民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基礎(chǔ)設(shè)計研究*

王慶曉

(太原市建筑設(shè)計研究院 太原 030002)

1 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基礎(chǔ)設(shè)計原則

1.1 功能性原則

民用建筑作為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦饕d體,是人們生存和發(fā)展的重要保障。現(xiàn)代社會,人們生活物質(zhì)、精神文化需求不斷改變,對建筑物的需求不再局限于居住、學(xué)習(xí)、工作等,提出了更多功能性需求,對建筑外觀、建筑舒適度、生態(tài)性和智能化程度等也有了一定的要求。因此,建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)充分考慮這一需求及未來發(fā)展方向,注重功能性設(shè)計原則,確保地基基礎(chǔ)能夠滿足新型民用建筑地基承載力的需求。

1.2 經(jīng)濟性原則

建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計要貫徹經(jīng)濟性原則,在強化基礎(chǔ)設(shè)計的科學(xué)性、合理性,確保防水、承重、等級等均達(dá)到國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,要重視設(shè)計原材料和生產(chǎn)成本的投入,確保工程造價在合理范圍內(nèi)。同時,要綜合考慮諸多因素,設(shè)計多個基礎(chǔ)設(shè)計方案,綜合比對建材用量、施工難度、人力成本、工期等,選擇最能控制成本,擴大企業(yè)經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)設(shè)計方案[1]。

1.3 協(xié)調(diào)性原則

民用建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計方案直接影響建筑物的安全。在進行基礎(chǔ)設(shè)計時,基于建筑整體,協(xié)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)的剛度和延性設(shè)計,滿足建筑低承載力和高延性的設(shè)計思想,避免遭遇突發(fā)自然災(zāi)害時,建筑結(jié)構(gòu)剛度過強,承載力驟增引發(fā)的建筑損壞或倒塌,或結(jié)構(gòu)剛度過小時導(dǎo)致的建筑物變形[2]。同時,注重多個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有效協(xié)調(diào),形成多道防線,構(gòu)成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)整體,有效分解和消除外力,保持建筑物的完整性。

2 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中基礎(chǔ)設(shè)計的影響因素

2.1 建筑上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)是民用建筑重要組成,其結(jié)構(gòu)剛度直接影響建筑物的基礎(chǔ)受力情況,主要原因為建筑上部結(jié)構(gòu)高度與墻體厚度不同,建筑物上部荷載的差異,對其基礎(chǔ)受力情況產(chǎn)生關(guān)聯(lián)性的影響。倘若上部結(jié)構(gòu)剛度相對較大時,地基基礎(chǔ)隨之會發(fā)生相應(yīng)的變形,各豎向構(gòu)件會出現(xiàn)均勻性的沉降現(xiàn)象。倘若上部結(jié)構(gòu)剛度相對較小時,上部結(jié)構(gòu)會缺乏基礎(chǔ)的約束,一旦基礎(chǔ)構(gòu)件出現(xiàn)彎曲,建筑物整體也會出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象。

因此,在進行建筑上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計時,要基于建筑結(jié)構(gòu)的整體情況,科學(xué)分析和計算基礎(chǔ)的沉降量、穩(wěn)定性及抗變形能力,選擇適宜的基礎(chǔ)設(shè)計類型、埋深等,確保滿足上部結(jié)構(gòu)荷載的需求[3]。

2.2 地質(zhì)條件

民用建筑的基礎(chǔ)設(shè)計方案與地質(zhì)條件緊密相關(guān),且地質(zhì)條件涉及范圍廣、牽扯因素復(fù)雜,會影響基礎(chǔ)設(shè)計的各個環(huán)節(jié)。因此,在對民用建筑進行基礎(chǔ)設(shè)計時,需要做好施工前期的地質(zhì)勘察工作,掌握必要資料,一般可通過勘測工作掌握擬建場地的相關(guān)地形地貌、周圍建筑物、附近交通、給排水等情況。同時,同一建筑物采用的地基方案和基礎(chǔ)構(gòu)造不同,施工難度、工程造價等也存在較大差異,需要盡可能遵循設(shè)計原則選擇適宜方案。

另外,部分建筑物建設(shè)地形較為復(fù)雜,存在地基強度穩(wěn)定性不足、壓縮性大,無法滿足設(shè)計需求的情況。例如,部分土層內(nèi)部存在潛在傾斜滑動面,或者滑動面抗剪強度差,一旦遭遇外部荷載或地震,地基就有可能沿軟弱面水平位移,出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象,必須采取針對措施進行處理,減輕地基變形,加強地基的穩(wěn)定性和強度。

2.3 施工環(huán)境

建筑施工環(huán)境主要包含自然環(huán)境和人工環(huán)境,自然環(huán)境的影響因素為環(huán)境溫度、抗震等級,該影響因素主要針對鋼筋混凝土這一施工建材,倘若施工環(huán)境溫度過低,容易出現(xiàn)地基基礎(chǔ)開裂情況;或者存在地震影響,需要設(shè)置抗震縫,確定抗震縫數(shù)量及分布等。人工環(huán)境影響因素為建筑施工振動、建筑施工打樁,樁基進土階段會擠壓周圍土壤,產(chǎn)生一定應(yīng)力,繼而對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及附近地下管線產(chǎn)生影響,因此在基礎(chǔ)設(shè)計時,要盡可能避免該影響。例如,在對某項目進行抗震等級設(shè)計時,需要綜合考量區(qū)域基本風(fēng)壓、風(fēng)荷載整體計算的結(jié)構(gòu)阻尼比、舒適度驗算結(jié)構(gòu)阻尼比、基本雪壓以及地質(zhì)情況等因素,計算該塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震等不同地震烈度下結(jié)構(gòu)整體情況,確定對應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計要點及方案,確保建筑抗震性能達(dá)標(biāo)。

3 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基礎(chǔ)設(shè)計常見類型

3.1 樁基礎(chǔ)常見設(shè)計類型

樁基礎(chǔ)常見設(shè)計類型有混凝土灌注樁及預(yù)應(yīng)力管樁兩種,是保障建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要影響因素。其中,混凝土灌注樁設(shè)計時,要以基礎(chǔ)設(shè)計的功能滿足和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為首要目的,要重點考慮成樁位置、樁體大小等因素,考慮該設(shè)計形式是否會對建筑后續(xù)施工產(chǎn)生影響,保障建筑施工質(zhì)量。預(yù)應(yīng)力管樁是目前較為普遍的一種設(shè)計類型,具有施工噪音小,速度快等優(yōu)勢,設(shè)計關(guān)注的重點為樁基的選擇與檢驗,倘若地基基礎(chǔ)承載力不足,要以實際承載力為基礎(chǔ),使用適量的樁基數(shù)量和排列方式。同時,還要重視樁基的檢驗,在實際施工項目中,樁身會受到外界因素影響,出現(xiàn)斷樁、縮徑、擴徑等缺陷,繼而導(dǎo)致樁基性能不佳,對建筑的整體穩(wěn)定性造成影響。對此,可采用靜荷載實驗法、高應(yīng)變動測法對樁身完整性和樁基承載力等進行檢驗,以滿足建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計的承載力要求。

3.2 擴展基礎(chǔ)常見設(shè)計類型

擴展基礎(chǔ)是指上部結(jié)構(gòu)通過墻、柱等承重構(gòu)件傳遞的荷載,在其底部橫截面上引起的壓強通常遠(yuǎn)大于地基承載力。故需要在墻、柱下設(shè)置水平截面向下擴大的基礎(chǔ)等,以便將墻或柱荷載擴散分布于基礎(chǔ)底面,使之滿足地基承載力和變形要求。常見設(shè)計類型主要有三種,如獨立基礎(chǔ)設(shè)計、條形基礎(chǔ)設(shè)計、筏形基礎(chǔ)設(shè)計。其中,獨立基礎(chǔ)設(shè)計是低層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的基礎(chǔ)設(shè)計類型,要求的地基承載力較大。條形基礎(chǔ)的設(shè)計類型,是一種建筑上部結(jié)構(gòu)應(yīng)用較小的一種框架結(jié)構(gòu),主要作用是提升建筑結(jié)構(gòu)的上部承載力。

在設(shè)計過程中,需要依據(jù)民用建筑結(jié)構(gòu)形式、上部結(jié)構(gòu)剛度等資料,利用倒梁法計算相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),為條形基礎(chǔ)設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。筏形基礎(chǔ)設(shè)計類型主要特點為底板連接成片,有平板式和梁板式兩種。在應(yīng)用該設(shè)計類型時,首要考慮因素為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不均勻沉降,其次,從筏板抗剪切力、抗沖切力等方面著手,確定筏板基礎(chǔ)厚度,最后,利用簡化計算法計算筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的具體數(shù)值,有效解決不均勻沉降問題,保障民用建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)穩(wěn)定性。

4 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 確定地基埋深

近年來,民用建筑多為高層建筑,高層建筑箱型和筏型基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性的要求。在抗震設(shè)防區(qū),除巖石地基外,天然地基上的箱型和筏型基礎(chǔ)埋深不宜小于建筑物高度的1/15;樁箱或樁筏基礎(chǔ)埋深不宜小于建筑高度的1/18。位于巖石地基上的高層建筑,其基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足抗滑要求。同時很多高層建筑都會設(shè)置地下室部分,其優(yōu)勢在于豐富建筑結(jié)構(gòu)功能性,擴大建筑物空間,提高土地資源利用率,解決埋設(shè)深度問題,但也相應(yīng)增加了建筑施工難度,在確定地基埋深時,還需要綜合考慮建筑物的使用價值。

民用建筑場地的地理空間位置也會對地基埋深產(chǎn)生影響,例如,某項目建筑為大型商業(yè)綜合體建筑,屬于區(qū)塊核心位置,臨近城市主干道,周圍建筑多為商業(yè)辦公樓、住宅小區(qū),地下管線埋設(shè)復(fù)雜。在確定地基埋深時,為避免對臨近建筑物產(chǎn)生干擾,要進行全面細(xì)致的測量工作,收集相關(guān)資料,盡可能將影響降至最低,保障建筑正常使用和安全。

4.2 考慮地基承載力

地基基礎(chǔ)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設(shè)計。如對采用天然地基和獨立基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu),承載力要滿足的條件是:上部結(jié)構(gòu)豎向荷載傳遞到獨立基礎(chǔ),獨立基礎(chǔ)產(chǎn)生的基底壓力不能超過地基的承載力。如對采用樁基礎(chǔ)和承臺的結(jié)構(gòu),承載力計算要滿足的條件是:上部結(jié)構(gòu)豎向荷載傳遞到承臺,再傳遞到樁基中,此時樁基承擔(dān)的豎向力不應(yīng)超過樁基的承載力特征值。正常使用狀態(tài)下滿足的條件主要指基礎(chǔ)沉降,樁基沉降變形,樁基抗裂,裂縫寬度驗算等。如主裙樓一體化設(shè)計時,在考慮地基承重能力時,需要根據(jù)實際情況進行基礎(chǔ)設(shè)計,確定基礎(chǔ)設(shè)計方案,對主體結(jié)構(gòu)地基進行深度修正,充分考慮基礎(chǔ)底面范圍內(nèi)荷載,依照基礎(chǔ)兩側(cè)超載情況,確定基礎(chǔ)埋深。

通常情況下,當(dāng)基礎(chǔ)兩側(cè)超載不等時,建筑結(jié)構(gòu)地基承載力以最小值為基準(zhǔn),當(dāng)基礎(chǔ)兩側(cè)超載比基礎(chǔ)寬度大2倍時,以土層厚度為參考。同時,巖石地基相比土質(zhì)地基,其地基承重能力更高,可取樣完整、較完整、破碎巖體進行地基荷載試驗,依據(jù)飽和單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值計算地基承載力特征值。

4.3 獨立基礎(chǔ)設(shè)計

民用建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計中,合理選型是保障基礎(chǔ)設(shè)計方案合理性的重要前提,主要有獨立基礎(chǔ)設(shè)計、復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計兩類,需要根據(jù)工程進步提要求選擇對應(yīng)類型。獨立基礎(chǔ)設(shè)計具有較好的經(jīng)濟性、抗震性、適應(yīng)性等特點,能有效應(yīng)對地基變形情況,但倘若地基基礎(chǔ)均勻性不足,則不適用獨立基礎(chǔ)設(shè)計。獨立基礎(chǔ)設(shè)計形式較為多樣,有柱下獨立基礎(chǔ)、墻下獨立基礎(chǔ)兩種形式,最常見類型為鋼筋混凝土板筏結(jié)構(gòu),可同時作為地下室底板結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)板筏,承載力強,施工流程便捷。

4.4 復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計

復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計與獨立基礎(chǔ)設(shè)計不同,其設(shè)計內(nèi)容主要為人工基礎(chǔ)作業(yè)范圍,具有較強抗振動、抗沉降能力,且建筑物地基基礎(chǔ)承載力較高,能夠充分支撐建筑物上部結(jié)構(gòu)。

復(fù)合基礎(chǔ)類型較為廣泛,包含深層攪拌柱、強夯、灌漿等類型,在設(shè)計過程中,主要針對基地土層狀況不佳、液化、濕陷等問題的改善,通過基體和增強體的共同作用,支撐建筑物荷載承重能力,因此,其結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝等較為復(fù)雜,需要設(shè)計人員依照地基實際情況,選擇適宜符合地基類型。例如,某民用建筑項目地下室基底較深,其抗浮水頭達(dá)到19m 高度,建筑物上部結(jié)構(gòu)重量難以滿足抗浮要求,需要對其進行抗浮設(shè)計,保障建筑物的穩(wěn)定性。具體措施為:巖石錨桿抗浮,依據(jù)整體抗浮需求,計算出單根錨桿承擔(dān)浮力作用值(Nwk):

Nwk=Fk-γGGk

式中,Fk為單根錨桿承擔(dān)的底水浮力標(biāo)準(zhǔn)值;γG為荷載分項系數(shù)(取值0.9);Gk為單根錨桿范圍內(nèi)底板自重標(biāo)準(zhǔn)值,最終計算出錨桿長度、直徑及間距。

5 結(jié)語

綜上所述,民用建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為地基基礎(chǔ),發(fā)揮著支撐建筑物整體穩(wěn)定性和安全性的重要作用。現(xiàn)階段,社會發(fā)展對民用建筑提供了許多新要求,包括環(huán)保性、功能性、經(jīng)濟性、協(xié)調(diào)性等,設(shè)計人員在設(shè)計之前,必須做好地質(zhì)勘察和基礎(chǔ)選型,編制合理地基基礎(chǔ)設(shè)計方案,合理計算各項參數(shù),如地基埋深、地基承重力等,選擇適宜獨立基礎(chǔ)或復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計方法。在滿足建筑需求和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,盡可能優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計,提升基礎(chǔ)設(shè)計質(zhì)量,從而提升民用建筑整體建設(shè)效果。