薛婷怡

(莆田市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院 福建莆田 351111)

基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計的應(yīng)用

薛婷怡

(莆田市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院 福建莆田 351111)

闡述了變剛度調(diào)平設(shè)計的概念與原則，在框筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計中，采用增大內(nèi)部樁長，縮小內(nèi)部樁距的措施，可以實現(xiàn)強(qiáng)化內(nèi)部及高荷載區(qū)，弱化外圍區(qū)的設(shè)計原則，達(dá)到減少差異沉降，減小基礎(chǔ)內(nèi)力、基礎(chǔ)厚度、基礎(chǔ)用鋼量，減少樁數(shù)、總樁長，大大降低基礎(chǔ)造價。

變剛度調(diào)平；基礎(chǔ)設(shè)計；框筒結(jié)構(gòu)；高層建筑

0 引言

《抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010(以下簡稱《抗規(guī)》)，3.3.4.2“同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基”，高層建筑中，在主樓和裙房不分縫的情況下，不滿足該條規(guī)定時，就必須考慮不同地基的變形差異。 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008(以下簡稱《樁基》)，提出了在基礎(chǔ)設(shè)計中可采用變剛度調(diào)平設(shè)計的概念，突破了《抗規(guī)》的這條規(guī)則。變剛度調(diào)平的基本原則就是控制沉降差，“抑強(qiáng)補(bǔ)弱”促使沉降趨向均勻。因為如果沉降不均勻，基礎(chǔ)將產(chǎn)生附加應(yīng)力，基礎(chǔ)的內(nèi)力增大，會導(dǎo)致基礎(chǔ)面積和配筋的增大，也會使上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，引起構(gòu)件的開裂或破壞，甚至建筑物的傾斜?；A(chǔ)設(shè)計應(yīng)考慮地基(樁土)—基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)的共同作用，調(diào)整地基(樁土)剛度，使反力同荷載分布相協(xié)調(diào)，沉降變形趨向均勻。

1 主裙樓間的變剛度調(diào)平

《樁基》3.1.8.1條：對于主裙樓連體建筑，當(dāng)高層主體采用樁基時，裙房(含純地下室)的地基或樁基剛度宜相對弱化，可采用天然地基、復(fù)合地基、疏樁或短樁基礎(chǔ)。

超大商業(yè)綜合體項目一般由多棟塔樓、裙樓、大底盤地下室組成。在傳統(tǒng)的樁基設(shè)計中，在同一結(jié)構(gòu)單元下，布置等長等間距等直徑的樁，這種“等剛度”布置原則，會造成地基或樁群的豎向支承剛度分布發(fā)生內(nèi)弱外強(qiáng)的變化，沉降變形出現(xiàn)內(nèi)大外小的蝶形分布，基底反力出現(xiàn)內(nèi)小外大的馬鞍形分布，如圖1a所示。傳統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計人員常通過設(shè)置沉降變形縫或沉降后澆帶來規(guī)避沉降差異帶來的影響，這么處理既影響建筑功能，又加大防水處理的難度。沉降后澆帶因長時間無法澆筑所產(chǎn)生的鋼筋銹蝕、清理不力等問題，也影響了施工質(zhì)量。若能減少沉降差，就可以減少設(shè)置沉降變形縫或沉降后澆帶，從而也減少消耗，縮短工期。

案例一: 2個塔樓用筏板，中間地庫用獨基+防水板或用較主樓薄的筏板，需用沉降后澆帶隔開，如圖2a所示。

案例二: 塔樓偏置的情況下，如果都用筏板，筏板的偏心距肯定超過規(guī)范限值。塔樓用筏板，車庫用獨基+防水板，如圖2b所示。

案例三: 2個塔樓用筏板，塔樓中間的地庫用獨基+防水板，或用較主樓薄的筏板，需用沉降后澆帶隔開；南側(cè)的車庫只能用獨基+防水板，否則偏筏板的偏心距肯定超過規(guī)范限值，如圖2c所示。

(a) 均勻布樁 (b)不均勻布樁圖1 均勻布樁與不均勻布樁的變形與反力示意[1]

(a) (b) (c)圖2 主裙樓樁筏基礎(chǔ)案例

2 高層建筑內(nèi)部的變剛度調(diào)平

《樁基》3.1.8.2條：對于框架-核心筒結(jié)構(gòu)高層建筑樁基，應(yīng)強(qiáng)化核心筒區(qū)域樁基剛度(如適當(dāng)增加樁長、樁徑、采用后注漿等措施)，相對弱化核心筒外圍樁基剛度(采用復(fù)合樁基，視地層條件減小樁長)。

《樁基》3.1.8.3條：對于框架-核心筒結(jié)構(gòu)高層建筑天然地基承載力滿足要求的情況下，宜與核心筒區(qū)域局部設(shè)置增強(qiáng)剛度、減小沉降的摩擦樁。

采用天然地基時，對荷載分布比較集中的區(qū)域(如核心筒附近等)實施局部加強(qiáng)處理，可采用局部樁基或采用局部剛性復(fù)核地基，如圖3a所示。

(a)局部增強(qiáng) (b)變樁距 (c)變樁徑 (d)變樁長圖3 變剛度布樁[1]

3 復(fù)合地基的變剛度調(diào)平

復(fù)合地基的變剛度調(diào)平設(shè)計是通過改變置換率m。例：采用CFG樁做復(fù)合地基，可按不同基底壓力分區(qū)域的改變CFG樁的間距，從而改變置換率，改變地基的剛度，最終控制地基的沉降，減小差異沉降。在劃分區(qū)域時要注意 “邊載效應(yīng)”，即邊載的存在能明顯提高復(fù)合地基的承載力，使對應(yīng)同一荷載作用下的復(fù)合地基沉降減小[3]。在復(fù)合地基設(shè)計時，一定要注意根據(jù)邊載條件，調(diào)整基底壓力后，再劃分區(qū)域。

4 變剛度設(shè)計流程

變剛度設(shè)計流程如圖4所示。

5 工程案例

某框架—核心筒辦公樓，上部15層，地下2層，結(jié)構(gòu)高度為67.5m，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)，設(shè)計地震分組為第二組。土層分布情況如表1所示。

表1 某工程土層分布情況

注：地下常年水位在⑥碎石層內(nèi)，水位標(biāo)高-18.350m

基底標(biāo)高為-8.000m，1.0橫+1.0活工況下，建筑總重量422 047kN，核心區(qū)重量186 328kN，基底平均壓力220KPa，筏板底在③粉質(zhì)粘土(Ⅱ)層。若用復(fù)合地基來提高承載力， CFG樁可能無法穿透卵石和碎石。若采用人工挖孔擴(kuò)底灌注樁，需采取降水措施，降低碎石層內(nèi)的地下水，且碎石層滲透系數(shù)大，護(hù)壁隔水困難，恐有塌孔問題。綜上分析后，采用樁筏基礎(chǔ)，樁采用C35鉆孔灌注樁, 并采用后注漿技術(shù)提高單樁承載力，樁徑800mm，樁身強(qiáng)度為3 730kN。計算軟件采用盈建科軟件，在計算上部時，需生成傳給基礎(chǔ)的剛度，計算樁筏時，采用彈性地基梁板計算方法，需考慮上部剛度，板上剪力墻按深梁考慮。

方案一： 樁徑800mm，樁長21m，持力層為⑧砂質(zhì)頁巖，單樁承載力特征值取3 500kN，均勻布樁，當(dāng)樁距為3.0m時，滿足承載力要求，樁數(shù)最少，為224根。基礎(chǔ)沉降呈現(xiàn)出明顯的內(nèi)大外小的蝶形，兩點相對沉降差最大值為0.21%，基礎(chǔ)筏板的內(nèi)力較大，含鋼量高。

方案二： 根據(jù)變剛度調(diào)平設(shè)計原則，增強(qiáng)核心筒范圍基礎(chǔ)剛度，弱化外圍基礎(chǔ)剛度。

在核心筒范圍滿布樁，樁徑800mm，樁距2.4m，樁長21m，持力層為⑧砂質(zhì)頁巖，單樁承載力特征值取3 500kN，而在外圍框架，樁徑800mm，樁距2.8m，樁長15m，持力層為⑦泥質(zhì)頁巖，單樁承載力特征值取2 500kN。此時樁數(shù)為194根(比方案一少30根)，其中核心區(qū)樁數(shù)=核心區(qū)重量/單樁承載力特征值×考慮偏心增大系數(shù)×核心區(qū)強(qiáng)化系數(shù) =186 328/3 500×1.2×1.3=83，取90根。核心區(qū)樁數(shù)=外框重量/單樁承載力特征值×考慮偏心增大系數(shù)×弱化系數(shù) =(422 047-186 328)/2 500×1.2×0.9=102，

取104根。樁位布置如圖5a所示,沉降圖如圖5b所示。兩點相對沉降差最大值為0.13%小于規(guī)范限制0.2%，對比方案一，基礎(chǔ)筏板的內(nèi)力減小，含鋼量降低。

(a)樁位布置圖 (b)沉降圖圖5 樁位布置及沉降

6 結(jié)論

(1)高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計首先要結(jié)合上部荷載情況和地質(zhì)條件，考慮是否進(jìn)行變剛度調(diào)平設(shè)計。

(2)主裙樓連體的大底盤基礎(chǔ)變剛度調(diào)平原則是，增強(qiáng)主樓的基礎(chǔ)剛度，減少主樓的沉降，弱化裙房的基礎(chǔ)剛度，增大裙樓的沉降。

(3)對框剪、框筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的變剛度調(diào)平原則是，強(qiáng)化內(nèi)部及高荷載區(qū)，弱化外圍區(qū)。增大內(nèi)部樁長，縮小內(nèi)部樁距是有效的措施。

(4)采用變剛度調(diào)平設(shè)計，應(yīng)盡量選擇樁徑小，單樁承載力較高的樁型，如采用后注漿技術(shù)的灌注樁，以便布樁的靈活性。

(5)通過改變樁長來實現(xiàn)變剛度調(diào)平設(shè)計時，應(yīng)盡量選擇壓縮模量差別大，且承載力差別不是很多的2個持力層,且樁長要根據(jù)基礎(chǔ)埋深和孔位土層計算好，避免在軟件中弄錯持力層。

(6)采用變剛度調(diào)平設(shè)計，可減少設(shè)縫和沉降后澆帶，減小基礎(chǔ)內(nèi)力、基礎(chǔ)厚度、基礎(chǔ)用鋼量，減少樁數(shù)、總樁長，大大降低基礎(chǔ)造價。

[1] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2] 王濤，高文生，劉金礪.樁基變剛度調(diào)平的實施方法研究[J].巖土工程學(xué)報，2010.

[3] JGJ79-2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

Optimization design of foundation stiffness in project

XUETingyi

(Putian Urban and Rural Planning Design and Research Institute,Putian 351111)

This paper expounds the concept and the principle of optimization design of foundation stiffness. In the frame core tube structure’s foundation design, the measures which increase the internal pile length and reduce the internal pile spacing are used.The design principle which is strengthing internal and high load areas, weaking the peripheral areas, reduces differential settlement,internal force of the foundation, thickness of the foundation, reduces steel content of the foundation, numbers of the piles, total length of the piles , greatly reduce the cost.

Optimization design of foundation stiffness; Frame core tube structure;Foundation design

薛婷怡(1984.2- )，女，工程師。

E-mail:gracie4@qq.com

2017-05-05

TU973+.35

A

1004-6135(2017)07-0094-03