高層帶裙房建筑的地基基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計探討研究

摘" 要：高層帶裙房建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計是高層建筑設(shè)計重要部分。設(shè)計中考慮實現(xiàn)少設(shè)沉降縫，有效調(diào)整沉降差。通過部分理論引用和探討，結(jié)合工程實例設(shè)計，對比實際反饋沉降數(shù)據(jù)，綜合論述該類地基基礎(chǔ)設(shè)計的主要思路，通過調(diào)整地基剛度和筏板基礎(chǔ)厚度的方法調(diào)整沉降差，預(yù)估沉降測算出基床反力系數(shù)迭代計算有限元分析得出沉降理論數(shù)據(jù)，采用沉降后澆帶解決部分沉降差和二次應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：高層帶裙房建筑" 沉降差" 嵌固端" 側(cè)限" 沉降觀測

中圖分類號：TU473

Research and ExplorationDiscussion on the Optimization Design of Foundation fFor High-Rrise Buildings with Podiums

WANG Ya’nan

CNNC Seventh Research and Design Institute Co.， Ltd.， Taiyuan， Shanxi Province， 030012 China

Abstract： Foundation design of high-rise building with podium is an important part of high-rise building design. In the design， less settlement joints are considered to effectively adjust the settlement difference. Through partial theoretical references and discussions， combined with the design of engineering examples and comparing the actual feedback settlement data， the main idea of this kind of foundation design is comprehensively discussed by citing and discussing some theories， combining with the design of engineering examples and comparing the actual feedback settlement data. The settlement difference is adjusted Bby adjusting the foundation stiffness and the thickness of raft foundation，. tThe settlement difference is adjustedis estimated， and the settlement is estimated to calculate thesubgrade reaction coefficient of the foundation bedis calculated. The finite element analysis of iterative calculation is used to obtain the settlement theoretical data is obtained through iterative finite element analysis， and . tThe settlement difference and secondary stress are solved by using post settlement pouring stripspost pouring belt is used to solve the partial settlement difference and secondary stress.

Key Wwords： High-rise buildings with podium buildings; Settlement difference; Embedded end; Lateral confinement; Settlement observation

商業(yè)綜合體是將一個城市或一片區(qū)域的商業(yè)、辦公、居住、旅店、展覽、餐飲、會議、文化娛樂等商業(yè)活動空間中3項以上功能組合起來，從而建立起一種相互依存、相互支撐的互動關(guān)系，形成多功能、高效率的綜合體。而實現(xiàn)新的商業(yè)模式就需要滿足綜合體中的多項功能，以往單一功能模式的建筑（如寫字樓、住宅樓、餐飲中心、商務(wù)會館等）已經(jīng)不能滿足多功能的商業(yè)模式需求?？傮w而言，綜合體需要實現(xiàn)以下兩大功能：第一種功能需要是大空間、高層高、布置靈活、多個出入口，比如商場、展覽館等，結(jié)構(gòu)形式以多層框架結(jié)構(gòu)為主；第二種功能需要是小開間、標(biāo)準(zhǔn)布局、高容積率，比如辦公寫字間、住宅、公寓等，多以框架剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)的高層結(jié)構(gòu)為主。綜合以上兩者功能需求，決定了以框架剪力墻、剪力墻、框架核心筒等高層建筑為主附帶多跨框架結(jié)構(gòu)裙房的組合結(jié)構(gòu)形式成為商業(yè)建筑的主流，也將是為來商業(yè)綜合體建筑的發(fā)展方向。對于結(jié)構(gòu)專業(yè)而言，怎樣解決好上部兩個不同類型、不同高度結(jié)構(gòu)體系的計算以及由于高差大帶來的地基基礎(chǔ)設(shè)計問題成為重要的研究課題。

1" 地基基礎(chǔ)設(shè)計重要性

（1）實現(xiàn)建筑功能的最優(yōu)化。綜合體功能需求形成大量的高層帶裙房建筑，這種高低組合的結(jié)構(gòu)類型對地基基礎(chǔ)提出了更高的要求。

（2）地基基礎(chǔ)的合理化設(shè)計直接影響到工程造價。高層部分與多層部分荷載差異大、地基沉降差大，上部結(jié)構(gòu)對地基基礎(chǔ)計算影響大。合理設(shè)計地基基礎(chǔ)對控制造價意義重大。

2" 高層帶裙房建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計方法

處理高層帶裙房地基基礎(chǔ)設(shè)計方法總結(jié)：防、放、抗。

2.1" 防——預(yù)防沉降差

主樓和裙房高度差異大，造成附加應(yīng)力值相差大，根據(jù)沉降公式，可知，在相近情況下，附加應(yīng)力越大最終沉降越大，差值較大。為減少沉降差，通過采用不同地基處理方式調(diào)整沉降差。設(shè)計初期合理預(yù)估高層和裙房最終沉降量，才能確保計算假定和模型與實踐情況相符。

2.2" 放——釋放沉降差

釋放沉降差方法主要有3種：（1）主樓與裙房間設(shè)置沉降縫，徹底分開，各自沉降；（2）設(shè)置沉降后澆帶，待主體和裙房沉降穩(wěn)定后采用高一等級膨脹混凝土進行澆筑，釋放部分沉降差，保證后期沉降差滿足要求；（3）調(diào)整施工順序，先施工主樓，后施工裙房。主樓預(yù)先加載，提前釋放了一部分沉降，后期沉降于裙房后期沉降差減小。

2.3" 抗——抵抗沉降差

通過以上兩種辦法消除掉一部分沉降差后，仍然會剩余一部分沉降差。在基礎(chǔ)設(shè)計中，合理的基礎(chǔ)剛度設(shè)計和配筋抵抗由于沉降差引起的二次應(yīng)力，同時在主樓和裙房連接處會產(chǎn)生力的突變點，采取相應(yīng)構(gòu)造措施抵抗沉降差。

3" 工程實例

3.1" 工程概況

工程位于河南省漯河市舞陽。建筑功能：為民中心暨眾創(chuàng)空間。結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，使用年限為50年；安全等級為二級；地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級；抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速值為0.10 g，地震分組為第一組；場地類別為Ⅲ類；特征周期為0.45 s；主樓22層高90.3 m，裙房3層高17.1 m。

3.2" 方案

3.2.1" 地基基礎(chǔ)方案

主樓平均壓力值為450 kPa，基底標(biāo)高為-7.000 m，持力層第三層粉質(zhì)黏土，天然地基承載力為120 kPa，原有土層承載力不滿足要求，采用樁基礎(chǔ)或水泥粉煤灰碎石樁地基處理；裙房建筑采用原狀土做持力層。主樓和裙房在0標(biāo)高處連成一片，設(shè)置一體式筏板基礎(chǔ)。

3.2.2" 一體式筏板基礎(chǔ)的具體設(shè)計

（1） “防”。為了預(yù)防沉降差，主樓部分隔墻輕質(zhì)隔墻處理，降低恒荷載。主樓附加應(yīng)力約為426 kPa，3組裙房以及北側(cè)單層地下室附加應(yīng)力約為80 kPa，比值為5。同時，通過主樓采用水泥粉煤灰碎石樁減少沉降，裙房采用天然地基增加沉降，地基剛度的調(diào)節(jié)預(yù)防沉降差過大。根據(jù)沉降公式，沉降計算中土的平均附加應(yīng)力系數(shù)值與l/b及z/b相關(guān)，考慮裙房主樓b值差距有限，主要調(diào)整沉降差的因素是調(diào)整主樓基底地基處理后的壓縮模量Esp與裙房持力層土層Esd比值。第三層粉質(zhì)黏土壓縮模量Es為5.8 MPa，主樓地面處理后的壓縮模量理想狀態(tài)約為24 MPa。CFG 樁能夠有效增強地基土的承載能力，減少地基土的沉降量，通過與其他地基結(jié)構(gòu)相配合，提升整體地基的承載力[1]。CFG樁復(fù)合地基的變形模式隨著上部荷載增大，樁頂發(fā)生沉降，樁間土頂面發(fā)生沉降，樁端發(fā)生沉降、，樁頂刺入褥墊層深度為△上，樁端刺入下部土層深度為△下。由于樁身壓縮模量很大，其壓縮變形可忽略不計，樁長范圍內(nèi)土的壓縮量則為上刺入量與下刺入量之和，即：復(fù)合地基沉降為+，如果忽略褥墊層的壓縮變形（褥墊層厚度較?。?，總的沉降量為樁長范圍內(nèi)土層壓縮量與樁下土層壓縮量之和。根據(jù)地勘報告提供裙房與主樓范圍內(nèi)土層組成相近，所以沉降差調(diào)整主要為樁長范圍內(nèi)的沉降。CFG樁地基處理后的合土層的分層與天然地基相同，各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍，即處理后地基承載力特征值與天然地基承載力特征值的比值[2]。因此，處理后地基承載力應(yīng)大致在460 kPa附近，裙房對主樓超載承載力修正的說明，按照三側(cè)裙房以及北側(cè)地下室中最小的平米超載80 kPa進行埋深修正，CFG樁徑為400 mm，樁長14.5 m（有效樁長為14.0 m），采用基礎(chǔ)底面下正三角形布樁，樁間距為 1.400 m，共783根樁。要求單樁豎向極限承載力不小于1 200 kN，經(jīng)處理后復(fù)合地基承載力特征值f≥400 kPa，經(jīng)深度修正后地基承載力特征值為480 kPa，滿足了主樓地基承載力的特征值。因此，在復(fù)合地基承載力特征值≥400 kPa基礎(chǔ)上反算約為原土層的3.3倍。根據(jù)地勘單位提供的估算數(shù)據(jù)：高壓固結(jié)試驗成果及上表參數(shù)，估算CFG樁復(fù)合地基中心點總沉降量為29.4 mm，小于200 mm，整體傾斜值為0.000 46，小于0.003，滿足規(guī)范要求。相鄰為民中心最大沉降量為17.2 mm，經(jīng)估算最大沉降差約13.4 mm。

換算處理的壓縮模量布點在JCCAD勘點資料中對主樓下土層模量進行重新調(diào)整，沉降估算調(diào)整基床反力系數(shù)，采用有限元中彈性地基梁板的模式對基礎(chǔ)沉降進行二次計算，彈性地基上梁、板的內(nèi)力分析，實質(zhì)上是土與基礎(chǔ)相互作用的分析，屬于接觸問題的范疇。1867 年，捷克工程師 Winkler 假設(shè)，地基在任何一點的沉降都與該點的壓力成正比，而與相鄰點的壓力無關(guān)，壓力與沉降之間的比例常數(shù)k 是地基的反應(yīng)系數(shù)[3]。W其關(guān)系表達(dá)式如式所示。

P=" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式（1）中： 為地基上任一點所受的壓力強度，單位為kPa；為p作用點處的沉降，單位為mm；K為床系數(shù)，單位為kN/m3。

基床系數(shù)由建筑物的基底壓力除以沉降量得到。通過PKPM結(jié)構(gòu)模型建立，得到基底壓力。估算的符合地基彈性模量平均約為26～32，初步計算CFG樁復(fù)合地基的基床系數(shù)約為15 000 kN/m3，天然地基的基床反力系數(shù)約為7 000 kN/m3。于是，該基床反力系數(shù)代入反算。通過計算得到：主樓平均沉降為31.2 mm，最大沉降為33.1 mm，裙房平均沉降為15 mm，最大沉降為19.1 mm，主樓與裙房第一跨最大沉降差為10.3 mm?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）第8.4.22帶裙房的高層建筑下的整體筏板基礎(chǔ)，其主樓下筏板的整體撓度值不宜大于0.05%，主樓與相鄰的裙房柱的差異沉降不應(yīng)大于其跨度的0.1%。驗算主樓與裙房第一跨柱子的沉降差不得大于7.8 mm，現(xiàn)為10.3 mm，大于7.8 mm，不采取構(gòu)造措施無法滿足規(guī)范要求。

（2） “放”。沉降結(jié)果顯示最大沉降發(fā)生在主樓荷載大的部位，徑向向外圍擴算，由于主樓上部剛度和基礎(chǔ)剛度大引起基底應(yīng)力向裙房第一跨分布，帶動裙房第一跨范圍內(nèi)沉降加大，主樓下部沉降呈盆形分布，裙房中部由于反拱作用產(chǎn)生的一部分反向彎曲的抵消，沉降最小。

為釋放沉降差，主樓沉降基本完成，再進行裙房、地下車庫。施工過程中對各建筑物進行沉降觀測，準(zhǔn)確掌握沉降變化。同時在裙房第一跨設(shè)置800 mm寬度的沉降后澆帶，等沉降穩(wěn)定后二次澆筑。把高層與低層的差異沉降釋放一部分，剩下相對較小差異沉降量所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)。其做法的實質(zhì)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中后澆帶“先放后抗”的精神。但是其沉降量達(dá)到多少時其剩余部分差異沉降引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力能被結(jié)構(gòu)抵抗存在爭議。結(jié)合《地規(guī)》的建議值，針對粉質(zhì)黏土主體封頂前沉降量約為總沉降量的40%～60%，沉降后澆筑帶封帶時間設(shè)定為主樓施工完畢后3個月，預(yù)計可以消除4 mm左右的沉降，最終沉降差約為7 mm，小于規(guī)范要求的7.8 mm，滿足規(guī)范要求。同時，第一跨基底虛鋪設(shè)砂夾石，調(diào)節(jié)沉降降低二次應(yīng)力。

（3）“抗”。通過上述“防”“放”兩種方法，經(jīng)計算剩余沉降差為7 mm，此部分沉降差引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力需基礎(chǔ)自身截面構(gòu)造和配筋抵抗。沉降后澆帶澆筑過早，沉降差異較大會引起基礎(chǔ)開裂，甚至?xí)?dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生彎曲破壞后澆帶澆筑后[4]。在計算板的彎矩時，可以參照無梁樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計中對板的設(shè)計計算模型，把板劃分為柱上板帶和跨中板帶，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以近似認(rèn)為：彎矩在柱上板帶和跨中板帶上沿橫向均勻分布。因此，可以在柱上板帶中取1 m寬板帶作為分析對象，理論分析中把柱端視為固定端。

根據(jù)位移法，可知當(dāng)固定支座位移為1時，板端彎矩發(fā)生沉降差異Δ時 ==。沉降差為7 mm進行彎矩反算，得出位移差引起的彎矩值為1 562 kN·m，裙房與主樓連接處配筋。

3.3" 工程實際情況驗證及對比分析

3.3.1" 現(xiàn)場沉降觀測的實際情況

現(xiàn)場反饋沉降報告顯示：Q-s 曲線數(shù)據(jù)顯示荷載與沉降位移呈正相關(guān)，隨著荷載增加，沉降位移逐漸增加[5]。主樓和裙房平均沉降差為5.4 mm，截止封后澆帶前滿足沉降差要求。

實際測量主樓平均沉降為理論計算的51.3%，裙房1平均沉降為理論計算的53.1%，裙房2平均沉降為理論計算的54.5%，裙房3平均沉降為理論計算的53.5%。同時裙房的最大沉降均集中發(fā)生在與主樓相連接的第一跨。截至主體封頂，整個工程沉降發(fā)展比計算預(yù)計沉降略小，主樓沉降發(fā)展慢于裙房沉降發(fā)展，同時主樓前期沉降速度快后期沉降速度慢。理論計算得出的整個沉降規(guī)律與工程實際相互吻合。沉降后澆帶可以有效緩解主樓和裙樓之間的不均勻沉降，并減小混凝土底板的附加彎矩[6]。

個別偏差原因分析如下：（1）原狀土壓縮模量為實驗室取樣測出，應(yīng)有富余，裙房沉降小于預(yù)計；（2）CFG地基處理后的值為公式估算，實際地基處理后壓縮模量提高更顯著；（3）地基處理上部預(yù)先鋪300 mm厚褥墊層，前期沉降包含褥墊層的壓縮。

4" 結(jié)論與建議

4.1" 結(jié)論

通過高層帶裙房多個類型對比分析以及理論研究，得出以下結(jié)論。

（1）高層帶裙房地基基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)綜合考慮防震縫設(shè)置、嵌固端位置、地下室功能、基礎(chǔ)持力層的選擇等多項因素。

（2）一體式筏板基礎(chǔ)采用考慮上部剛度并通過估算沉降反算基床反力系數(shù)的有限元法進行計算得出的沉降規(guī)律和結(jié)果接近于實際沉降。采用“防、放、抗”的辦法可以解決一體式筏板沉降差問題。

（3）高層帶裙房沉降差問題解決的難點在裙房第一跨，通過在第一跨筏板設(shè)置沉降后澆帶和基底采用調(diào)節(jié)層的辦法，經(jīng)有限元分析和實際驗證能夠控制由于局部沉降差帶來的二次應(yīng)力。

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