樁基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)應(yīng)用

成 琪

(晉城市建筑設(shè)計(jì)院，山西 晉城 048000)

樁基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)應(yīng)用

成 琪

(晉城市建筑設(shè)計(jì)院，山西 晉城 048000)

結(jié)合工程實(shí)例，通過分析工程地質(zhì)條件，確定了高層建筑均勻布樁的變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理念，闡述了具體的設(shè)計(jì)原理及方法，總結(jié)了樁基采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)后的優(yōu)點(diǎn)。

樁基礎(chǔ),變剛度調(diào)平，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1 工程概況

工程為晉城市華都文化娛樂有限公司商業(yè)服務(wù)樓,總建筑面積20 800.87 m2。主體結(jié)構(gòu)形式為框架核心筒結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)高度62.550，地下2層,地上15層。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g),設(shè)計(jì)地震分組為一組，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)2013年7月晉城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提供的《晉城市華都文化娛樂有限公司商業(yè)服務(wù)樓巖土工程勘察報(bào)告》，場(chǎng)地土層分布見表1。

表1 土層分布情況

3 變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)

高層框筒結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)核心筒區(qū)剛度和荷載大，周邊框架剛度和荷載小，上部結(jié)構(gòu)剛度和荷載極不均勻。采用均勻布樁與厚筏板支承上部結(jié)構(gòu)，根據(jù)資料表明已建成的建筑其沉降呈現(xiàn)內(nèi)大外小蝶形分布，樁頂反力呈現(xiàn)內(nèi)小外大馬鞍形分布，蝶形差異沉降明顯引起基礎(chǔ)開裂，影響正常使用要求，為減小蝶形差異沉降只能增加筏板厚度，提高基礎(chǔ)配筋以增大基礎(chǔ)的抗彎剛度來抵抗地基變形，這樣既不經(jīng)濟(jì)效果又不理想。沉降變形出現(xiàn)內(nèi)大外小蝶形分布的原因主要是由于天然地基內(nèi)均勻布樁時(shí)樁基豎向剛度是均勻的；支承于樁基上的建筑物筏板，其剛度并非無限剛，筏板受上部建筑均布荷載作用后，土和樁、承臺(tái)的相互作用形成群樁效應(yīng)導(dǎo)致地基或樁群的豎向支承剛度出現(xiàn)外強(qiáng)內(nèi)弱逐步遞減的變化。如果中部荷載越高，則差異沉降表現(xiàn)更加顯著。

針對(duì)高層建筑均勻布樁帶來的差異沉降問題，采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理念。變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)就是根據(jù)初始布樁考慮地基基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用，分析計(jì)算沉降等值線，實(shí)施變樁距或變樁徑、變樁長布樁，調(diào)整樁土支承剛度分布，使荷載相對(duì)大的部位樁基剛度增強(qiáng)，荷載相對(duì)小的部位樁基剛度減弱，優(yōu)化樁基剛度，達(dá)到沉降和內(nèi)力平衡、協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)差異沉降減小，減小基礎(chǔ)內(nèi)力和節(jié)約建筑材料?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》3.18條規(guī)定對(duì)于框架—核心筒結(jié)構(gòu)高層建筑樁基，應(yīng)采取加強(qiáng)核心筒區(qū)域樁基剛度(例如通過增加樁基長度、樁基直徑、樁基數(shù)量、采用樁底及樁側(cè)后壓漿等措施提高樁基剛度)，核心筒外圍樁基剛度減弱(例如通過減小樁基長度、樁基數(shù)量等措施減小樁基剛度)，對(duì)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的樁基，應(yīng)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)與承臺(tái)、樁及土協(xié)同受力分析。

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程基底標(biāo)高為-10.200 m,建筑總重量336 320 kN,基底平均壓力P=270 kPa,核心筒荷載為136 083 kN,持力層為第③層粉質(zhì)粘土,天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fak=150 kPa,采用天然地基承載力和變形均不滿足，持力層第③層粉質(zhì)粘土需地基處理，如采用水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)處理，地基土層中存在碎石層和卵石層,CFG樁無法穿透。如采用大直徑人工成孔擴(kuò)底灌注樁，碎石層內(nèi)含地下水，施工期間需降水，碎石層滲透系數(shù)大，涌水量大，護(hù)壁隔水困難，嚴(yán)重威脅樁孔安全。綜合分析后基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。樁基采用旋挖成孔灌注樁，根據(jù)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的原則加強(qiáng)核心筒區(qū)域樁基剛度，采取樁長加長，減弱核心筒外圍樁基剛度，采取樁長減小。核心筒區(qū)樁徑800，樁距2.4 m，樁長23 m，單樁承載力特征值為3 000 kN,外圍框架樁徑800，樁距2.6 m，樁長15 m，正方形布置,單樁承載力特征值為2 100 kN。樁位布置見圖1。

基礎(chǔ)計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM中的JCCAD模塊進(jìn)行樁筏有限元分析，考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)及地基共同受力計(jì)算分析，基礎(chǔ)計(jì)算考慮SWATE計(jì)算上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的剛度、樁—土剛度、筏板剛度，采用計(jì)算方程([K]上部結(jié)構(gòu)凝聚剛度+[K]樁—土凝聚剛度+[K]筏板剛度){δ筏板位移}={P}上部結(jié)構(gòu)荷載+{P}筏板荷載計(jì)算。樁筏基礎(chǔ)沉降采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄Mindlin理論方法計(jì)算，沉降值見圖2。

在設(shè)計(jì)過程中分別采用樁基變剛度設(shè)計(jì)和采用均勻布樁設(shè)計(jì)的筏板及地梁進(jìn)行了對(duì)比，采用樁基變剛度設(shè)計(jì)的筏板及地梁內(nèi)力比采用傳統(tǒng)均勻布樁設(shè)計(jì)的筏板及地梁內(nèi)力小了大約20%～30%。樁基采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)后，實(shí)現(xiàn)墻、柱荷載與樁土抗力局部平衡，消除馬鞍形反力分布，減小筏板沖切、剪切、彎矩等內(nèi)力，剛度弱化區(qū)采用天然地基，減少用樁數(shù)量，降低建筑材料使用量，節(jié)約能源消耗，可取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 設(shè)計(jì)建議

框筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用樁筏基礎(chǔ)時(shí)宜采用上部結(jié)構(gòu)—筏板—樁土共同作用計(jì)算分析,增強(qiáng)核心筒區(qū)域樁基剛度,相對(duì)減弱周邊框架基礎(chǔ)下樁基剛度,調(diào)整樁基布置使核心筒與周邊框架相對(duì)沉降差減至最小,達(dá)到減小筏板地梁抵抗變形內(nèi)力,從而減小筏板地梁配筋，同時(shí)也減少樁數(shù)量達(dá)到節(jié)省造價(jià)目的。

[1] JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 姜文輝.巢斯上海中心大廈基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu),2012,42(6):131-134.

[3] 劉金波.建筑樁基技術(shù)規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

The application of variable stiffness leveling design of pile foundation

Cheng Qi

(JinchengArchitecturalDesignInstitute,Jincheng048000,China)

Combining with the engineering example, through the analysis on engineering geological conditions, this paper determined the variable stiffness leveling design concept of high-rise building uniformly pile layout, elaborated the specific design principles and methods, summarized the advantages of pile foundation using variable stiffness leveling design.

pile foundation, variable stiffness leveling, foundation design

1009-6825(2015)32-0078-02

2015-09-09

成 琪(1979- )，男，工程師

TU473.1

A