基礎變剛度調平設計應用探析

展雙全

摘 要：文章闡述了樁基礎變剛度調平的設計理念與設計原理，在對整體結構設計過程中，通過采用增加其內部的實際基樁長度、縮小內部樁距等措施，可以明顯增強內部或者高負荷區域的剛度，同時弱化外圍區域，從而達到降低樁基沉降差，減少基礎內力及配筋、減少樁的數量，并有助于降低工程的整體造價，實現一定的經濟效益。

關鍵詞：樁基礎;變剛度調平;設計應用

在《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016年版）第3.3.4條中可以得到這樣的思路，在同一結構單元內不適合采用天然地基的區域，可以運用樁基變剛度調平設計。在高層建筑工程建設過程中，一旦主樓與裙房之間相互連接，應當注重考慮使用不同的地基形式會出現的地基變形差異。變剛度調平的使用就是為了最大程度地降低樁基的沉降差，從而保證建筑工程的質量。

一、主樓與裙樓之間的變剛度調平

根據《建筑樁基技術規范》JGJ94-2008第3.1.8條中可得出，對于主樓與裙樓之間相互連接的建筑物，當高層的主體建筑采用樁基時，裙房的基礎剛度在設計時應考慮對其相對弱化些。在實際工程施工過程中，可以選擇使用天然地基、疏樁或者短樁、復合地基的基礎等[1]。對于大型的商業綜合體項目建設過程中，由于商業綜合樓大都是由多棟的塔樓、大底盤地下室、裙樓等多部分共同構成。采用傳統的樁基設計主要是在結構單元下，設置一些等距離等長度的樁基。這種方式會導致群樁及地基在實際受力過程中，出現不同程度的強弱分化現象，最終呈現出內弱外強的現象，整體沉降的形狀也會呈現蝶形分布。在傳統的設計過程中，塔樓與底盤基礎通常會采用設定沉降變形縫或者沉降后澆帶，以此來降低沉降差給基礎造成的影響。這種處理方式不僅增加了建筑的防水處理的難度，還嚴重影響了建筑的整體功能，對建筑的整體質量會產生比較大的影響。

二、塔樓變剛度調平設計

高層結構呈現核心筒位置的剛度及荷載較大，四周框架的剛度及荷載較小，結構的剛度以及荷載存在不均勻分布的現象[2]。在進行結構方案制定的過程中，往往采用均勻布置樁基以及厚筏板形式。針對高層建筑采用均勻樁基而造成的沉降差問題，通過采用變剛度調平設計理念，可以緩解樁基沉降問題。變剛度調平設計實際上就是通過分析，計算出基礎沉降的等位線，然后改變基樁的距離、基樁的實際直徑或者樁長，調整基樁的實際分布情況，這樣能夠增強荷載相對較大的樁基，降低荷載較弱位置的剛度。通過不斷改善與優化樁基的剛度，最終沉降與內力之間達成力的協調與平衡，進而縮減沉降的差異值，不僅有助于降低實際上的基礎內力，還有助于減少工程造價[3]。

三、基礎設計

以筆者參與的杭州某項目為例，此項目為辦公樓，采用框剪結構，2層地下室，塔樓主樓13層，底部裙房2層，塔樓柱底內力標準值約為9000KN，裙房柱底內力標準值約為2800KN，地質情況如表1所示，基礎均采用PHC管樁，裙房樁端持力層為第2-2層砂質粉土層，主塔樓樁端持力層為第4-1層粉砂層，即裙房采用短樁約15m，塔樓采用長樁約45m，如示意圖一所示。為比較沉降效果，本工程采用傳統布樁和變剛度調平布樁兩種方案，如示意圖二（a）（b）所示，經整體沉降計算可知，第一種傳統方案，塔樓與裙房沉降差為36.36mm，整體傾斜為0.0023;第二種變剛度調平方案，塔樓與裙房沉降差為28.26mm，整體傾斜為0.001。從上述工程中可知基礎采用變剛度調平設計后，地基基礎受力更加合理，在工程造價方面也有比較大的優勢，由此可見此項設計理念具有非常實用的工程意義。

說明：1.沉降的單位位mm.

2.構件底壓力單位為KN，單位底壓力單位為kPa.

說明：1.沉降的單位位mm.

2.構件底壓力單位為KN，單位底壓力單位為kPa.

四、樁基礎變剛度調平設計應用總結

（一）變剛度調平的設計思路可以遵循三種情況：首先，局部的增強。對于荷載集中度比較高的區域來說，應該采取局部增強的設計方法進行處理，例如，局部樁基或者局部剛性樁的復合地基;其次，樁基變剛度調平設計[4]。當整體都采用樁基時，內圍區域的荷載就會變大，所以應該加強內圍區域，適當減弱外圍區域。再者，主樓以及裙樓同時進行變剛度設計?；A應該按照增強樁基，減弱裙樓的原則進行設計。由以上可知基礎變剛度調平常用設計方法有：（a）塔樓+裙房變剛度調平;（b）天然基礎+樁基變剛度調平;（c）長短樁或疏密樁變剛度調平。

（二）變剛度調平設計的主要流程是，對上部分的結構、基礎以及地基等展開共同作用分析環節，并按照分析而獲得的沉降差異的數值，對樁的分布情況加以調整，然后反復進行工作和計算，直到沉降數值的差異到達比較合理范圍。

（三）應該根據基礎的不同類型選擇合適的變剛度調平設計方案。比如摩擦型的樁筏基礎以及摩擦型的復合樁大多使用調整樁基的長度、樁基直徑以及樁距的方式，以此來調整樁基剛度的分布情況。

（四）采用變剛度調平設計，可有效減少工程造價，在保證安全前提下達到經濟合理的效果。

（五）選擇變剛度調平設計時，可選擇樁徑較小，且單樁的承載能力比較強的樁型，如，使用后注漿技術中的灌注樁，便于布樁過程中的靈活性。憑借改變樁長進行變剛度調平設計時，應該盡可能采用壓縮模量差別比較大，而承載能力的差別小的不同樁端持力層，以求更好的實現設計意圖。

參考文獻：

[1]朱銳， 周峰， 翟德志， et al. 可控剛度樁筏基礎變剛度調平的工程實踐[J]. 建筑科學， 2018， 34（7）.180-181

[2]閆鑫[1]， 趙健[1]， 胡長明[2]， et al. 軟土地區重型設備樁筏基礎變剛度調平設計[J]. 建筑結構， 2018， 46（11）：114-117.

[3]周 峰， 朱 銳， 郭天祥， et al. 可控剛度樁筏基礎樁土共同作用的工程實踐[J]. 巖石力學與工程學報， 2017， 36（12）：3075-3084.

[4]孫海忠， 張瑞， 張治國. 大底盤多塔樓結構樁筏基礎優化設計[C]// 工業建筑2018年全國學術年會. 2018， 16（16）：150-151.