樁距，不等樁徑等樁長(zhǎng)不等樁距，樁徑樁長(zhǎng)樁距均不等。針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置和受力特點(diǎn)，決定采用樁長(zhǎng)、樁距不等方式進(jìn)行布樁。主樓部分選用較密的樁長(zhǎng)41m、直徑800mm的混凝土灌注樁，承載力特征值為4000kN；裙房部分選用樁長(zhǎng)25m、直徑800的混凝土灌注樁，承載力特征值為2400kN。設(shè)計(jì)中通過(guò)不斷調(diào)整樁距及樁的承載力，以達(dá)到筏板形心與上部結(jié)構(gòu)重心基本重合的目的。

5 沉降計(jì)算

在試樁階段，本工程經(jīng)過(guò)靜載荷試驗(yàn)，在單樁達(dá)到極限承載力時(shí)，樁的沉降值在34～50mm之間。本工程在不考慮樁土共同作用、采用地質(zhì)資料自動(dòng)反算的基床反力系數(shù)和樁豎向剛度時(shí)，沉降計(jì)算結(jié)果非常大，遠(yuǎn)偏離實(shí)際試樁結(jié)果，明顯不具備合理性。當(dāng)采用考慮樁土共同作用，根據(jù)沉降計(jì)算結(jié)果再不斷調(diào)整基床反力系數(shù)和樁豎向剛度，使最終的模型計(jì)算沉降值與試樁結(jié)果趨近一致。

6 沖切驗(yàn)算

本工程為布置暗梁的平板樁筏基礎(chǔ)，筏板厚度主要受控于樁對(duì)筏板和剪力墻核心內(nèi)筒、框架柱對(duì)基礎(chǔ)底板的沖切兩大因素控制。經(jīng)核算，主樓下核心筒區(qū)域筏板厚度取2000mm，主樓范圍內(nèi)其它部位板厚取1200mm，裙房部分筏板厚度取600mm，在柱下集中布樁部位增設(shè)樁基承臺(tái)，經(jīng)計(jì)算筏板均滿(mǎn)足抗沖切要求。

7 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中的要點(diǎn)控制

（1）基礎(chǔ)布置盡量在墻下或者柱下集中布樁，以便更好的控制筏板的厚度。

（2）盡量使筏板形心與上部結(jié)構(gòu)重心基本重合，本工程主要控制主樓的筏板形心與上部結(jié)構(gòu)重心基本重合，基礎(chǔ)樁位布置見(jiàn)圖1。

圖1

（3）地基計(jì)算時(shí)，按柱底（墻底）內(nèi)力布樁，選擇考慮樁土共同作用，設(shè)置基床反力系數(shù)和樁的豎向剛度值，計(jì)算模型，查看沉降值和樁、土分別承擔(dān)的荷載比例。依據(jù)工程實(shí)際的試樁結(jié)果，通過(guò)反復(fù)調(diào)整兩種樁的布置、單樁的豎向剛度值和基床反力系數(shù)k值，在滿(mǎn)足單樁承載能力的條件下，使工程樁沉降值與試樁沉降基本吻合，且滿(mǎn)足地基土所承擔(dān)的上部荷載值大概占10%左右，計(jì)算得41m長(zhǎng)工程樁數(shù)量為352根，25m長(zhǎng)工程樁數(shù)量為649根。當(dāng)?shù)鼗?jì)算不考慮土分擔(dān)荷載時(shí)，計(jì)算得41m長(zhǎng)工程樁數(shù)量為392根，25m長(zhǎng)工程樁數(shù)量為707根。

表1

由此可見(jiàn)，考慮樁土共同作用后，沉降計(jì)算值與工程試驗(yàn)情況更接近時(shí)，因?yàn)榭紤]了土的承載能力，比不考慮土承載能力的樁數(shù)減少了約10%。

8 總結(jié)

本工程通過(guò)適當(dāng)考慮樁土共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，使得基礎(chǔ)工程造價(jià)得到了很好的控制，但是工程設(shè)計(jì)過(guò)程中有兩點(diǎn)未能突破現(xiàn)行規(guī)范的約束，留下了遺憾：

（1）在現(xiàn)行規(guī)范的許可下，土體分擔(dān)的上部荷載只能取到10%左右，而根據(jù)有關(guān)專(zhuān)家的研究結(jié)果，在建筑物完工時(shí)可分擔(dān)小于上部總荷載的26%。

（2）依據(jù)現(xiàn)行高層建筑沉降理論分析和沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，目前一般樁筏基礎(chǔ)中減少樁數(shù)大有潛力可挖，樁數(shù)可以減少，而且應(yīng)該減少。一般可減少10～15%，這一部分沒(méi)有必要的安全儲(chǔ)備未能轉(zhuǎn)化為對(duì)工程成本的節(jié)約。

[1]董建國(guó)，趙溪宏.高層建筑地基基礎(chǔ).同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[2]朱炳寅.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[3]《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

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