變剛度調(diào)平在塔臺(tái)樁基設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：影響高層建筑樁基沉降的因素很多，在既有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，樁基布置方式為重要影響因素，本文通過介紹變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理念的基本概念，闡述了一種可以有效減少高層建筑樁基沉降特別是核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并通過在實(shí)際工程中的運(yùn)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：樁基；變剛度調(diào)平；沉降

中圖分類號(hào)：TU44.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

影響樁基沉降的因素包括：（1）土層參數(shù)。土質(zhì)固結(jié)程度越高沉降越少。（2）上部結(jié)構(gòu)荷載。上部結(jié)構(gòu)荷載越高，承臺(tái)底有效應(yīng)力越大，沉降越大。（3）樁基布置形式，群樁需考慮樁.土協(xié)同作用。（4）承臺(tái)尺寸，承臺(tái)或筏板面積大可以有效減少建筑物各部分不均勻沉降。傳統(tǒng)的樁基設(shè)計(jì)樁基布置大體均勻，均勻布樁的地基變形特征為中間變形大，外圍變形小，呈明顯的碟形。樁頂反力則表現(xiàn)為馬鞍形分布，在此類型的受力系統(tǒng)中的不均勻地基變形與結(jié)構(gòu)所受到外部力同樣也是一種主動(dòng)作用，土體在該主動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生有效應(yīng)力。在嚴(yán)重變形筏板基礎(chǔ)或樁基布置不合理的樁承臺(tái)的土體下面的變形呈碟形分布，土體的變形又進(jìn)一步引起結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)主體的額外底部反力，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈進(jìn)一步變形破壞趨勢(shì)。我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路中通常只考慮靜力平衡，往往會(huì)忽略建筑主體、樁基、地基土協(xié)同受力。變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理念提出的目的就是用來改變上述不利因素的。

2 基本原理

變剛度調(diào)平概念設(shè)計(jì)旨在根據(jù)建筑主體、樁基、地基土協(xié)同受力規(guī)律人為的調(diào)整樁基布置間距、長度、樁徑等來減小房屋建筑下土體的不均勻變形、同時(shí)有效使用承臺(tái)內(nèi)部應(yīng)力和削弱上部結(jié)構(gòu)額外內(nèi)力，以節(jié)約資源，突破傳統(tǒng)，提高建筑物受力合理性以延長其安全壽命。

在不做任何處理的情況下，荷載均勻分布的上部結(jié)構(gòu)和樁基均勻分布的下部結(jié)構(gòu)其變形方式是內(nèi)大外小的規(guī)律，這是因?yàn)橛捎谕僚c土、樁之間、土與樁的相互作用導(dǎo)致同樣的地基土在地板的不同位置其抵抗變形的能力也就是剛度產(chǎn)生了明顯差異，即外強(qiáng)內(nèi)弱。這種效應(yīng)實(shí)質(zhì)是一種場(chǎng)效應(yīng)，也可稱之為群樁效應(yīng)，是不利于建筑結(jié)構(gòu)本身的。對(duì)于框剪、框架核心筒結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)荷載分布外小內(nèi)大的情況尤為明顯，若還采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法布置樁基，則碟形變形會(huì)被放大，需修改。

為避免上述不利因素，現(xiàn)引入變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理念，合理布置基礎(chǔ)與樁基可以使差異沉降減到最小，使得基地反力分布模式與上部結(jié)構(gòu)荷載分布相適應(yīng)。實(shí)現(xiàn)變形、內(nèi)力、資源消耗更加優(yōu)化。具體做法有：

1）局部加密加強(qiáng)布置基礎(chǔ)或樁基。每個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)土體的作用根據(jù)結(jié)構(gòu)類型不盡相同，具體體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的對(duì)土體作用的重心位置不同，在結(jié)構(gòu)對(duì)土體作用的重心部位，可對(duì)其下的基礎(chǔ)或者樁基做一個(gè)加密處理或者加大樁徑或加長等方式處理。特殊情況下還可使用復(fù)合地基。

2）主樓與裙樓相連情況下變剛度調(diào)整。對(duì)于主樓與裙樓或此樓連體的建筑基礎(chǔ)，同樣可以根據(jù)變剛度調(diào)平理念原則來強(qiáng)化主樓弱化裙樓的基礎(chǔ)或樁基達(dá)到效果。必要時(shí)可采用增沉措施以達(dá)到兩者間差異沉降小于安全值。

3 工程案例

隨著我國機(jī)場(chǎng)建設(shè)步伐加快，各種大跨度、大偏心、高聳結(jié)構(gòu)相繼涌現(xiàn)。其中又以空管工程中的高聳構(gòu)筑物塔臺(tái)為典型代表。本文計(jì)算模型采用武漢新塔臺(tái)：建筑高度115米，地下1層，地上共22層，主體為筒體結(jié)構(gòu)。1層筒體短邊方向8.6m，長邊方向14.2m，負(fù)一層層高7.5m，設(shè)消防水池、集水坑，長邊方向23.2m，短邊方向16m，采用樁筏基礎(chǔ)，樁基布置如圖，有效樁長32m。分析過程采用Midas building 有限元分析軟件對(duì)整個(gè)樁基及其底板的內(nèi)力進(jìn)行迭代分析，并在布置過程中嘗試了多種樁基布置方案，最終以下圖的樁基布置圖為最優(yōu)。從圖中可以看到，塔臺(tái)核心筒下面的底板、剪力墻其內(nèi)力相應(yīng)較大，在此位置調(diào)整樁基，適當(dāng)加密。遠(yuǎn)離塔臺(tái)核心筒處底板內(nèi)力相應(yīng)較小，在此處位置調(diào)整樁基，適當(dāng)減小樁長，分析得出沉降滿足規(guī)范要求。上述分析過程即是運(yùn)用變剛度調(diào)平原理減少不均勻沉降的案例，后期通過沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值相接近。

4 結(jié)論與展望

規(guī)范初次提出變剛度調(diào)平概念，其理論與計(jì)算不足夠直接套用實(shí)際工程，現(xiàn)階段只能在工程中慢慢摸索，用理論、概念指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。

適當(dāng)減少筏板外圍樁基可以更好的利用筏板與上部結(jié)構(gòu)與土體三者共同作用。不但減少了沉降，同時(shí)取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊小平.土力學(xué)及地基基礎(chǔ)[M].2005，26（3）：441.444.

[2]建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94.2018）.56.58.

作者簡介：萬瑜，男，江西宜春人，碩士，中級(jí)職稱，研究方向?yàn)閹r土地下結(jié)構(gòu)。