基于差異沉降控制的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法研究

朱兵見，溫高原

（臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

基于差異沉降控制的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法研究

朱兵見，溫高原

（臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

沉降縫、后澆帶和整體連接是控制建筑物各部分之間發(fā)生差異沉降的主要做法。參照工程實(shí)例，總結(jié)了三種現(xiàn)行方法的構(gòu)造、特點(diǎn)及其應(yīng)用。分析表明：沉降縫安全合理，但后續(xù)施工中對(duì)縫隙的蓋縫處理較難；后澆帶是建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中針對(duì)差異沉降采用的折中方案，在一定范圍內(nèi)能起到較好的效果；整體連接方式通過基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)的剛度來調(diào)整不均勻沉降，施工方便，但對(duì)基礎(chǔ)的要求較高，有待進(jìn)一步的理論研究分析和工程實(shí)踐檢驗(yàn)。伴隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，整體連接方式必將得到廣泛應(yīng)用。

差異沉降；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；沉降縫；后澆帶；整體連接

1 引言

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分，必須根據(jù)建筑物的用途和安全等級(jí)，場(chǎng)地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，以及上部結(jié)構(gòu)形式和施工技術(shù)條件等方面的要求，綜合考慮后進(jìn)行。為防止建筑物各部分由于不均勻沉降引起房屋破壞所設(shè)置的垂直縫稱為沉降縫。當(dāng)一幢建筑物建造在不同土質(zhì)且性質(zhì)差別較大的地基上，或建筑物相鄰兩部分的結(jié)構(gòu)形式、荷載和高度差別較大，以及相鄰墻體基礎(chǔ)埋深相差懸殊時(shí)，為防止建筑物出現(xiàn)不均勻沉降而導(dǎo)致墻體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)開裂，應(yīng)在沉降差異處設(shè)置貫通的垂直縫隙，將建筑物劃分成若干個(gè)可自由沉降的獨(dú)立單元。按現(xiàn)行規(guī)范要求，在高層建筑與裙房間必須設(shè)置沉降縫或后澆帶。［1］沉降縫是從建筑物基礎(chǔ)到屋頂全部貫通，沉降縫寬度與地基性質(zhì)和建筑高度有關(guān)。沉降縫的構(gòu)造與伸縮縫基本相同，但蓋縫的作法，必須保證相鄰的兩個(gè)獨(dú)立單元能夠自由沉降。沉降縫因其基礎(chǔ)也要斷開的特殊性為建筑物特別是高層建筑物的基礎(chǔ)處理帶來了很大的困難，而不同的結(jié)構(gòu)所采取的沉降縫基礎(chǔ)處理方式也就有了不同。這里就設(shè)置沉降縫和不設(shè)置沉降縫這兩種常用結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)處理方式做簡(jiǎn)要的闡述。

2 設(shè)置沉降縫

2.1 挑梁基礎(chǔ)

基于砌體結(jié)構(gòu)層數(shù)少，荷載小的特點(diǎn)，工程中可采用懸挑基礎(chǔ)來處理，即在沉降縫一側(cè)墻的基礎(chǔ)按正常設(shè)置，另一側(cè)的墻體由懸挑的挑梁承擔(dān)，挑梁梁端另設(shè)基礎(chǔ)梁和輕質(zhì)隔墻。形式可參考圖1，具體計(jì)算方法可參照懸挑梁基礎(chǔ)驗(yàn)算。［2］

當(dāng)框架結(jié)構(gòu)層數(shù)較少，且地基承載力較大時(shí)，可以對(duì)挑梁基礎(chǔ)做進(jìn)一步的改進(jìn)及采用懸挑式基礎(chǔ)，與磚混結(jié)構(gòu)相比，不同的是承重墻被承重柱所代替，因此對(duì)柱下基礎(chǔ)的抗沖切能力和對(duì)懸挑梁的抗傾覆能力有了更高的要求。懸挑基礎(chǔ)計(jì)算可分為兩部分：一部分為懸挑梁的計(jì)算，另一部分為懸挑梁下基礎(chǔ)寬度的計(jì)算。懸挑梁可按鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算，懸挑梁伸入墻內(nèi)長(zhǎng)度應(yīng)不少于1～2個(gè)開間。此伸入長(zhǎng)度不能僅滿足抗傾覆要求，而主要由基礎(chǔ)底部反力而定，具體計(jì)算這里不再敘述。

懸挑梁下基礎(chǔ)寬度的計(jì)算，我們可假設(shè)認(rèn)為懸挑部分的豎向力沿開間方向傳至1～2個(gè)開間（即懸挑梁伸入基礎(chǔ)的長(zhǎng)度），進(jìn)行計(jì)算。依這樣的假設(shè)，懸挑基礎(chǔ)邊緣基礎(chǔ)底部反力較大，懸挑梁尾部基底反力趨近為零。顯然此假設(shè)與實(shí)際并不吻合。實(shí)際上，懸挑梁具有相當(dāng)大的剛度而與建筑物已形成一體，已不在是一單獨(dú)構(gòu)件。不管是砌體結(jié)構(gòu)還是框架結(jié)構(gòu)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)盡量增大其整體性，所以考慮整個(gè)房屋結(jié)構(gòu)的共同作用，我們的假設(shè)計(jì)算是偏于安全的。懸挑梁下基礎(chǔ)寬度計(jì)算參數(shù)見圖1.

根據(jù)上述剖面圖中的F1、F2、q即可求出上部荷載作用的合力F及其形心位置，根據(jù)力的平衡及Pmax≤1.2f即可求出基礎(chǔ)寬度。在實(shí)際工程中，根據(jù)Pmax≤1.2f求得的基礎(chǔ)寬度是Pmax處最大寬度，這個(gè)寬度可近似取1個(gè)開間，其他部位基礎(chǔ)寬度可按無挑梁情況下計(jì)算寬度配筋即可［5］。

從理論上講，懸挑板基礎(chǔ)相對(duì)于懸挑梁基礎(chǔ)來說，受力更加合理一些。其計(jì)算依據(jù)等同于懸挑梁。從懸臂梁的外形可以看出，該處理方案非常適用于對(duì)建筑物的改造，特別對(duì)那些原有建筑物基礎(chǔ)埋深較深時(shí)，采用該形式基礎(chǔ)相對(duì)方便。因該基礎(chǔ)形式基底反力不均勻，受力較復(fù)雜，所以在施工懸挑基礎(chǔ)中，拆模時(shí)同樣必須拆除懸挑下所有模板支撐，以確?；A(chǔ)間相互獨(dú)立，互不影響。

圖2 雙墻基礎(chǔ)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the foundation of double-wall

圖1 挑梁基礎(chǔ)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the foundation of cantilever beam

2.2 雙墻方案

即在沉降縫兩側(cè)都設(shè)承重墻，以保證每個(gè)獨(dú)立單元都有縱橫墻封閉聯(lián)結(jié)，結(jié)構(gòu)整體性好。在兩承重墻間距較小時(shí)，為克服基礎(chǔ)的偏心受力，可采用在平面布置上為兩排交錯(cuò)設(shè)置的獨(dú)立基礎(chǔ)，上放承重墻的基礎(chǔ)梁。

2.3 偏心基礎(chǔ)

當(dāng)荷載較小，地基承載力又相對(duì)較高，可在雙墻的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行改動(dòng)，即可采用偏心基礎(chǔ)設(shè)置沉降縫（假設(shè)沉降縫兩側(cè)墻體為240mm），將交錯(cuò)布置的獨(dú)立基礎(chǔ)并排布置在承重墻的下面。偏心式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模型明確，計(jì)算過程和普通基礎(chǔ)相比只是多了組合偏心距的計(jì)算，因?yàn)楹奢d的較大偏心作用，基礎(chǔ)的沖切作用面積將增加，基礎(chǔ)的高度和基礎(chǔ)底部的配筋將隨之增大。［3］但實(shí)際施工并不復(fù)雜，其缺陷是所建的建筑物相對(duì)層數(shù)較少（一般三層左右）?；A(chǔ)簡(jiǎn)圖如圖2所示。［4］

2.4 跨越式基礎(chǔ)

框架結(jié)構(gòu)另外一種沉降縫地基處理方法便是跨越式基礎(chǔ)，特別是對(duì)新建建筑物。該方案基底反力分布比較均勻，概念清楚，并且相互獨(dú)立，自由沉降，從目前來看是最合理的。其計(jì)算依據(jù)為將條形基礎(chǔ)分割為若干獨(dú)立基礎(chǔ)，各獨(dú)立基礎(chǔ)的面積根據(jù)各獨(dú)立基礎(chǔ)上的豎向荷載設(shè)計(jì)值確定。沉降縫兩側(cè)墻體分別砌筑在各自獨(dú)立基礎(chǔ)上的連續(xù)梁上。施工時(shí)應(yīng)注意拆模時(shí)必須拆除連續(xù)梁底模板，沉降縫處側(cè)模可用聚苯板，以確保基礎(chǔ)能相互獨(dú)立，自由沉降，見圖3。

圖3 跨越式基礎(chǔ)分析圖Fig.3 Schematic diagram of the leaping foundation

但此基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)不易表達(dá)清楚，施工也較復(fù)雜，在工程中運(yùn)用也比較廣泛。如某小區(qū)經(jīng)濟(jì)適用住宅樓的沉降縫基礎(chǔ)處理實(shí)例，見圖4。該沉降縫兩側(cè)，一側(cè)為樁基，樁端落在基巖上，一側(cè)為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。因?yàn)閮蓚?cè)結(jié)構(gòu)差異沉降過大，最終將方案做了以下改進(jìn)：將33軸鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)分為幾個(gè)板塊并伸入到32軸樁基之間，板塊猶如橋墩來支承上部荷載。在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)地基承載力特征值，適當(dāng)考慮經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來確定板底面積。此方法使山墻的荷載由懸挑承載轉(zhuǎn)變?yōu)檩S心承載，解決了原設(shè)計(jì)的弊端。從理論上看，該設(shè)計(jì)變更受力明確合理，并且構(gòu)造清晰明了，縮小了沉降量，而且施工方便，降低了工程造價(jià)，確保了結(jié)構(gòu)安全可靠性。根據(jù)后來對(duì)主體結(jié)構(gòu)的相關(guān)觀察，沉降縫兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)的豎向沉降和水平伸縮互不影響，達(dá)到了預(yù)期效果。［6］

圖4 跨越式基礎(chǔ)實(shí)例圖Fig.4 Example diagram of the leaping foundation

3 不設(shè)置沉降縫

3.1 后澆帶處理

從上述沉降縫的處理方案上我們可以看出這些變形縫處往往出現(xiàn)雙梁、雙樁、雙墻，因而使結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜化，施工也麻煩，有時(shí)甚至為建筑功能所不允許。一般當(dāng)裙房伸出長(zhǎng)度不大于底部長(zhǎng)度的15%（或10米）時(shí)，由于應(yīng)力擴(kuò)散作用，裙房和主樓基底附加應(yīng)力相差不大，可以不設(shè)沉降縫。若樁的持力層是基本上是不可壓縮的巖石，且建筑沉降完成較快，也就是說所留后澆帶補(bǔ)澆混凝土后，連成整體的結(jié)構(gòu)完全可以承受剩余沉降差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，則可以設(shè)臨時(shí)變形縫，即后澆帶。設(shè)置后澆帶需要對(duì)裙房相應(yīng)的梁板加強(qiáng)配筋。鋼筋連通，先施工主樓，待主樓封頂，再施工裙房，待兩步分沉降基本穩(wěn)定后再澆后澆帶。對(duì)高壓縮性土地基，建筑物在今后的使用階段所產(chǎn)生的最終沉降量仍有可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)難以承受的內(nèi)力和變形，從而造成結(jié)構(gòu)的過大的裂縫，因此還是不容忽視的。要解決地基的沉降差異問題，僅靠設(shè)后澆帶這一項(xiàng)措施有時(shí)也是不可靠的。所以要根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算基礎(chǔ)沉降和沉降差，確定是否可以采用后澆帶的處理方法。［7］

底板后澆帶是地下防水工程中的薄弱環(huán)節(jié)。工程中常用的處理做法如圖5，6所示。

圖5 地下室底板后澆帶詳圖Fig.5 Example diagram of the construction post-cast strip in the floor of basement

圖6 地下室墻體后澆帶詳圖Fig.6 Example diagram of the construction post-cast strip in the roof of basement

3.2 主樓和裙房整體連接

主樓和裙房整體連接，就是主樓與裙房之間既不設(shè)置沉降縫也不設(shè)置沉降后澆帶，而是施工時(shí)直接連接成一個(gè)整體，通過基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)的剛度來調(diào)整不均勻沉降。由于整體連接方式施工方便、施工質(zhì)量容易保證，且已施工的結(jié)構(gòu)可以隨時(shí)投入使用，節(jié)約了施工成本，建造成本的回收時(shí)間提前，因此主樓和裙房基礎(chǔ)連接也是大部分主裙樓結(jié)構(gòu)連接的發(fā)展方向。大底盤高層建筑隨著主樓外裙房面積的增大，厚筏基礎(chǔ)的變形特征逐漸由剛性、半剛性特征表現(xiàn)為柔性特征，裙房結(jié)構(gòu)以及厚筏基礎(chǔ)起到一定的擴(kuò)散荷載及調(diào)整不均勻沉降的作用。通過合理的設(shè)計(jì)，當(dāng)主樓和裙房的差異沉降控制在規(guī)范許可的范圍內(nèi)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)主樓和裙房基礎(chǔ)的整體連接。但是主樓和裙房一體又會(huì)牽涉到一系列的問題，比如是否有足夠的剛度抵抗不均勻沉降引起的剪力，偏心受壓時(shí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要注意哪些特殊的問題，實(shí)際運(yùn)用中是否可以簡(jiǎn)化等等。所以盡管現(xiàn)在有很多類似的工程案例，但大多都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，精確的結(jié)果仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。［8］

3.3 主樓和裙房采取不同基礎(chǔ)形式

主樓與裙房基礎(chǔ)相連設(shè)計(jì)可考慮采用協(xié)調(diào)二者基礎(chǔ)沉降的方法，即采取可靠措施將高層主樓部分的沉降減至最小，低層裙房部分的沉降在保證基礎(chǔ)承載能力和穩(wěn)定性的前提下適當(dāng)增大，以減小二者之間的沉降差。當(dāng)主樓層數(shù)多或地質(zhì)條件差時(shí)，需要采用樁箱或者樁筏基礎(chǔ)，層數(shù)小時(shí)也可以考慮采用剛性樁復(fù)合地基。裙房部分基礎(chǔ)可采用天然地基上的獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)或者格式基礎(chǔ)。水位高時(shí)，格式梁之間增設(shè)抗水板，也可以在梁板式筏型基礎(chǔ)的中間板下敷設(shè)苯板、爐渣等材料以增加局部沉降量。這些都是裙房的增沉、減小主裙沉降差異的有效措施。另一方面，設(shè)計(jì)中要考慮基坑開挖時(shí)地基土回彈再壓縮對(duì)減小主裙差異沉降的效應(yīng)。高層建筑一般均設(shè)地下室，裙房多數(shù)設(shè)計(jì)為天然地基，建造完成以后產(chǎn)生回彈再壓縮，因此使得主裙差異沉降減小，基坑開挖深度愈大、裙房荷載越大，主裙差異沉降也就越小。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合分析上述因素，考慮主樓與裙房的相互作用決定是否需要以及采取何種減小主裙差異沉降的措施。［10］

4 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)的處理基礎(chǔ)沉降縫的做法，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐都具有很大的可行性，但在沉降縫具體設(shè)計(jì)時(shí)需針對(duì)具體情況靈活處理?？偟膩碚f各種處理方式有一下優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）設(shè)置沉降縫的雙墻方案、懸挑方案以及跨越式基礎(chǔ)相對(duì)比較安全合理，但后續(xù)施工中對(duì)縫隙的蓋縫處理麻煩，不適用于一些對(duì)建筑立面有較高要求的建筑，其次也容易出現(xiàn)滲水漏水問題。同時(shí)會(huì)給采暖通風(fēng)電氣管線的設(shè)置帶來不便，從抗震性能來看，震害表明，設(shè)縫的建筑大多發(fā)生由于或輕或重的碰撞造成的局部破壞。

（2）不設(shè)置沉降縫的后澆帶方案滿足了建筑立面的整體性，是處理建筑與結(jié)構(gòu)在沉降縫方面矛盾的折中方案，在一定長(zhǎng)度范圍呢能起到較好的效果，但其最大弊病就是施工處理的麻煩，對(duì)工期也有很大的影響，所以后澆帶的設(shè)置部位應(yīng)更多考慮施工方便，后澆帶的成本增加主要體現(xiàn)在整個(gè)工程工期的拖長(zhǎng)，以及給地下室防水工作，管道安置帶來了一定的麻煩。

（3）主裙樓整體連接方案施工方便，最大程度上節(jié)約了施工時(shí)間，但對(duì)基礎(chǔ)的要求較高，且目前這方面的理論研究尚不完善，有待進(jìn)一步的理論分析和工程實(shí)踐檢驗(yàn)。

［1］陳祥福，邵偉，薛慶峰，申明亮.高層建筑與裙房間無沉降縫設(shè)計(jì)與工程實(shí)例［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6（4），815-820.

［2］李小峰，陳質(zhì)文.關(guān)于懸挑式基礎(chǔ)沉降縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題的探討［J］.林業(yè)科技情報(bào)，2008，40（2），46-47.

［3］Randoph M F.Wroth C P.An analysis of the vertical deformation of pile groups ［J］.Geotechnique，1979，29（4）：423-439.

［4］建筑制圖標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50104—2001）.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

［5］明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.

［6］胡佳泉，汪一鳴.黃山市天都小區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)用住宅樓沉降縫基礎(chǔ)處理工程實(shí)例［J］.安徽建筑，2006，（5）：125-126.

［7］沈勵(lì)操，鄭永強(qiáng)，仲崇民，魯寧.高層建筑與裙房基礎(chǔ)連為整體時(shí)的沉降觀測(cè)及分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2007，37（10）：78-81.

［8］王曙光，滕延京.大底盤建筑主裙樓基礎(chǔ)整體連接的可行性與適用性研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（2）：95-99.

［9］樓曉明，劉建航.建筑物沉降縫寬度的確定方法［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，32（2）：147-151.

［10］王濤.帶裙房高層建筑樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)與樁土相互作用影響系數(shù)的試驗(yàn)研究［D］.北京：中國(guó)建筑科學(xué)研究院博士學(xué)位論文，2007.

Study on Foundation Design Based on Differential Settlement Control

ZHU Bing-jian，WEN Gao-yuan
(School of Civil Engineering and Architecture,Taizhou University,Taizhou 318000,China)

Settlement joint,post-cast strip and integral connection are the three major methods to control differential settlement in foundation design. The construction practices, characteristics and application of different methods in current foundation design are summarized according to engineering examples. It shows that settlement joint is safety and reasonable while seam processing is difficult in the following construction. Post-cast strip is a compromise solution to deal with differential settlement in the design of architecture and structure.It is effective in a certain range.The mode of integral connection has the advantages of convenient construction.The differential settlement can be controlled by adjusting the foundation rigidity and structure rigidity. Because of the high requirements of foundation,it needs further theoretical research and engineering practice.The mode of integral connection will be widely used with the development of computer numerical analysis.

differential settlement;foundation design;settlement joint;post-cast strip;integral connection

周小莉）

TU470+.1

A

1672-3708（2011）06-0057-06

2011-03-20；

2011-10-17

浙江省教育廳項(xiàng)目（Y200906988）資助

朱兵見（1 9 7 4- ），女，山東費(fèi)縣人，碩士，講師，主要從事基礎(chǔ)工程教學(xué)和研究。