淺析樁筏基礎設計

徐祖林

1 工程概況

本工程位于海南省三亞市迎賓路，地下2層，地上裙房部分為5層，主樓部分為26層，總建筑面積54000m2，高度99.60m，為框架剪力墻結構?？拐鹪O防烈度為Ⅵ度，設計基本地震加速度0.05g，基本風壓Wo=1.05kN/m2（本工程基礎設計由風荷載控制）。擬建場地從上至下分別為：人工填土：①粉質粘土；②砂礫；③粉質粘土；④砂礫；⑤粉質粘土；⑥砂礫；⑦粉質粘土；⑧砂礫；⑨粘土；⑩粗砂；?粉質粘土；?砂礫；?粉質粘土；?砂礫；?粉質粘土；?強風化巖；?中風化巖。強風化巖位于基底約70m，地下水位常年較高，抗浮設計水位位于室外地面2m。由于地質條件比較復雜，故需進行綜合考慮地基基礎設計方案，滿足既安全又經(jīng)濟的要求。

2 基礎設計方案

通過對上部結構進行分析計算，主樓部分由于層數(shù)多且抗震墻基本布置在主樓部分，導致基底壓應力遠超過地基承載力允許值（除非筏板向四周擴展得很大）。而裙樓部分對地基產生的壓應力亦達到210kPa。由于本工程地下室與大面積的地下商業(yè)街銜接成為一個整體，地基承載力經(jīng)過修正后的承載力亦無法滿足裙房部分不設樁的條件，另外由于裙房面積相對來說比較大，為了控制主樓與裙房之間的不均勻沉降，考慮到樁的存在對減少樁筏基礎的沉降有明顯效果，并使建筑物的整體橫向傾斜大大改善，使建筑物均勻沉降，故最終選定樁筏基礎。

3 樁土共同承擔上部結構荷載

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）的規(guī)定，在適當加大樁間距，減少樁數(shù)，充分發(fā)揮筏板底的地基承載力是可行的，決定在基礎設計過程中考慮樁土共同作用，讓樁間土承擔一部分上部結構荷載。樁間土承擔上部結構荷載的比例根據(jù)相關文獻，高層建筑樁箱（筏）基礎在常規(guī)設計條件下，樁間土仍分擔上部荷載，樁間土地基反力略呈馬鞍形。在建筑物竣工時，箱（筏）底板可分擔小于26%的上部總荷載。在進行樁筏基礎設計時，經(jīng)常會出現(xiàn)單樁反力值大于單樁豎向承載力特征值，不滿足設計規(guī)范的情況，很多情況下設計人員習慣增加樁數(shù)，當原有樁的單樁豎向反力遠遠大于1.2Ra，即1.2倍單樁豎向荷載承載力特征值時，增加樁數(shù)會比較合適，反之，這樣處理會造成浪費，不經(jīng)濟。其實，當原有樁的單樁豎向反力不是遠大于1.2Ra，我們可以通過適當調整樁筏部分的基底反力系數(shù)K值，以達到相應增加地基土所承擔的反力，但又不超過地基土的承載力，從而降低樁端反力，達到使單樁反力值小于單樁承載力的目的，而不必用增加樁數(shù)來實現(xiàn)。一般而言，地基土所承擔的上部荷載值大概占10%左右為宜，此條與現(xiàn)行樁基礎設計規(guī)范5.2.5條文說明的分析數(shù)據(jù)一致，故在本工程中我們采用后者進行控制設計。

4 布樁方式

通常的布樁方式，是按《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）表3.3.3的要求布置，對于樁筏基礎，為避免筏板沖切問題，一般盡量把樁布置在混凝土墻的正下方，對于樁承臺基礎，在滿足單樁承載力的條件下，樁的布置盡量合理。在傳統(tǒng)的樁筏基礎設計中，主要采用等樁徑等樁長等樁距布置。然而對本工程而言，由于上部荷載的不均勻性及受場地限制，若采用均勻布樁將導致結構重心與基礎形心距離遠大于規(guī)范要求，同時也會使一些樁未能充分發(fā)揮作用，導致筏板出現(xiàn)較大的不均勻沉降?？紤]到主樓和裙房的荷載差異性，為了便于調整樁的樁徑和長度，故選用當前建筑工程中大量使用的灌注樁。

為了使基礎受力更加合理，沉降更加均勻，本工程采用目前比較時興的變剛度調平的設計理論進行設計。這種理論的樁位布置方式大體有如下幾種：等樁徑等樁長不等樁距，不等樁徑等樁長等樁距，不等樁徑等樁長不等樁距，樁徑樁長樁距均不等。針對本工程結構構件的布置和受力特點，決定采用樁長、樁距不等方式進行布樁。主樓部分選用較密的樁長41m、直徑800mm的混凝土灌注樁，承載力特征值為4000kN；裙房部分選用樁長25m、直徑800的混凝土灌注樁，承載力特征值為2400kN。設計中通過不斷調整樁距及樁的承載力，以達到筏板形心與上部結構重心基本重合的目的。

5 沉降計算

在試樁階段，本工程經(jīng)過靜載荷試驗，在單樁達到極限承載力時，樁的沉降值在34～50mm之間。本工程在不考慮樁土共同作用、采用地質資料自動反算的基床反力系數(shù)和樁豎向剛度時，沉降計算結果非常大，遠偏離實際試樁結果，明顯不具備合理性。當采用考慮樁土共同作用，根據(jù)沉降計算結果再不斷調整基床反力系數(shù)和樁豎向剛度，使最終的模型計算沉降值與試樁結果趨近一致。

6 沖切驗算

本工程為布置暗梁的平板樁筏基礎，筏板厚度主要受控于樁對筏板和剪力墻核心內筒、框架柱對基礎底板的沖切兩大因素控制。經(jīng)核算，主樓下核心筒區(qū)域筏板厚度取2000mm，主樓范圍內其它部位板厚取1200mm，裙房部分筏板厚度取600mm，在柱下集中布樁部位增設樁基承臺，經(jīng)計算筏板均滿足抗沖切要求。

7 基礎設計過程中的要點控制

（1）基礎布置盡量在墻下或者柱下集中布樁，以便更好的控制筏板的厚度。

（2）盡量使筏板形心與上部結構重心基本重合，本工程主要控制主樓的筏板形心與上部結構重心基本重合，基礎樁位布置見圖1。

圖1

（3）地基計算時，按柱底（墻底）內力布樁，選擇考慮樁土共同作用，設置基床反力系數(shù)和樁的豎向剛度值，計算模型，查看沉降值和樁、土分別承擔的荷載比例。依據(jù)工程實際的試樁結果，通過反復調整兩種樁的布置、單樁的豎向剛度值和基床反力系數(shù)k值，在滿足單樁承載能力的條件下，使工程樁沉降值與試樁沉降基本吻合，且滿足地基土所承擔的上部荷載值大概占10%左右，計算得41m長工程樁數(shù)量為352根，25m長工程樁數(shù)量為649根。當?shù)鼗嬎悴豢紤]土分擔荷載時，計算得41m長工程樁數(shù)量為392根，25m長工程樁數(shù)量為707根。

表1

由此可見，考慮樁土共同作用后，沉降計算值與工程試驗情況更接近時，因為考慮了土的承載能力，比不考慮土承載能力的樁數(shù)減少了約10%。

8 總結

本工程通過適當考慮樁土共同承擔上部結構荷載，使得基礎工程造價得到了很好的控制，但是工程設計過程中有兩點未能突破現(xiàn)行規(guī)范的約束，留下了遺憾：

（1）在現(xiàn)行規(guī)范的許可下，土體分擔的上部荷載只能取到10%左右，而根據(jù)有關專家的研究結果，在建筑物完工時可分擔小于上部總荷載的26%。

（2）依據(jù)現(xiàn)行高層建筑沉降理論分析和沉降實測數(shù)據(jù)，目前一般樁筏基礎中減少樁數(shù)大有潛力可挖，樁數(shù)可以減少，而且應該減少。一般可減少10～15%，這一部分沒有必要的安全儲備未能轉化為對工程成本的節(jié)約。

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