高層建筑地下室補(bǔ)償基礎(chǔ)設(shè)計研究

張志勇 張曄 李艷芳

摘要：現(xiàn)階段隨著高層建筑的不斷增多，但是在對其地下室樁基礎(chǔ)設(shè)計時，很少考慮樁間土對上層建筑的負(fù)荷，設(shè)計員在地下室補(bǔ)償基礎(chǔ)設(shè)計時，一般為了降低地下室基礎(chǔ)的沉降，通常會按照規(guī)范所規(guī)定的樁距來分布樁基，同時認(rèn)為樁基越多越密就越安全，這與實際情況并不相符并且增大了工程不必要的投入。本文以福州某地的某高層建筑為例，詳細(xì)說明了高層建筑中地下室補(bǔ)償基礎(chǔ)設(shè)計中的各種應(yīng)該注意和避免的問題。

關(guān)鍵字:地下室；樁筏基礎(chǔ)；樁間土；補(bǔ)償作用

引言

隨著城市建筑的規(guī)模在日益增大，高層建筑越來越普遍，對其地下室的補(bǔ)償基礎(chǔ)設(shè)計的研究也越來越多。傳統(tǒng)的地下室補(bǔ)償基礎(chǔ)通常采用的是摩擦樁和端成樁，樁基具有承載力高、沉降量小而較均勻的特點，幾乎可以應(yīng)用于各種工程地質(zhì)條件和各種類型的工程，尤其是適用于建筑在軟弱地基上的重型建（構(gòu)）筑物，但是在地下室補(bǔ)償基礎(chǔ)設(shè)計中，設(shè)計員的設(shè)計完全由樁本身承重，沒有考慮到實際情況下樁間土體也承受了部分負(fù)荷的情況。在地下室補(bǔ)償基礎(chǔ)設(shè)計時，一般為了降低地下室基礎(chǔ)的沉降，通常會按照規(guī)范所規(guī)定的樁距來分布樁基，同時認(rèn)為樁基越多越密就越安全。然而事實并非如此。

1 樁筏基礎(chǔ)樁—土反力實測結(jié)果分析

筏型基礎(chǔ)又叫笩板型基礎(chǔ)，即滿堂基礎(chǔ)，是把柱下獨立基礎(chǔ)或者條形基礎(chǔ)全部用聯(lián)系梁聯(lián)系起來，下面再整體澆注底板。由底板、梁等整體組成。建筑物荷載較大，地基承載力較弱，常采用砼底板，承受建筑物荷載，形成筏基，其整體性好，能很好的抵抗地基不均勻沉降。筏板基礎(chǔ)分為平板式筏基和梁板式筏基，平板式筏基支持局部加厚筏板類型；梁板式筏基支持肋梁上平及下平兩種形式。一般說來地基承載力不均勻或者地基軟弱的時候用筏板型基礎(chǔ)。而且筏板型基礎(chǔ)埋深比較淺，甚至可以做不埋深式基礎(chǔ)。

根據(jù)樁筏基礎(chǔ)實際測量結(jié)果分析結(jié)果可知，對于一般的非欠固結(jié)土樁基土，無論是摩擦樁還是端承樁，客觀上樁間土反力是存在的，并且能穩(wěn)定分擔(dān)15%—35%的上部荷載。這樣看來，樁間土承載力發(fā)揮著不可忽視的作用，如果不考慮其影響在增加工程耗費的同時也降低了工程的效率。

以福州某地的某高層建筑為例，該建筑結(jié)構(gòu)為23層，地下負(fù)一層，建筑物高83m，筏板由358根鋼筋混凝土預(yù)制樁組成，該樁厚1.25m，直徑為5dm。由結(jié)果（表1）可知，樁的承載力發(fā)揮效率為43.7%—59.9%，樁間土分擔(dān)的比例為15.4—32.5%，也就是說樁間土承載了接近四層的負(fù)荷。而設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計時完全沒有考慮樁間土的承重。樁間土承重的原因主要是因為樁在上部荷載壓力下，發(fā)生了變形和沉降，這樣就使得它也承受了一部分荷載。

表1 樁—土反力計算值與實測結(jié)果

２ 現(xiàn)行樁筏基礎(chǔ)設(shè)計存在的問題

現(xiàn)行樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計已經(jīng)全面考慮建筑上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)的相互作用，但是還存在著若干問題：

① 現(xiàn)階段我國關(guān)于高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的相互作用的理論模型，但是，需要通過許多假設(shè)的理論模型尚不能完全反映實際情況。例如通過很多實際測量的結(jié)果可知，樁筏基礎(chǔ)和箱筏基礎(chǔ)底板的整體彎曲率都非常小，比如甘肅地區(qū)的一些高層建筑的箱筏底板鋼筋應(yīng)力為20—30MPa，這個數(shù)字是預(yù)設(shè)鋼筋強(qiáng)度的十分之一，即便少數(shù)鋼筋應(yīng)力很大的工程其數(shù)值也小于70MPa。

② 很多有關(guān)設(shè)計人員考慮不夠周全，比如說地下室深基坑的開挖，會對原本建筑地基起到卸荷和補(bǔ)償作用，這樣可以降低原本建筑地基的負(fù)荷，以致降低了地基的附加應(yīng)力。并且在地下室設(shè)計時，地下水對樁筏基礎(chǔ)的浮力作用并沒有予以考慮，而是僅僅片面的考慮了局部作用力，造成工程的不必要支出。

③ 地下室外墻和回填間的摩擦力影響到了建筑物的沉降，同時補(bǔ)償?shù)鼗A(chǔ)，但是這點在相關(guān)文獻(xiàn)中都沒有提及。

３混凝土收縮應(yīng)力對地下室底板鋼筋應(yīng)力的影響

在高層建筑構(gòu)建樁筏基礎(chǔ)的視乎，由于底部筏板沒有受到出自身重力之外的其他豎直方向的應(yīng)力，這樣就使得混凝土在硬化的過程中能夠自由收縮，收縮應(yīng)變?yōu)椋?/p>

其中，t為天數(shù)， 為任意天數(shù)使混凝土的收縮應(yīng)變（mm/mm）, 為混凝土基本收縮方程， 分別為混凝土強(qiáng)度、溫度、養(yǎng)護(hù)方法、構(gòu)件尺寸和配筋率影響系數(shù)。

地下室的混凝土強(qiáng)度為C40，即 =1，配筋率約為0.26%，則 為0.863，常溫條件下， 約為1.143，養(yǎng)護(hù)為自然養(yǎng)護(hù)，則 為1.3，底板厚0.6m，則 為1.2。此時，當(dāng)t分別為7天、14天、28天時，混凝土的收縮應(yīng)變則分別為0.115/1000、0.152/1000、0.181/1000，當(dāng)t區(qū)域無窮大時，收縮應(yīng)變?yōu)?.223/1000。

現(xiàn)假設(shè)，鋼筋與混凝土沒有相對位移，則混凝土收縮就會使鋼筋出現(xiàn) 的預(yù)壓應(yīng)力，此時，當(dāng)t分別為7天、14天、28天時， 分別為23.0MPa、30.4MPa、36.2MPa，并且當(dāng)t趨于無窮大時，鋼筋產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)壓力為44.6MPa。

由于其他約束條件的存在，實際情況下鋼筋預(yù)應(yīng)力并不可能達(dá)到44.6MPa.

４ 樁筏基礎(chǔ)地下室受力特征

４．１ 地下室底板與樁及樁間土體的相互作用

地下室底板的上部荷載越大，則底板沉降越大，反作用力也就越大，樁間土摩擦阻力也越大，從而對樁的約束就越強(qiáng)。

４．２ 地下室外墻回填土的摩擦力作用

由于在對地下室進(jìn)行必要的回填的時候，回填土經(jīng)過層層夯實，這樣回填土與地下室外墻的摩擦力使得外墻不易水平移動，從而增加了建筑基礎(chǔ)的牢固性。由日本計算樁基抗震方法可知，當(dāng)?shù)叵率抑苓呁潦軜?biāo)準(zhǔn)錘擊進(jìn)入土體深度為20時，單層地下室承擔(dān)的地震剪力降低至30%，兩層地下室則可以忽略抗震中地震剪力問題。并且，外墻和回填土的摩擦力，可補(bǔ)償?shù)鼗A(chǔ)。陜西省電信網(wǎng)管中心大樓的外墻摩擦力平均值大于100KPa。

４．３ 地下室對地基或樁基的補(bǔ)償潛力

地下室的開挖，降低了原本地基的承載力，減輕了地基的負(fù)荷，從而對建筑地基或樁基的要求也會隨之有所下降。

４．４ 上部結(jié)構(gòu)對樁筏基礎(chǔ)變形的約束作用

在施工開始階段，完成不超過5層得時候，上層負(fù)荷比較小，尚不能使樁擠壓變形，因此主要的荷載體是樁間土。當(dāng)樓層層數(shù)超過5層時，樓層上部負(fù)荷逐漸增大，并且上部結(jié)構(gòu)整體剛性逐漸形成并且增大，隨著上部壓力的增大，對樁的擠壓也越來越大，樁基開始承重，并且5層以上的負(fù)荷基本上是有樁基承擔(dān)。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。