大底盤高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法探索

王曉琳 東 芳

(1.北京市弘都城市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院，北京 100045;2.中國核電工程有限公司，北京 100840)

1 概述

大底盤高層結(jié)構(gòu)的主樓與裙房的層數(shù)相差較多，但由于建筑功能要求，一般不設(shè)置沉降縫。此類工程建筑形體復(fù)雜，高低錯(cuò)落，上部荷載分布不均，基底壓力差異明顯。主樓的基底壓力較大，而裙房與純地下室部分的地基往往處于補(bǔ)償，甚至超補(bǔ)償狀態(tài)。

大底盤高層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的受力狀態(tài)也很復(fù)雜。地基的沉降差異使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的次生應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)安全度降低，因此應(yīng)采取措施減小差異沉降，并合理估算差異沉降和由此產(chǎn)生的基礎(chǔ)內(nèi)力，作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2 減小差異沉降的措施

2.1 設(shè)置沉降后澆帶

大底盤高層建筑在主樓與裙房間設(shè)沉降縫時(shí)會造成主樓的嵌固作用削弱，因此不宜設(shè)置。沉降后澆帶由于只是施工期間留置，對結(jié)構(gòu)整體性不造成影響。沉降后澆帶一般設(shè)置在主樓與裙房交界處，裙房一側(cè)的第一跨或第二跨，由裙房基礎(chǔ)至屋頂每層設(shè)置。在結(jié)構(gòu)封頂后，沉降觀測結(jié)果趨于穩(wěn)定，后期沉降滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，方可對后澆帶進(jìn)行合縫。

2.2 地基基礎(chǔ)變剛度的概念設(shè)計(jì)

1)合理選擇基礎(chǔ)形式，調(diào)整基底壓力。通過合理選擇主樓與裙房的基礎(chǔ)形式，可以調(diào)節(jié)基底壓力，平衡各部分的地基沉降，減少基礎(chǔ)的附加內(nèi)力。主樓基礎(chǔ)一般采用剛度較大的筏型或箱型基礎(chǔ)，可以利用外挑方式擴(kuò)大基礎(chǔ)面積，降低基底壓力。裙房部分的基礎(chǔ)形式選擇應(yīng)以充分利用地基承載力為原則，盡量采用獨(dú)立柱基或條基加抗水板的形式。

2)加強(qiáng)地基剛度，降低差異沉降。傳統(tǒng)思路解決差異沉降的方法是加強(qiáng)基礎(chǔ)的剛度，以抵抗差異沉降產(chǎn)生的附加內(nèi)力。這種做法會造成結(jié)構(gòu)造價(jià)增加，沒有解決沉降差異的根本問題。當(dāng)主樓層數(shù)較高時(shí)，這種做法難以實(shí)現(xiàn)。采用CFG樁復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)可以提高主樓的地基承載力和剛度。對于上部荷載分布不均勻的情況，可以調(diào)節(jié)樁的疏密以及樁長，使上部荷載與地基剛度相協(xié)調(diào)。通過對地基的變剛度處理，降低地基的沉降差異，減小基礎(chǔ)的附加內(nèi)力。

3 基于規(guī)范沉降分析方法的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 分層總和法沉降計(jì)算

根據(jù)《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)高層建筑的基礎(chǔ)埋置較深，考慮地基土回彈再壓縮和正常固結(jié)壓縮的實(shí)際加載變形過程，按下式計(jì)算最終沉降量:

采用分層總和法計(jì)算地基沉降存在以下問題:地基沉降是基底附加壓力作用下得到的，無法計(jì)算基底附加壓力為零或負(fù)值時(shí)的地基變形;地基沉降未考慮基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)剛度的影響，沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值差別較大;不同荷載分布產(chǎn)生的地基沉降量是通過角點(diǎn)法疊加產(chǎn)生的，當(dāng)基礎(chǔ)面積較大，建筑體型非常復(fù)雜時(shí)，難以計(jì)算各點(diǎn)沉降量。分層總和法適用于荷載分布比較規(guī)則的基礎(chǔ)的沉降分析，其計(jì)算過程簡單，計(jì)算參數(shù)多數(shù)是通過查表得到的。

3.2 高層住宅與地下車庫連體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

高層住宅地下室一側(cè)或兩側(cè)與多跨車庫相連形成大底盤結(jié)構(gòu)。高層住宅一般采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)剛度較大，地下車庫一般為框架結(jié)構(gòu)。主樓范圍的基底壓力明顯集中，而地下車庫的基底壓力較小。根據(jù)以上特點(diǎn)，可以清晰的判斷地基的差異沉降出現(xiàn)在車庫與主樓的交界處。其他部分可不考慮地基附加沉降對基礎(chǔ)的影響。主樓的基底壓力相對均勻，與車庫的結(jié)構(gòu)剛度差距明顯，比較適合采用分層總和法計(jì)算地基沉降。地基的沉降差主要是由主樓的地基沉降產(chǎn)生的。

3.3 實(shí)例

某高層住宅項(xiàng)目，主樓為12層剪力墻結(jié)構(gòu)，與地下車庫連為整體。車庫地下2層，上有2.2 m覆土?；壮至訛樾陆练e的粉質(zhì)粘土，地基承載力100 kPa。由于地基承載力不高，車庫基礎(chǔ)采用了梁板式筏型基礎(chǔ)，地基為天然地基。主樓采用筏板基礎(chǔ)，地基為CFG樁復(fù)合地基。為減小沉降差異，在車庫與住宅交界處設(shè)置沉降后澆帶。本工程車庫為兩層框架，基礎(chǔ)梁按跨的1/6控制梁高，根據(jù)規(guī)范的要求，后澆帶可設(shè)置在車庫與主樓相鄰的第二跨。依據(jù)分層總和法進(jìn)行沉降計(jì)算，主樓在與車庫交界處地基沉降最終值為23 mm。本工程主樓施工期間的沉降取最終沉降量的30%，合縫后的沉降為16 mm，后澆帶兩側(cè)的差異沉降為16 mm。后澆帶所在跨的跨度為8 m，局部傾斜為0.002，滿足規(guī)范要求。

4 基于地基與基礎(chǔ)的協(xié)同分析的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 協(xié)同分析的必要性

由多棟高層和低層建筑組成大底盤結(jié)構(gòu)高層建筑上部荷載分布不均勻，主樓和裙房的結(jié)構(gòu)剛度差別較大，在進(jìn)行基礎(chǔ)分析時(shí)，應(yīng)考慮地基、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)的共同作用?？紤]地基與基礎(chǔ)協(xié)調(diào)作用，所得的沉降分布比一般自由沉降分析接近實(shí)際，而準(zhǔn)確預(yù)測建筑物的沉降值將是影響其地基方案可行性和建筑質(zhì)量安全的重要條件。通過協(xié)調(diào)分析了解不同基礎(chǔ)剛度對沉降調(diào)整能力的差異，有利于合理選擇基礎(chǔ)方案。

4.2 SFIA 方法

SFIA是北京市勘察設(shè)計(jì)研究院編制的“高層建筑地基與基礎(chǔ)協(xié)調(diào)分析軟件”。該方法是根據(jù)建筑物基礎(chǔ)的剛度情況，采用交叉梁的假設(shè)以及差分法，在縱橫交叉梁交匯處的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上建立起基礎(chǔ)的位移方程，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的地層情況，并采用土的單向壓剪非線性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，按照布辛斯克應(yīng)力假設(shè)和分層總和法建立起地基柔度矩陣，從而列出地基沉降與基底反力的關(guān)系式。按照地基與基礎(chǔ)共同作用的原理，假設(shè)在各節(jié)點(diǎn)處基礎(chǔ)與地基的變形是協(xié)調(diào)一致的，由此獲得了以基底反力為未知數(shù)的協(xié)調(diào)方程，并求解出基底反力，然后再計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的沉降及基礎(chǔ)內(nèi)力。

4.3 實(shí)例

某辦公樓項(xiàng)目地上由A區(qū)、B區(qū)辦公樓和C區(qū)報(bào)告廳組成，各區(qū)之間地上由抗震縫分開。辦公樓為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，層數(shù)分別為9層和12層，報(bào)告廳為3層框架結(jié)構(gòu)。地下室4層，三區(qū)連成整體，下沉廣場和汽車坡道為純地下部分?；A(chǔ)形式為整體式梁板筏基，A區(qū)和B區(qū)采用了CFG樁復(fù)合地基，C區(qū)和純地下室采用天然地基。本工程基礎(chǔ)埋置較深，低層裙房及純地下車庫的基礎(chǔ)處于超補(bǔ)償狀態(tài)，造成與其相鄰辦公樓結(jié)構(gòu)部分基礎(chǔ)的側(cè)限約束條件被永久性削弱，對高層辦公樓地基承載力的深度修正帶來不利影響，也使本工程地基基礎(chǔ)共同作用條件趨于復(fù)雜。為了分析地基差異沉降，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，本工程采用了SFIA方法進(jìn)行地基與基礎(chǔ)協(xié)調(diào)作用計(jì)算分析。本工程A區(qū)、B區(qū)辦公樓采用CFG樁復(fù)合地基方案，C區(qū)和純地下車庫采用天然地基方案。建筑物總沉降量不大，建筑物長期最大沉降量小于5.0 cm，建筑物整體傾斜均小于0.002，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

大底盤高層建筑地基沉降不均勻，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生次生應(yīng)力，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全度。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量采用設(shè)置沉降后澆帶，調(diào)整地基剛度等構(gòu)造措施減小差異沉降。合理的計(jì)算地基沉降是分析基礎(chǔ)內(nèi)力的前提，本文結(jié)合工程實(shí)例，分別提出了用于高層住宅與車庫連體結(jié)構(gòu)的基于規(guī)范沉降分析的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，用于復(fù)雜高層公共建筑的基于地基基礎(chǔ)協(xié)調(diào)分析的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，從而提高了大底盤高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的可操作性和準(zhǔn)確性。

［1］劉金礪.高層建筑地基基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)的思考［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006(3):21-23.

［2］DBJ 11-501-2009，北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.