基礎(chǔ)變剛度調(diào)平基本原理及工程優(yōu)化

　　張帆

　　摘要：在建筑物中間部分較按承載力計算的結(jié)果增加樁數(shù),使中間局部區(qū)域樁的受荷水平低于平均值,來降低中部樁的受荷水平;框架—核心筒結(jié)構(gòu)的外圍區(qū)實施少布樁、布較短樁,發(fā)揮承臺承載作用;還可通過調(diào)整樁長、樁徑、布樁方式的方式實現(xiàn)變剛度調(diào)平設(shè)計。最終目的是控制不均勻沉降，減小平板式筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力以控制配筋。

　　關(guān)鍵詞：變剛度調(diào)平 基礎(chǔ)調(diào)整 沉降控制

　　一、概述

　　高層建筑有相當(dāng)比例的上部結(jié)構(gòu)為剛度相對較弱、荷載不均的框剪、框筒結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)采用樁筏、樁箱基礎(chǔ)，建成后其沉降呈蝶形分布，樁頂反力呈馬鞍形分布。這些工程的基礎(chǔ)設(shè)計多數(shù)沿用傳統(tǒng)理念，采用均勻布樁與厚筏(或箱形承臺)。

　　這種傳統(tǒng)理念可以概括為四點：

　　1、基樁的總承載力不小于總荷載，樁群形心與荷載重心重合或接近;即滿足力和力矩的平衡。

　　2、樁的布置大體均勻，有的還主張在角部和邊部適當(dāng)加密;因為實測樁頂反力角部最大，邊部次之，中部最小;

　　3、沉降量和整體傾斜滿足規(guī)范要求;

　　4、筏板厚度在滿足抗沖切的前提下隨建筑物層數(shù)和高度成正比增大，厚度達(dá)3-4m者鮮見，或為增加剛度而采用箱形承臺;

　　常規(guī)設(shè)計計算方法只考慮靜力平衡條件，而沒有考慮上部結(jié)構(gòu)、筏板、樁土的共同作用。而實際情況中，群樁效應(yīng)將導(dǎo)致樁的支承剛度由外向內(nèi)遞減;對于框剪、框筒結(jié)構(gòu)，荷載集度是內(nèi)大外小，而其上部結(jié)構(gòu)的剛度對變形的制約能力相對較弱。若采用傳統(tǒng)設(shè)計方法，則碟形差異沉降較明顯，易引起開裂，影響正常使用的要求。

　　而采用變剛度調(diào)平設(shè)計理論調(diào)整樁基布置，使得基底反力分布模式與上部結(jié)構(gòu)的荷載分布一致，可減小筏板內(nèi)力，實現(xiàn)差異沉降、承臺(基礎(chǔ))內(nèi)力和資源消耗的最小化。

　　二、變剛度調(diào)平設(shè)計原理與原則

　　對于高層建筑地基計算，規(guī)范要求要求將上部結(jié)構(gòu)——基礎(chǔ)——地基的變形作為一個體系進(jìn)行整體計算，其沉降受到三者的共同制約，總體平衡方程是：

　　Ksl+KF+Ksρ,sU={F}sl+{F}F

　　式中：

　　[K]sl——上部結(jié)構(gòu)剛度矩陣;

　　[K]F——基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度矩陣;

　　Ks(ρ,s)——地基土(樁土)支承剛度矩陣;

　　{U}——基礎(chǔ)節(jié)點位移向量;

　　{F}sl、{F}F——上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)的荷載向量。

　　顯然，對于某一特定的結(jié)構(gòu)，其[K]sl、[K]F、[K]s(ρ,s)是確定的，相對應(yīng)的荷載，位移向量{F}sl、{F}F、{U}也隨之確定。要使沉降趨于均勻，必須對其剛度進(jìn)行調(diào)整。其中上部結(jié)構(gòu)的剛度[K]sl不容易調(diào)整，花費代價巨大;而工程實踐表明對于非堅硬地基，荷載大且不均勻的情況，調(diào)整基礎(chǔ)剛度[K]F對不均勻沉降的影響很小。因而唯有調(diào)整地基土(樁土)支承剛度Ks(ρ,s)使之與荷載分布和相互作用效應(yīng)匹配，才能有效減少沉降差。

　　三、實際工程概況及地基基礎(chǔ)方案

　　本項目位于北京市，由2座高層主樓及相連的裙房以及純地下室組成，整個工程地下三層，位于同一整體大底盤基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)平面尺寸262m*76m。主樓平面尺寸約55.6m*35.4m，地上28層，高度99.5m，框筒結(jié)構(gòu)樁筏基礎(chǔ)。裙房地上6層，框架結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)。建筑基礎(chǔ)標(biāo)高-15.45~-16.15m，建筑面積17萬m2。

　　基底 標(biāo)高21.5~20.8m，基礎(chǔ)位于第5層粉質(zhì)粘土，基底以下土層詳見下表，地質(zhì)剖面圖如下圖。

　　基底以下土層情況

　　地層序號巖性各層層頂標(biāo)高稠度壓縮性

　　⑸粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土21.25~24.05可塑~硬塑中-中低壓縮性

　�、史圪|(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土17.40~19.30可塑~硬塑中-中低壓縮性

　�、撕�有機(jī)質(zhì)黏土、含有機(jī)質(zhì)重粉質(zhì)粘土9.45~11.00可塑~硬塑中-中低壓縮性

　　⑻細(xì)砂、中砂7.45~11.40/低壓縮性

　　⑼含有機(jī)質(zhì)黏土、含有機(jī)質(zhì)重粉質(zhì)粘土-5.05~-2.45可塑~硬塑中-中低壓縮性

　�、新咽�、圓礫-16.30~-13.75/低壓縮性

　　⒀圓礫、卵石-20.35~-18.60/低壓縮性

　�、曳圪|(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土-29.55~-28.95硬塑~可塑低壓縮性

　　本工程上部結(jié)構(gòu)計算的豎向荷載現(xiàn)實，高層主樓與裙房基底壓力差異較大，高層基底平均壓力為500kPa，裙房基底平均壓力為65~110kPa。在高層內(nèi)部，內(nèi)筒剛度非常大，豎向荷載高度集中，水平投影面積僅占主樓面積的15~20%，但它負(fù)擔(dān)的豎向荷載占總荷載的40%上下。因此，位于同一整體大底盤基礎(chǔ)上的高低層之間以及高層內(nèi)部荷載分布差異很大，顯然各建筑部位沉降差異也很大，本工程基礎(chǔ)差異沉降的控制是地基基礎(chǔ)設(shè)計中重點考慮的問題。

　　根據(jù)場地巖土條件，在設(shè)計基底標(biāo)高一下分布的持力層主要是5、6、7層粘性土、粉土層，這一組別的地基持力層與砂、卵石層相比較承載力更低、壓縮性更高�？紤]項目高層部分實際基礎(chǔ)側(cè)限埋深，結(jié)合驗算分析，高層部分采用天然地基的承載力行不通。

　　綜合以上各種復(fù)雜多樣的地基基礎(chǔ)問題，以安全、實用、先進(jìn)、合理為原則，該工程高層部分采用后注漿灌注樁基礎(chǔ)方案，裙房及純地下室部分采用天然地基方案。

　　四、結(jié)論

　　具體實際工程設(shè)計中，要實現(xiàn)整體布樁的合理性，采用哪種調(diào)整方法必須與現(xiàn)場地質(zhì)條件和施工條件結(jié)合，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下盡量降低技術(shù)難度。而共同作用的變剛度調(diào)平優(yōu)化設(shè)計方法，通過本文案例，可節(jié)省樁基投入、減小差異沉降和筏板內(nèi)力，減小配筋。尤其控制基礎(chǔ)變形設(shè)計，對于有限剛度和柔性建筑基礎(chǔ)效果更加突出。

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