高層建筑樁筏基礎(chǔ)協(xié)同作用的應(yīng)用

唐建華

【摘要】樁筏基礎(chǔ)是高層建筑設(shè)計(jì)中普遍采用的一種基礎(chǔ)形式，目前有關(guān)樁筏基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)作用研究已取得了一定的成果，但是由于樁筏基礎(chǔ)是一個(gè)異常復(fù)雜的系統(tǒng)，其協(xié)同作用受到多方面因素的影響，因此有必要對(duì)高層建筑樁筏基礎(chǔ)的協(xié)同作用進(jìn)行深入研究和剖析。為此，本文以某高層建筑為例，著重分析樁筏基礎(chǔ)基礎(chǔ)的應(yīng)用及其協(xié)同作用。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；樁筏基礎(chǔ)；協(xié)同作用；應(yīng)用研究

隨著城市化進(jìn)程的加快，高層建筑建設(shè)規(guī)模和數(shù)量迅速增長(zhǎng)，樁筏基礎(chǔ)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也日益凸顯，廣泛應(yīng)用于高層建筑設(shè)計(jì)中，尤其是軟土地區(qū)在修建高層建筑時(shí)，更是將樁筏基礎(chǔ)作為主要結(jié)構(gòu)。有關(guān)樁筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與地基之間的協(xié)同作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一系列的研究并取得了豐碩的成果，但是其研究對(duì)象局限于基礎(chǔ)沉降、筏板內(nèi)力、樁頂反力分布、樁土分擔(dān)荷載比等幾個(gè)方面的概念研究，沒(méi)有通過(guò)計(jì)算準(zhǔn)確地表達(dá)，即使大量的工程實(shí)踐總結(jié)出許多原理和方法，但是研究成果與實(shí)際應(yīng)用還存在一定的差距。因此，充分認(rèn)識(shí)樁筏基礎(chǔ)與地基之間的作用機(jī)理及應(yīng)用情況對(duì)于提高樁筏基礎(chǔ)的實(shí)用性，改進(jìn)樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法具有重要意義。

一 樁筏基礎(chǔ)協(xié)同作用概述

高層建筑上部結(jié)構(gòu)通過(guò)墻、柱等與樁筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相連，樁筏基礎(chǔ)底面則直接與地基相連，三者通過(guò)組成一個(gè)完整的建筑系統(tǒng)，彼此之間也相互作用或制約[1]

。研究樁筏基礎(chǔ)與地基之間的協(xié)同作用有助于檢驗(yàn)三者的接觸部位是否滿足變形協(xié)調(diào)條件，這也是協(xié)同作用的核心理念。研究表明建筑上層結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)與地基三者的協(xié)同作用計(jì)算結(jié)果與相互割裂計(jì)算結(jié)果存在明顯不同，上部結(jié)構(gòu)的荷載作用使地基發(fā)生變形，而地基變形又受到樁筏基礎(chǔ)的制約，樁筏基礎(chǔ)的剛度不同，其對(duì)地基變形的制約程度也不同，反過(guò)來(lái)，樁筏基礎(chǔ)又隨地基的變形發(fā)生一定的改變，其改變同時(shí)受到建筑上部結(jié)構(gòu)的影響，這種影響程度取決于上部結(jié)構(gòu)的剛度[2]。因此，在協(xié)同作用分析中，上部結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)和地基三者之間是相互制約、相互影響的關(guān)系。經(jīng)過(guò)協(xié)同作用分析可以了解建筑整體結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，使建筑設(shè)計(jì)工作變得更加經(jīng)濟(jì)、合理。

二 高層建筑樁筏基礎(chǔ)協(xié)同作用應(yīng)用的研究重點(diǎn)

高層建筑樁筏基礎(chǔ)協(xié)同作用研究主要解決兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是如何建立上部結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)及地基之間的整體矩陣，二是采取何種方法求解荷載、位移平衡方程，根據(jù)位移連續(xù)協(xié)調(diào)理論可將三者之間的作用方程表述如下：[K+Ksp+Kb]{U}={Q}+{Sb}，其中，K為基礎(chǔ)剛度矩陣，Ksp為樁土支撐剛度矩陣，Kb為上部結(jié)構(gòu)剛度矩陣，U為節(jié)點(diǎn)位移向量，Q為上部結(jié)構(gòu)荷載向量，Sb為基礎(chǔ)荷載向量[3]。通過(guò)方程求解即可得到相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容，包括地基土反力、基礎(chǔ)沉降和內(nèi)力、上部結(jié)構(gòu)位移等，這樣可以更加便捷地分析上部結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)與地基三者之間的協(xié)同作用。

上部結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)和地基受力特性不同其分析模式也就不同。上部結(jié)構(gòu)主要包括梁、柱、板等基礎(chǔ)構(gòu)件，因此可以采取類似梁的單元模擬方式。目前有關(guān)上部結(jié)構(gòu)的分析研究比較成熟，一般是將上部結(jié)構(gòu)視為等效荷載向量，并將其耦合到剛度矩陣上，與地基分析相比，上部結(jié)構(gòu)的分析思路比較清晰，其參與機(jī)理也比較明確，處理起來(lái)也更加簡(jiǎn)單。樁筏基礎(chǔ)分析與地基作用分析同屬于一個(gè)層次上，樁筏基礎(chǔ)一般由三個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)件組成，其中一個(gè)構(gòu)件尺寸較小，另外兩個(gè)構(gòu)件尺寸較大，大小構(gòu)件尺寸比大于10。在樁筏基礎(chǔ)筏板與樁土協(xié)同作用分析中主要采取薄板理論和厚板理論兩大技術(shù)方法。薄板理論是分析樁筏基礎(chǔ)的傳統(tǒng)方法和經(jīng)典方法，該方法忽略了筏板的剪切變形，也就是不予考慮剪應(yīng)力變形，在厚度較大的筏板分析時(shí)可能產(chǎn)生一定的誤差而影響分析結(jié)果。地基分析也稱本構(gòu)關(guān)系分析，主要研究地基土體在受力影響下的應(yīng)力變化，它不僅能夠直接反映地基基底反力的分布情況和沉降情況，而且其基底反力分析和計(jì)算更是解答協(xié)同作用的關(guān)鍵。因此，需要合理選擇地基模型。

三 高層建筑樁筏基礎(chǔ)協(xié)同作用應(yīng)用實(shí)例分析

（一）工程概況

宏福家園住宅小區(qū)13棟為典型的高層建筑，層數(shù)為26層，建筑高度86m，單幢建筑面積為1.45萬(wàn)m2，設(shè)置地下室一層，建筑主體結(jié)構(gòu)為鋼筋砼剪力墻結(jié)構(gòu)，安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。樁筏基礎(chǔ)為靜壓預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管樁，地基土層為可塑狀粉質(zhì)粘土，樁端持力層為中風(fēng)化或微風(fēng)化灰?guī)r。

（二）地質(zhì)條件

宏福家園住宅小區(qū)位于熔巖地區(qū)，工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，自上而下依次為粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土和中風(fēng)化灰?guī)r混合層和微風(fēng)化灰?guī)r，宏福家園住宅小區(qū)地質(zhì)剖面圖和地基巖土工程參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 宏福家園住宅小區(qū)地質(zhì)剖面圖和地基巖土工程參數(shù)

（三）樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)包括兩大內(nèi)容，一個(gè)是工程樁設(shè)計(jì)，一個(gè)是筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。工程樁設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單地根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果測(cè)算，應(yīng)當(dāng)在基礎(chǔ)底板測(cè)算距離的基礎(chǔ)上引入入巖深度，并層層標(biāo)注樁頂高度，為確保工程樁質(zhì)量，需將小于層頂標(biāo)高的基樁作為樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)依據(jù)。筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需結(jié)合建筑上部結(jié)構(gòu)荷載、整體建筑結(jié)構(gòu)體系和地質(zhì)條件等進(jìn)行綜合分析，核心問(wèn)題是減小主樓與其外部框架之間的沉降差異性，因此可以參考變度剛調(diào)平設(shè)計(jì)原理不斷優(yōu)化筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

（四）協(xié)同作用分析及檢測(cè)結(jié)果

該高層建筑主樓與單層地下室裙樓直接連接，根據(jù)廣東省《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DBJ15-31-2003）中的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主樓與房柱之間的差異沉降不得大于跨度的0.1%。鑒于該處地質(zhì)條件極為復(fù)雜，需嚴(yán)格控制主樓與房柱之間的差異沉降。結(jié)構(gòu)采用有限元沉降計(jì)算法分析上部結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)與地基之間的相互作用，建模分析中需借助Embedded Pile單元模擬軟件進(jìn)行分析。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可以得知工程沉降量符合規(guī)范要求，設(shè)計(jì)合理，已達(dá)到預(yù)期效果。

四 結(jié)論

本文主要針對(duì)高層建筑的樁筏基礎(chǔ)協(xié)同作用進(jìn)行了分析，并引入工程實(shí)例具體闡述其應(yīng)用情況及應(yīng)用效果，限于時(shí)間及經(jīng)驗(yàn)的有限，本次研究并沒(méi)有涉及上部結(jié)構(gòu)的次生應(yīng)力問(wèn)題，有關(guān)上部結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)和地基的協(xié)作用研究還比較粗略，沒(méi)有考慮到上部結(jié)構(gòu)次生應(yīng)力的作用，因此，下一步工作重點(diǎn)將著重分析上部結(jié)構(gòu)次生應(yīng)力的影響因素及變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

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