某高層建筑基礎(chǔ)優(yōu)化選型研究

劉明林

(河南省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450003)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，高層建筑的建設(shè)與發(fā)展已進(jìn)入新階段［1-2］。高層建筑的基礎(chǔ)形式已成為建筑物安全、造價(jià)和工期的關(guān)鍵因素。出于承載力和變形控制的需要，大多高層建筑采用樁基或地基處理后的復(fù)合地基，而直接將天然地基作為高層建筑基礎(chǔ)的案例非常少［3-5］。基于高層建筑天然地基基礎(chǔ)型式選擇的成功案例，可為類似工程提供參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地位于鄭州市京廣路與代莊南街交叉口西北角，擬建建筑主要有3棟22～27層、2～5層商業(yè)組成，地下3層連為一體。建筑物特征如表1所示，各建筑物的平面布置如圖1所示。

表1 擬建場(chǎng)地建筑物特征

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)概況

場(chǎng)地地層主要包括粉土、粉質(zhì)粘土及粉砂等。根據(jù)建筑物基礎(chǔ)埋深，基礎(chǔ)持力層為粉質(zhì)粘土層，硬塑，層厚為5.51 m，下部無軟弱下臥層。基礎(chǔ)持力層及以下主要地層的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖1 擬建場(chǎng)地建筑物平面布置圖(單位:mm)

表2 主要地層物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 水文條件

擬建場(chǎng)地潛水位埋深約18.0 m左右，潛水位年變化幅度0.5～1.0 m。

3 基礎(chǔ)選型分析

3.1 承載力驗(yàn)算

根據(jù)建筑物基礎(chǔ)埋深，第8層粉質(zhì)粘土為持力層，設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)形式為主樓采用筏板基礎(chǔ)，地下車庫(kù)及裙樓采用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板，分別通過修正式(1)和式(2)對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果分別為fa=307.8 kPa和fa=348 kPa，均小于各建筑物基底壓力，因此，天然地基不滿足承載力要求，具體計(jì)算參數(shù)和結(jié)果如表3所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)形式，天然地基承載力不滿足要求，經(jīng)與設(shè)計(jì)方協(xié)商后，建筑物基礎(chǔ)形式調(diào)整為主裙樓均采用筏板基礎(chǔ)，將車庫(kù)基底壓力折算成土層厚度與主樓底板厚度一起作為基礎(chǔ)埋深，通過式(1)對(duì)地基承載力進(jìn)行修正，得出fa=481 kPa，小于A座和B座建筑的基底壓力，不滿足承載力要求，但大于C座建筑基底壓力，滿足承載力要求。具體計(jì)算參數(shù)和結(jié)果如表3所示。

式中:fak為某地層地基土承載力特征值;ηb為基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正系數(shù);γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度;b為基礎(chǔ)底面寬度;ηd為基礎(chǔ)埋置深度的地基承載力修正系數(shù);γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度;d為基礎(chǔ)埋置深度;Mb、Md、Mc為承載力系數(shù)。

表3 地基承載力驗(yàn)算表

在主裙樓均采用筏板基礎(chǔ)的條件下，可將A座25層樓和B座27層樓的基礎(chǔ)外擴(kuò)，以滿足承載力要求。當(dāng)A座樓和B座樓分別外擴(kuò)1.0 m和1.5 m時(shí)，基底壓力分別為475 kPa和476 kPa，滿足地基承載力要求。因此，采用天然地基是可行的。

3.2 沉降分析

按調(diào)整后的基底壓力，采用分層總和法對(duì)建筑物的沉降和差異沉降進(jìn)行估算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 天然地基沉降計(jì)算結(jié)果匯總表

由計(jì)算表分析可以看出，主樓的最大沉降在100～122 mm之間;建筑物封頂時(shí)沉降量達(dá)總沉降量的60%，主裙樓沉降差在60 mm左右，小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》平均沉降值200 mm，整體傾斜遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值0.25%，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，擬建場(chǎng)地建筑在主裙樓采用筏板基礎(chǔ)情況下，A座25層樓、C座22層樓基礎(chǔ)外擴(kuò)1.0米以上，B座27層樓外擴(kuò)1.5米以上，采用天然地基是可行的。

4 平板載荷試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 平板載荷試驗(yàn)

根據(jù)擬建場(chǎng)地建筑物布置情況和基礎(chǔ)埋深，在持力層位置進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)，從而得到該土層的變形模量以及承載力特征值，對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 天然地基淺層平板載荷試驗(yàn)概況表

由表5試驗(yàn)結(jié)果可得，第⑧土層的變形模量最大平均值E08=44.56 MPa，平均值為38.234 MPa，承載力特征值fak=320 kPa。

4.2 承載力驗(yàn)算

通過平板載荷試驗(yàn)，計(jì)算得出持力層的承載力特征值fak=320 kPa，大于設(shè)計(jì)時(shí)的250kPa。因而，在主裙樓均采用筏板基礎(chǔ)形式的條件下，A座、B座及C座建筑物地基承載力均滿足要求，故采用天然地基是可行的。

4.3 沉降驗(yàn)算

根據(jù)平板載荷試驗(yàn)結(jié)果，按比例估算各土層變形模量，根據(jù)變形模量對(duì)天然地基的沉降進(jìn)行計(jì)算分析，變形模量計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 各土層變形模量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)各土層變形模量對(duì)各建筑的最終沉降量進(jìn)行估算，并和按分層總和法計(jì)算的沉降結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如表7所示。

表7 各建筑物最終沉降量對(duì)比分析表

由表7分析可得:地基承載力滿足要求，各主樓的最終沉降量、整體傾斜、主裙樓的差異沉降也滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。因此，在裙樓采用筏板基礎(chǔ)情況下，A座、B座和C座地基滿足承載力要求，進(jìn)一步驗(yàn)證采用天然地基是可行的。

5 沉降觀測(cè)

按照變形觀測(cè)精度等級(jí)為一級(jí)工程的沉降觀測(cè)要求，根據(jù)規(guī)范及現(xiàn)有場(chǎng)地的條件，在施工過程中對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。從基礎(chǔ)開始施工到建筑物封頂期間，分別對(duì)A座、B座、C座進(jìn)行沉降觀測(cè)，結(jié)構(gòu)封頂時(shí)的觀測(cè)結(jié)果如圖2所示，AB裙樓和BC裙樓沉降觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖2 建筑A、B、C座主樓各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量散點(diǎn)圖

由圖2分析可得，A座、B座、C座建筑物在施工期間都產(chǎn)生了沉降，累計(jì)沉降量最大值分別為10.90 mm、10.84 mm、16.00 mm，基本不存在差異沉降，各主樓沉降值都在控制范圍內(nèi)。C座建筑物沉降量大，主要是由于其周圍環(huán)境較為復(fù)雜，西側(cè)距住宅樓較近，荷載稍大。

由圖3分析可得，A、B座間裙樓和B、C座間裙樓建筑物隨著主樓建筑物的施工，產(chǎn)生了不同的沉降，A、B座間裙樓和B、C座間裙樓建筑物累計(jì)沉降量最大值分別為4.37 mm和1.98 mm，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值相差不大，基本不存在沉降差異。

圖3 AB裙樓和BC裙樓各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量散點(diǎn)圖

綜上分析，主裙樓均采用筏板基礎(chǔ)，天然地基承載力滿足要求，沉降量也滿足規(guī)范要求?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各建筑物沉降數(shù)據(jù)均小于理論計(jì)算值，主要原因是計(jì)算過程中所取的參數(shù)及相應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算造成的。在以后類似工程計(jì)算中進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)的選取，可使計(jì)算結(jié)果更符合工程實(shí)際。

6 結(jié)論

(1)高層建筑多采用主裙樓一體結(jié)構(gòu)形式，若采用天然地基，首先要滿足地基承載力和沉降量的要求，在此基本條件下，可優(yōu)化基礎(chǔ)選型，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求;同時(shí)可降低成本，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)高層建筑采用天然地基都要遵循計(jì)算—驗(yàn)算—校核的過程，以保證擬建工程的安全。本工程通過理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)淺層平板載荷試驗(yàn)驗(yàn)算及校核，總結(jié)得出:建筑物采用主裙樓均為筏板基礎(chǔ)形式，地基承載力滿足要求，主樓平均沉降量、整體傾斜、主裙樓的差異沉降也滿足要求。

(3)通過現(xiàn)場(chǎng)布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:在A座、B座、C座主裙樓均采用筏板基礎(chǔ)，并且主樓基礎(chǔ)外擴(kuò)1.0米以上時(shí)，建筑物沉降值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，并且基本不存在差異沉降，說明本工程天然地基是成功的，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似工程提供參考。

(4)無論采用分層總和法，還是采用變形模量計(jì)算的沉降量均大于實(shí)測(cè)沉降量，說明選取的參數(shù)與實(shí)際有一定偏差，需進(jìn)一步積累資料，完善取值方法。

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