民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究*

王慶曉

(太原市建筑設(shè)計(jì)研究院 太原 030002)

1 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

1.1 功能性原則

民用建筑作為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦饕d體,是人們生存和發(fā)展的重要保障。現(xiàn)代社會(huì),人們生活物質(zhì)、精神文化需求不斷改變,對(duì)建筑物的需求不再局限于居住、學(xué)習(xí)、工作等,提出了更多功能性需求,對(duì)建筑外觀、建筑舒適度、生態(tài)性和智能化程度等也有了一定的要求。因此,建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮這一需求及未來發(fā)展方向,注重功能性設(shè)計(jì)原則,確保地基基礎(chǔ)能夠滿足新型民用建筑地基承載力的需求。

1.2 經(jīng)濟(jì)性原則

建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要貫徹經(jīng)濟(jì)性原則,在強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性,確保防水、承重、等級(jí)等均達(dá)到國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,要重視設(shè)計(jì)原材料和生產(chǎn)成本的投入,確保工程造價(jià)在合理范圍內(nèi)。同時(shí),要綜合考慮諸多因素,設(shè)計(jì)多個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案,綜合比對(duì)建材用量、施工難度、人力成本、工期等,選擇最能控制成本,擴(kuò)大企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案[1]。

1.3 協(xié)調(diào)性原則

民用建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案直接影響建筑物的安全。在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),基于建筑整體,協(xié)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)的剛度和延性設(shè)計(jì),滿足建筑低承載力和高延性的設(shè)計(jì)思想,避免遭遇突發(fā)自然災(zāi)害時(shí),建筑結(jié)構(gòu)剛度過強(qiáng),承載力驟增引發(fā)的建筑損壞或倒塌,或結(jié)構(gòu)剛度過小時(shí)導(dǎo)致的建筑物變形[2]。同時(shí),注重多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有效協(xié)調(diào),形成多道防線,構(gòu)成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)整體,有效分解和消除外力,保持建筑物的完整性。

2 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響因素

2.1 建筑上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)是民用建筑重要組成,其結(jié)構(gòu)剛度直接影響建筑物的基礎(chǔ)受力情況,主要原因?yàn)榻ㄖ喜拷Y(jié)構(gòu)高度與墻體厚度不同,建筑物上部荷載的差異,對(duì)其基礎(chǔ)受力情況產(chǎn)生關(guān)聯(lián)性的影響。倘若上部結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大時(shí),地基基礎(chǔ)隨之會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形,各豎向構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)均勻性的沉降現(xiàn)象。倘若上部結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小時(shí),上部結(jié)構(gòu)會(huì)缺乏基礎(chǔ)的約束,一旦基礎(chǔ)構(gòu)件出現(xiàn)彎曲,建筑物整體也會(huì)出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象。

因此,在進(jìn)行建筑上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),要基于建筑結(jié)構(gòu)的整體情況,科學(xué)分析和計(jì)算基礎(chǔ)的沉降量、穩(wěn)定性及抗變形能力,選擇適宜的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)類型、埋深等,確保滿足上部結(jié)構(gòu)荷載的需求[3]。

2.2 地質(zhì)條件

民用建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案與地質(zhì)條件緊密相關(guān),且地質(zhì)條件涉及范圍廣、牽扯因素復(fù)雜,會(huì)影響基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此,在對(duì)民用建筑進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),需要做好施工前期的地質(zhì)勘察工作,掌握必要資料,一般可通過勘測(cè)工作掌握擬建場(chǎng)地的相關(guān)地形地貌、周圍建筑物、附近交通、給排水等情況。同時(shí),同一建筑物采用的地基方案和基礎(chǔ)構(gòu)造不同,施工難度、工程造價(jià)等也存在較大差異,需要盡可能遵循設(shè)計(jì)原則選擇適宜方案。

另外,部分建筑物建設(shè)地形較為復(fù)雜,存在地基強(qiáng)度穩(wěn)定性不足、壓縮性大,無法滿足設(shè)計(jì)需求的情況。例如,部分土層內(nèi)部存在潛在傾斜滑動(dòng)面,或者滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度差,一旦遭遇外部荷載或地震,地基就有可能沿軟弱面水平位移,出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象,必須采取針對(duì)措施進(jìn)行處理,減輕地基變形,加強(qiáng)地基的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

2.3 施工環(huán)境

建筑施工環(huán)境主要包含自然環(huán)境和人工環(huán)境,自然環(huán)境的影響因素為環(huán)境溫度、抗震等級(jí),該影響因素主要針對(duì)鋼筋混凝土這一施工建材,倘若施工環(huán)境溫度過低,容易出現(xiàn)地基基礎(chǔ)開裂情況;或者存在地震影響,需要設(shè)置抗震縫,確定抗震縫數(shù)量及分布等。人工環(huán)境影響因素為建筑施工振動(dòng)、建筑施工打樁,樁基進(jìn)土階段會(huì)擠壓周圍土壤,產(chǎn)生一定應(yīng)力,繼而對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及附近地下管線產(chǎn)生影響,因此在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),要盡可能避免該影響。例如,在對(duì)某項(xiàng)目進(jìn)行抗震等級(jí)設(shè)計(jì)時(shí),需要綜合考量區(qū)域基本風(fēng)壓、風(fēng)荷載整體計(jì)算的結(jié)構(gòu)阻尼比、舒適度驗(yàn)算結(jié)構(gòu)阻尼比、基本雪壓以及地質(zhì)情況等因素,計(jì)算該塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震等不同地震烈度下結(jié)構(gòu)整體情況,確定對(duì)應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方案,確保建筑抗震性能達(dá)標(biāo)。

3 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)常見類型

3.1 樁基礎(chǔ)常見設(shè)計(jì)類型

樁基礎(chǔ)常見設(shè)計(jì)類型有混凝土灌注樁及預(yù)應(yīng)力管樁兩種,是保障建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要影響因素。其中,混凝土灌注樁設(shè)計(jì)時(shí),要以基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的功能滿足和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為首要目的,要重點(diǎn)考慮成樁位置、樁體大小等因素,考慮該設(shè)計(jì)形式是否會(huì)對(duì)建筑后續(xù)施工產(chǎn)生影響,保障建筑施工質(zhì)量。預(yù)應(yīng)力管樁是目前較為普遍的一種設(shè)計(jì)類型,具有施工噪音小,速度快等優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)為樁基的選擇與檢驗(yàn),倘若地基基礎(chǔ)承載力不足,要以實(shí)際承載力為基礎(chǔ),使用適量的樁基數(shù)量和排列方式。同時(shí),還要重視樁基的檢驗(yàn),在實(shí)際施工項(xiàng)目中,樁身會(huì)受到外界因素影響,出現(xiàn)斷樁、縮徑、擴(kuò)徑等缺陷,繼而導(dǎo)致樁基性能不佳,對(duì)建筑的整體穩(wěn)定性造成影響。對(duì)此,可采用靜荷載實(shí)驗(yàn)法、高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法對(duì)樁身完整性和樁基承載力等進(jìn)行檢驗(yàn),以滿足建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的承載力要求。

3.2 擴(kuò)展基礎(chǔ)常見設(shè)計(jì)類型

擴(kuò)展基礎(chǔ)是指上部結(jié)構(gòu)通過墻、柱等承重構(gòu)件傳遞的荷載,在其底部橫截面上引起的壓強(qiáng)通常遠(yuǎn)大于地基承載力。故需要在墻、柱下設(shè)置水平截面向下擴(kuò)大的基礎(chǔ)等,以便將墻或柱荷載擴(kuò)散分布于基礎(chǔ)底面,使之滿足地基承載力和變形要求。常見設(shè)計(jì)類型主要有三種,如獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、條形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、筏形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。其中,獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是低層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)類型,要求的地基承載力較大。條形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)類型,是一種建筑上部結(jié)構(gòu)應(yīng)用較小的一種框架結(jié)構(gòu),主要作用是提升建筑結(jié)構(gòu)的上部承載力。

在設(shè)計(jì)過程中,需要依據(jù)民用建筑結(jié)構(gòu)形式、上部結(jié)構(gòu)剛度等資料,利用倒梁法計(jì)算相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),為條形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。筏形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)類型主要特點(diǎn)為底板連接成片,有平板式和梁板式兩種。在應(yīng)用該設(shè)計(jì)類型時(shí),首要考慮因素為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不均勻沉降,其次,從筏板抗剪切力、抗沖切力等方面著手,確定筏板基礎(chǔ)厚度,最后,利用簡(jiǎn)化計(jì)算法計(jì)算筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的具體數(shù)值,有效解決不均勻沉降問題,保障民用建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)穩(wěn)定性。

4 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 確定地基埋深

近年來,民用建筑多為高層建筑,高層建筑箱型和筏型基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性的要求。在抗震設(shè)防區(qū),除巖石地基外,天然地基上的箱型和筏型基礎(chǔ)埋深不宜小于建筑物高度的1/15;樁箱或樁筏基礎(chǔ)埋深不宜小于建筑高度的1/18。位于巖石地基上的高層建筑,其基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足抗滑要求。同時(shí)很多高層建筑都會(huì)設(shè)置地下室部分,其優(yōu)勢(shì)在于豐富建筑結(jié)構(gòu)功能性,擴(kuò)大建筑物空間,提高土地資源利用率,解決埋設(shè)深度問題,但也相應(yīng)增加了建筑施工難度,在確定地基埋深時(shí),還需要綜合考慮建筑物的使用價(jià)值。

民用建筑場(chǎng)地的地理空間位置也會(huì)對(duì)地基埋深產(chǎn)生影響,例如,某項(xiàng)目建筑為大型商業(yè)綜合體建筑,屬于區(qū)塊核心位置,臨近城市主干道,周圍建筑多為商業(yè)辦公樓、住宅小區(qū),地下管線埋設(shè)復(fù)雜。在確定地基埋深時(shí),為避免對(duì)臨近建筑物產(chǎn)生干擾,要進(jìn)行全面細(xì)致的測(cè)量工作,收集相關(guān)資料,盡可能將影響降至最低,保障建筑正常使用和安全。

4.2 考慮地基承載力

地基基礎(chǔ)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如對(duì)采用天然地基和獨(dú)立基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu),承載力要滿足的條件是:上部結(jié)構(gòu)豎向荷載傳遞到獨(dú)立基礎(chǔ),獨(dú)立基礎(chǔ)產(chǎn)生的基底壓力不能超過地基的承載力。如對(duì)采用樁基礎(chǔ)和承臺(tái)的結(jié)構(gòu),承載力計(jì)算要滿足的條件是:上部結(jié)構(gòu)豎向荷載傳遞到承臺(tái),再傳遞到樁基中,此時(shí)樁基承擔(dān)的豎向力不應(yīng)超過樁基的承載力特征值。正常使用狀態(tài)下滿足的條件主要指基礎(chǔ)沉降,樁基沉降變形,樁基抗裂,裂縫寬度驗(yàn)算等。如主裙樓一體化設(shè)計(jì)時(shí),在考慮地基承重能力時(shí),需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì),確定基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案,對(duì)主體結(jié)構(gòu)地基進(jìn)行深度修正,充分考慮基礎(chǔ)底面范圍內(nèi)荷載,依照基礎(chǔ)兩側(cè)超載情況,確定基礎(chǔ)埋深。

通常情況下,當(dāng)基礎(chǔ)兩側(cè)超載不等時(shí),建筑結(jié)構(gòu)地基承載力以最小值為基準(zhǔn),當(dāng)基礎(chǔ)兩側(cè)超載比基礎(chǔ)寬度大2倍時(shí),以土層厚度為參考。同時(shí),巖石地基相比土質(zhì)地基,其地基承重能力更高,可取樣完整、較完整、破碎巖體進(jìn)行地基荷載試驗(yàn),依據(jù)飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算地基承載力特征值。

4.3 獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

民用建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,合理選型是保障基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案合理性的重要前提,主要有獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)兩類,需要根據(jù)工程進(jìn)步提要求選擇對(duì)應(yīng)類型。獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)具有較好的經(jīng)濟(jì)性、抗震性、適應(yīng)性等特點(diǎn),能有效應(yīng)對(duì)地基變形情況,但倘若地基基礎(chǔ)均勻性不足,則不適用獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式較為多樣,有柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、墻下獨(dú)立基礎(chǔ)兩種形式,最常見類型為鋼筋混凝土板筏結(jié)構(gòu),可同時(shí)作為地下室底板結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)板筏,承載力強(qiáng),施工流程便捷。

4.4 復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不同,其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要為人工基礎(chǔ)作業(yè)范圍,具有較強(qiáng)抗振動(dòng)、抗沉降能力,且建筑物地基基礎(chǔ)承載力較高,能夠充分支撐建筑物上部結(jié)構(gòu)。

復(fù)合基礎(chǔ)類型較為廣泛,包含深層攪拌柱、強(qiáng)夯、灌漿等類型,在設(shè)計(jì)過程中,主要針對(duì)基地土層狀況不佳、液化、濕陷等問題的改善,通過基體和增強(qiáng)體的共同作用,支撐建筑物荷載承重能力,因此,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝等較為復(fù)雜,需要設(shè)計(jì)人員依照地基實(shí)際情況,選擇適宜符合地基類型。例如,某民用建筑項(xiàng)目地下室基底較深,其抗浮水頭達(dá)到19m 高度,建筑物上部結(jié)構(gòu)重量難以滿足抗浮要求,需要對(duì)其進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì),保障建筑物的穩(wěn)定性。具體措施為:巖石錨桿抗浮,依據(jù)整體抗浮需求,計(jì)算出單根錨桿承擔(dān)浮力作用值(Nwk):

Nwk=Fk-γGGk

式中,Fk為單根錨桿承擔(dān)的底水浮力標(biāo)準(zhǔn)值;γG為荷載分項(xiàng)系數(shù)(取值0.9);Gk為單根錨桿范圍內(nèi)底板自重標(biāo)準(zhǔn)值,最終計(jì)算出錨桿長(zhǎng)度、直徑及間距。

5 結(jié)語

綜上所述,民用建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為地基基礎(chǔ),發(fā)揮著支撐建筑物整體穩(wěn)定性和安全性的重要作用?，F(xiàn)階段,社會(huì)發(fā)展對(duì)民用建筑提供了許多新要求,包括環(huán)保性、功能性、經(jīng)濟(jì)性、協(xié)調(diào)性等,設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之前,必須做好地質(zhì)勘察和基礎(chǔ)選型,編制合理地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案,合理計(jì)算各項(xiàng)參數(shù),如地基埋深、地基承重力等,選擇適宜獨(dú)立基礎(chǔ)或復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法。在滿足建筑需求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,盡可能優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì),提升基礎(chǔ)設(shè)計(jì)質(zhì)量,從而提升民用建筑整體建設(shè)效果。