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        建筑工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討

        2023-10-17 08:25:48張建清
        廣東建材 2023年10期
        關(guān)鍵詞:承載力基礎(chǔ)荷載

        張建清

        (天和國(guó)咨(廈門)城建設(shè)計(jì)院)

        0 引言

        工業(yè)與民用建筑的地基和基礎(chǔ),涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛,包括工程地質(zhì)、土力學(xué)、地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工等很多方面。我國(guó)幅員遼闊,土質(zhì)各異,如沿海地區(qū)存在深厚軟土,中部地區(qū)存在濕陷性黃土,山區(qū)存在溶巖土洞。同樣一棟建筑在不同地質(zhì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)必然不同,即使是同一地質(zhì),不同設(shè)計(jì)師由于工程經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)背景的差異,設(shè)計(jì)基礎(chǔ)方案也可能會(huì)良莠不齊,從而影響建筑工程的整體質(zhì)量。由于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的多樣化,如何根據(jù)具體工程條件設(shè)計(jì)出更經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)方案,即掌握基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的基本流程和思路是很重要的事情。

        1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的原理

        地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑物設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。基礎(chǔ)工程造價(jià)占工程造價(jià)很大比例,在地質(zhì)復(fù)雜地區(qū),可達(dá)20%~30%,節(jié)約建設(shè)資金的潛力很大,如果盲目提高安全度,有時(shí)多花費(fèi)很多資金,卻不能收到良好的效果。因此,具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的工程師都十分重視地基與基礎(chǔ)的勘察、設(shè)計(jì)與施工階段的工作。要求從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員必須掌握土力學(xué)基礎(chǔ)工程的理論知識(shí)和實(shí)際技能。

        基礎(chǔ)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件使得上部荷載能通過(guò)此構(gòu)件安全高效地傳遞到所在巖土中,并且所在巖土及構(gòu)件本身能滿足相應(yīng)的強(qiáng)度和變形要求。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要驗(yàn)算三部分內(nèi)容:⑴地基足夠穩(wěn)定;⑵地基的變形不影響建筑使用功能;⑶基礎(chǔ)構(gòu)件本身強(qiáng)度和耐久性滿足要求。

        1.1 地基穩(wěn)定性

        地基就是建筑基礎(chǔ)以下的巖土。隨著基底壓力不斷加大,地基會(huì)經(jīng)歷“壓密階段-剪切階段-破壞階段”三個(gè)過(guò)程,相應(yīng)的地基會(huì)從彈性變形階段過(guò)渡到彈塑性變形直至破壞。地基穩(wěn)定性就是指基底壓力不得大于地基承載力,否則地基會(huì)失穩(wěn)破壞。地基承載力和土的抗剪強(qiáng)度相關(guān)也和基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)尺寸及基礎(chǔ)周邊超載有關(guān)。土的粘聚力、內(nèi)摩擦角越大,地基承載力越大?;A(chǔ)埋深越大,基礎(chǔ)越寬和基礎(chǔ)周邊有超載對(duì)于地基穩(wěn)定性也是有利的。

        1.2 地基變形

        地基變形,和建筑基礎(chǔ)相關(guān)的主要指沉降,沉降由基底附加壓力和土體有效應(yīng)力產(chǎn)生,沉降由分層總和法計(jì)算,依據(jù)勘察報(bào)告查取土層壓縮模量,根據(jù)荷載和土層厚度計(jì)算出沉降量,并根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)加以修正。對(duì)于不同類型建筑,控制指標(biāo)不同,如高層結(jié)構(gòu)主要控制沉降量,多層框架結(jié)構(gòu)控制沉降差。計(jì)算所得沉降超規(guī)范要求時(shí)應(yīng)修改沉降較小的基礎(chǔ)形式或者通過(guò)地基處理改善地基壓縮性。

        1.3 基礎(chǔ)強(qiáng)度和耐久性

        基礎(chǔ)強(qiáng)度即指獨(dú)立基礎(chǔ)或者樁基承臺(tái)本身抗剪、抗彎、抗沖切滿足要求?;A(chǔ)耐久性是指地基土及土中水對(duì)基礎(chǔ)的鋼筋和混凝土有腐蝕性,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮腐蝕性采取相應(yīng)措施,如增加保護(hù)層厚度等。

        2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相關(guān)因素分析

        設(shè)計(jì)時(shí),要考慮場(chǎng)地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,同時(shí)也要考慮建筑物的使用要求、上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工條件等各種因素,另外新施工工藝和新技術(shù)也給設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多選擇,以下簡(jiǎn)單分析說(shuō)明。

        2.1 上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的影響主要體現(xiàn)在荷載大小和荷載分布特點(diǎn)。

        荷載小的建筑,基底壓力和基底附加壓力都小,對(duì)地基承載力要求低,引起的沉降也小??梢詢?yōu)先考慮淺基礎(chǔ),持力層可選擇原狀好土或經(jīng)人工壓實(shí)處理的一般土,不滿足時(shí)再考慮深基礎(chǔ)。如承載力滿足,變形不滿足,可考慮采用減沉復(fù)核疏樁基礎(chǔ)。或通過(guò)注漿、局部換填等地基處理方法增大基礎(chǔ)變形主要壓縮深度內(nèi)的壓縮模量,減少沉降。若建筑物的荷載大,如高層建筑,常采用深基礎(chǔ)。

        荷載分布主要分為條狀分布或者點(diǎn)狀分布,條狀分布的砌體結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)更適合條形基礎(chǔ)或條形承臺(tái),也可采用大筏板。點(diǎn)狀荷載可采用獨(dú)立基礎(chǔ)或方形承臺(tái)。荷載分布與承臺(tái)形式相適應(yīng)的話,傳力會(huì)更加直接,相對(duì)節(jié)省造價(jià)。

        上部結(jié)構(gòu)的使用功能對(duì)基礎(chǔ)的也有影響,對(duì)于沉降值或者沉降差有特別要求的精密儀器測(cè)量間等,即使淺基礎(chǔ)滿足承載力和變形規(guī)范要求,也有可能要設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)以滿足更嚴(yán)格的沉降要求,解決沉降差問題則可采用整體性較好的筏板基礎(chǔ)或者獨(dú)立承臺(tái)間增設(shè)拉梁。

        2.2 地質(zhì)條件影響

        地基基礎(chǔ)是一門以經(jīng)驗(yàn)為主的學(xué)科,在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),必須堅(jiān)持因地制宜的原則,充分考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件以及本地的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),合理地進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì),地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有一定的地域性。例如同樣是沿海地帶,廣東珠海一帶對(duì)深厚淤泥地基常采用預(yù)壓或者抽真空加固,而福建地區(qū)則更多采用承臺(tái)范圍幾米內(nèi)淤泥采用水泥攪拌樁加固,同時(shí)限制管樁樁徑的做法,避免剛度過(guò)小樁被擠歪。

        地質(zhì)勘察資料是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的前置條件,我們基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的承載力、壓縮模量、抗浮設(shè)計(jì)地下水位等參數(shù)取值都應(yīng)以勘察報(bào)告為依據(jù)。

        當(dāng)軟弱土層下直接為密實(shí)卵石層,碎塊狀花崗巖或中微風(fēng)化花崗巖,且選取以上土層為持力層時(shí)不得選用預(yù)制樁基礎(chǔ)。因?yàn)楣軜兑坏┐┻^(guò)覆蓋層就立即接觸硬層,貫入度會(huì)立即變得很小,樁身反彈特別厲害,管樁容易出現(xiàn)破壞現(xiàn)象;或樁尖變形、或樁頭打碎,或樁身破裂。預(yù)制樁適用于從上到下,土層從軟到硬漸變的地基。

        對(duì)于灌注樁基礎(chǔ),理論上最好不要以砂層、殘積性黏土層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層為持力層,因?yàn)榭椎壮猎鼰o(wú)法清理干凈。強(qiáng)風(fēng)化層和黏土層遇水軟化,承載力會(huì)急劇降低。砂層會(huì)由于清渣作用,水土流失,密實(shí)性變差,同樣降低承載力。

        對(duì)于特殊性土,除了常規(guī)考慮外,設(shè)計(jì)時(shí)還得研習(xí)相關(guān)規(guī)范,如軟土及濕陷性黃土地基樁基設(shè)計(jì)時(shí)得考慮負(fù)摩阻力的影響,膨脹土和凍土地基得考慮脹拔力和凍拔力影響。

        對(duì)于特殊項(xiàng)目的勘察報(bào)告,除了照本宣科設(shè)計(jì),我們還要能站在設(shè)計(jì)的角度,對(duì)勘察內(nèi)容和勘察成果提要求。如對(duì)于巖溶土洞地區(qū),當(dāng)可能采用單柱單樁設(shè)計(jì)時(shí),則應(yīng)要求地勘采用超前鉆,每柱都設(shè)勘探點(diǎn)。對(duì)于地質(zhì)起伏較大的項(xiàng)目,在初勘資料出來(lái)后,如有需要?jiǎng)t可要求勘察單位加密勘探點(diǎn)補(bǔ)勘,以獲得更全面的設(shè)計(jì)資料。

        受限于勘探成本和勘探工期的限制,勘察報(bào)告上的部分參數(shù)也是經(jīng)驗(yàn)取值,并無(wú)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其精確性有一定局限性。有時(shí)設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步驗(yàn)證地勘準(zhǔn)確性也可協(xié)調(diào)業(yè)主單位組織做更有說(shuō)服力的原位載荷實(shí)驗(yàn)。

        案例⑴:福州某高層住宅項(xiàng)目,采用樁基礎(chǔ),設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)勘察報(bào)告和規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式,樁基承載力特征值取3100KN。施工前組織試打樁并且做載荷實(shí)驗(yàn),在荷載加載5500KN時(shí),樁頂總沉降量已達(dá)40mm,最后設(shè)計(jì)承載力特征值修正為2600KN。施工前試打樁及時(shí)論證樁基承載力,避免了大面積補(bǔ)樁。

        案例⑵:莆田綬溪片區(qū)某高層住宅項(xiàng)目,地處山坡地,屬于山地項(xiàng)目。項(xiàng)目底板標(biāo)高為原始土面往下開挖10-14m,底板底土層為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r。地勘報(bào)告土層修正后承載力取500KPa,32層項(xiàng)目基底壓力約為550KPa,按地勘數(shù)據(jù)應(yīng)采用樁基礎(chǔ)。由于兩者數(shù)值相差不大存在做筏板基礎(chǔ)的可能性,我們建議業(yè)主單位組織做按600KPa 的承載力要求去做淺層平板載荷實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,荷載加載至1200KPa 時(shí)承壓板沉降小于6%,承載力特征值修正為600KPa,項(xiàng)目按淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì),節(jié)約了大量經(jīng)濟(jì)成本和項(xiàng)目工期。該項(xiàng)目已竣備,沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)未見異常。

        2.3 施工條件的影響

        設(shè)計(jì)前應(yīng)落實(shí)施工條件,如設(shè)計(jì)管樁時(shí),應(yīng)落實(shí)項(xiàng)目所在地是否臨近學(xué)校、居民區(qū)等對(duì)噪音敏感的建筑物,如有則大概率要按靜壓樁設(shè)計(jì),不得采用錘擊工藝。對(duì)于卵石層厚的項(xiàng)目,如不能采用錘擊工藝,靜壓施工時(shí)設(shè)計(jì)說(shuō)明應(yīng)寫明引孔做法。

        施工順序也會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有一定影響,部分項(xiàng)目先開挖基坑再打樁,常常出現(xiàn)地下室預(yù)制邊樁沒有空間施工的問題。設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況把部分預(yù)制樁改為灌注樁,或當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采用邊樁器施工預(yù)制樁時(shí),承載力不滿足設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)應(yīng)復(fù)核補(bǔ)強(qiáng)。

        基礎(chǔ)檢測(cè)批次對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也有一定影響。如地下室基礎(chǔ)采用管樁時(shí),部分設(shè)計(jì)師為了追求樁數(shù)最少精細(xì)化設(shè)計(jì)采用500/600 徑多種型號(hào)組合。但現(xiàn)場(chǎng)頻繁換樁頭,且導(dǎo)致了靜載檢測(cè)樁數(shù)的增加,靜載費(fèi)用單根樁1 萬(wàn)多,相當(dāng)于2 根500 徑30m 的樁,總賬算起來(lái)不一定劃算。

        2.4 新施工工藝和新技術(shù)

        新技術(shù)和新工藝為設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的工具和選擇余地。下面簡(jiǎn)單介紹下兩種新技術(shù)“植樁+超高強(qiáng)管樁”、“可控剛度樁筏基礎(chǔ)”的應(yīng)用。

        ⑴植樁法。所謂植樁法就是預(yù)制樁施工時(shí),按照設(shè)計(jì)要求的樁長(zhǎng),預(yù)先鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高,再埋入預(yù)制樁的施工方法。若在鉆孔內(nèi)注入水泥漿、砂漿、細(xì)石混凝土或其他固樁材料,再植入預(yù)制樁,可以形成復(fù)合管樁,如圖1。

        圖1

        圖2

        圖3

        植樁法主要能解決基巖埋深較淺的情況,采用預(yù)制樁無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng),采用灌注樁造價(jià)又較高,此時(shí)采用兩者中和的植樁法能較好解決以上問題。以某項(xiàng)目為例,植樁法和灌注樁經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表1。

        表1

        ⑵可控剛度樁筏基礎(chǔ)。適用于孤石多成樁困難且基底為好土地區(qū),原理是在灌注樁樁頂安裝可以協(xié)調(diào)變形的支座,協(xié)調(diào)樁土剛度不差太多,使得樁土可以共同作用,上部荷載部分分擔(dān)給土,減少了樁數(shù),從而節(jié)約造價(jià)和工期。以某項(xiàng)目為例,可控剛度樁筏基礎(chǔ)和純灌注樁基礎(chǔ)對(duì)比如下(樁數(shù)由81根減少為59)。

        3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基本流程

        基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基本流程是:⑴收集項(xiàng)目施工條件,施工順序,當(dāng)?shù)厥欠裼薪霉に嚨刃畔?,設(shè)計(jì)時(shí)提前避免。⑵根據(jù)項(xiàng)目建筑資料,建模計(jì)算柱底力,根據(jù)柱底力大小和項(xiàng)目功能初步估計(jì)基礎(chǔ)形式。⑶更重要的仔細(xì)分析地質(zhì)和水文條件,判斷成樁難度,預(yù)估能用的基礎(chǔ)形式和確定基礎(chǔ)所需驗(yàn)算內(nèi)容。⑷布置基礎(chǔ),輸入荷載和地勘參數(shù)通過(guò)電算加以驗(yàn)證修改。⑸遇到特殊地質(zhì)或復(fù)雜地質(zhì)時(shí),還可考慮新工藝新技術(shù)是否能用上。⑹對(duì)按照以上步驟篩選出來(lái)的基礎(chǔ)方案進(jìn)行造價(jià)和工期對(duì)比,選出更優(yōu)解。

        4 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分,對(duì)建設(shè)項(xiàng)目工期和造價(jià)都影響巨大,也是業(yè)主的關(guān)切點(diǎn)。根據(jù)本次對(duì)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原理和相關(guān)影響因素的分析,可以看出,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜并且和個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)個(gè)人知識(shí)背景息息相關(guān)。

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