住宅小區(qū)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計分析

深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司 廣東深圳 518031

摘要：本文根據(jù)工程實例的結(jié)構(gòu)特點結(jié)合地勘報告中相關(guān)場地土層分布狀況，詳細(xì)論述了某住宅小區(qū)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計分析過程，以供類似建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒參考。

關(guān)鍵詞：住宅小區(qū)；基礎(chǔ)設(shè)計；CFG樁；沉降

1、工程概況

1.1 本工程為項目的二期工程，位于河南省漯河市，總建筑面積約9.04萬m2，共3棟塔樓，局部2層裙樓。工程設(shè)計相對標(biāo)高+0.00相當(dāng)于1985黃海高程59.60；其中16、17棟地下一層，地上19層，結(jié)構(gòu)主體高度58.000；12棟地下一層，地上12層，結(jié)構(gòu)主體高度36.600；裙樓地下一層，地上2層，結(jié)構(gòu)主體高度7.400；12、16、17棟為剪力墻結(jié)構(gòu)，裙樓及純地下室為框架結(jié)構(gòu)；地下室頂板相對結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-1.30，底板結(jié)構(gòu)相對標(biāo)高為-6.100；

1.2 本工程抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計基本地震加速度0.05g，抗震等級四級，建筑場地類別Ⅲ類，50年一遇的基本風(fēng)壓0.40 kN/m2，地面粗糙度類別B類；風(fēng)荷載體型系數(shù)1.3，基本雪壓0.40 kN/m2，基礎(chǔ)混凝土強度等級C35，鋼筋采用HRB400?？垢≡O(shè)防水位按1.5m（高程55.93m）。設(shè)計荷載均按相應(yīng)現(xiàn)行荷載規(guī)范進行取值。

1.3 人防工程防常規(guī)武器抗力等級常5，防核武器抗力等級核5，地下室防水等級二級，耐火等級一級。

2、場地地質(zhì)情況

根據(jù)巖土工程勘察報告，場地主要土（巖）層由上至下主要為：第①工程地質(zhì)單元層：粉質(zhì)粘土（Q4al），平均厚度2.39m，層底標(biāo)高54.75-55.45m；第②工程地質(zhì)單元層：粉質(zhì)粘土（Q4al），平均厚度2.64m，層底標(biāo)高51.79-53.20m；第③工程地質(zhì)單元層：粉質(zhì)粘土（Q4al），平均厚度5.13m，層底標(biāo)高45.40-49.41m；第④工程地質(zhì)單元層：粉質(zhì)粘土（Q4al），平均厚度2.85m，層底標(biāo)高43.10-47.01m；第⑤工程地質(zhì)單元層：粉質(zhì)粘土（Q4al），平均厚度4.55m，層底標(biāo)高38.95-40.95m；第⑥工程地質(zhì)單元層：粉質(zhì)粘土（Q4al），平均厚度11.40m，層底標(biāo)高27.76-29.35m；第⑦工程地質(zhì)單元層：粉質(zhì)粘土（Q4al）該層未穿透。各層土承載力特征值及壓縮性評價詳見下表：

表1 各層土承載力特征值及壓縮性評價一覽表

層 號①②③④⑤

巖 性粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土

承載力特征值fak（kPa）140130150180170

壓縮模量建議值Es（MPa）6.45.15.36.15.2

壓縮性評價中中中中中

層 號⑥⑦

巖 性粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土

承載力特征值fak（kPa）220210

壓縮模量建議值Es（MPa）11.68.7

壓縮性評價中中

3、基礎(chǔ)設(shè)計

本工程為多棟建筑組成的綜合住宅小區(qū)（詳見圖1），各部分的基底反力及上部結(jié)構(gòu)剛度差別較大，因此設(shè)計基礎(chǔ)時宜分別分開處理，同時需考慮相互之間的影響。

圖1 基礎(chǔ)及地下室底板結(jié)構(gòu)平面圖

3.1塔樓基礎(chǔ)設(shè)計

經(jīng)過上部結(jié)構(gòu)計算，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007—2002）第5.2.4條的規(guī)定，對該項目各子工程天然地基基礎(chǔ)形式進行了初步計算，持力層暫時按第③粉質(zhì)粘土層，并對持力層承載力特征值進行修正，計算結(jié)果見表2。

表2 天然地基承載力估算表

名稱結(jié)構(gòu)

形式基礎(chǔ)埋深

（m）單柱

荷載基底壓力

（kPa）fa

（kPa）天然地基

是否滿足要求備注

12#住宅樓剪力墻結(jié)構(gòu)-6.1 280244.3不滿足按筏板

基礎(chǔ)考慮

16#住宅樓剪力墻結(jié)構(gòu)-6.1 345244.3不滿足按筏板

基礎(chǔ)考慮

17#住宅樓剪力墻結(jié)構(gòu)-6.1 345244.3不滿足按筏板

基礎(chǔ)考慮

裙樓地下室框架結(jié)構(gòu)-6.13000150202.9滿足基礎(chǔ)面積

按20m2

注：1、按公式進行修正；

2、修正系數(shù)取值： =0.3、=1.6、γ=19.1、=18.9，地下水位以下取浮重度。

根據(jù)以上初步計算場地內(nèi)裙樓地下室可采用天然地基獨立基礎(chǔ)；12、16、17棟住宅樓天然地基不能滿足要求，應(yīng)進行地基處理或采用樁基。

3.1.1基礎(chǔ)對比選型

a.地基處理

地基處理的形式有很多種，而且現(xiàn)在還有一些新的處理方法不斷涌現(xiàn)，相對比較成熟的方法主要有以下幾類：注漿加固法，排水固結(jié)法，置換法，擠密法等。

根據(jù)巖土工程勘察報告，開挖深度內(nèi)土層主要為可塑和硬塑狀粉質(zhì)粘土，土質(zhì)條件相對較好，各層分布比較均勻，場地內(nèi)沒發(fā)現(xiàn)暗浜、暗塘等不利埋藏物和不良地質(zhì)現(xiàn)象；結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕l件初步擬定這樣幾種基礎(chǔ)處理形式：強夯擠密法，CFG樁。

強夯擠密法是利用重錘（約80～300kN）從高處落下產(chǎn)生的沖擊能，夯擊地基土，在地基土中產(chǎn)生沖擊波和很大的動應(yīng)力，從而使地基土密實。這種方法的特點是適用土層范圍相對比較廣，除了某些膨脹土或高飽和性土之外，其他土層一般都可以處理，處理深度也比較大，最大能達(dá)到40m。

CFG樁又稱是利用振動打樁機將直徑300～400mm的樁管打入土中，然后在管內(nèi)填入一些配合材料（水、碎石、粉煤灰、水泥和按一定比例配合）形成半剛性的樁體，樁管取出后，樁體與原有地基土形成復(fù)合地基，從而提高地基承載力。CFG樁主要適用于淤泥質(zhì)土、素填土、粉土、粉質(zhì)粘土，地下水位以上及以下均可使用。

b.樁基

與地基處理方法一樣，樁基的種類也很多，分類方法也非常多，一般按制作方法分為灌注樁和預(yù)制樁?；A(chǔ)選型階段初步選定了預(yù)應(yīng)力管樁這種基礎(chǔ)形式。

c.對比選型

針對本工程的特點，強夯擠密法施工簡單，成本較低，不過施工過程中產(chǎn)生的震動較大。施工現(xiàn)場周圍一定距離內(nèi)已有部分建筑，雖然施工時可以采取減震溝等措施，但仍然不能完消除對周圍建筑的影響，綜合考慮后排除了該種方法。

作為一種地基處理方法，CFG樁本身樁體不配筋，同時樁體材料造價較低，可以利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，成本優(yōu)勢明顯。

預(yù)應(yīng)力管樁施工方法成熟，可靠性很高，施工速度較快。但是，由于本工程場地勘察范圍內(nèi)無明顯的巖層，樁端阻力較小，如選用預(yù)應(yīng)力管樁，樁長較長，對比測算工程造價相對較高。

因此，經(jīng)過綜合對比考慮，本工程塔樓地基采用CFG樁基，

3.1.2 CFG樁計算

根據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ79-2002），水泥粉煤灰碎石樁（以下稱CFG）復(fù)合地基承載力特征值按下式估算：

單樁豎向承載力特征值估算公式為：

本工程CFG樁，有效樁長不小于13米，樁端進入第⑥粉質(zhì)粘土層不少于2m，樁徑400mm。

16、17棟，矩形布樁，樁縱向間距 s1 = 1300mm，橫向間距 s2 = 1250mm；

根據(jù)公式單樁豎向承載力特征值：

Ra = 80+1.257x（21x5.3+23x2.4+22x3.2+26x2）

=421 kPa 取420 kPa

等效圓直徑 de =1.1284·（d1·d2）0.5 = 1.1284*（1300*1250）0.5 = 1438mm

面積置換率 m=d2 / de2 = 4002/14382 = 0.0773

復(fù)合地基承載力特征值：

fspk = 0.0773x420/0.1257+0.85x（1-0.0773）x150

= 376.1kPa 取360 kPa

同理計算，12棟面積置換率為5.5%，復(fù)合地基承載力特征值為260kPa；

本工程CFG樁采用長螺旋鉆孔灌注成樁?；A(chǔ)墊層底面、樁頂間設(shè)250mm厚級配砂石褥墊層，范圍為筏板外擴300mm，最大粒徑不大于30mm。褥墊層鋪設(shè)宜采用靜力壓實法，夯填度（夯實后的褥墊層厚度與虛鋪厚度的比值）不得大于0.9；成樁過程中，抽樣做混合料試塊，每臺機械一天應(yīng)做一組（3塊）試塊（邊長為150mm的立方體），標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下其立方體抗壓強度fcu不小于20MPa。

工程施工前進行了試樁，CFG樁單樁承載力特征值滿足設(shè)計要求。復(fù)合地基驗收時，經(jīng)過載荷試驗檢測復(fù)合地基承載力也滿足設(shè)計要求。

3.1.3 塔樓筏板基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)地勘資料及結(jié)構(gòu)形式和受力情況，本工程塔樓采用筏板基礎(chǔ)，筏板基礎(chǔ)的形式主要有這樣幾種：平板式等厚筏板，柱（墻）下局部加厚筏板，帶肋梁的筏板，其中肋梁可以向上或向下。因為本工程為剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)墻布置間距較小，同時建筑高度相對不是很高，上部結(jié)構(gòu)荷載不大，所以采用平板式筏板即可以滿足要求。

圖2 塔樓基礎(chǔ)剖面圖

本工程筏板基礎(chǔ)兼做地下室底板，其頂面相對標(biāo)高為-6.100（圖2）?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》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板形基礎(chǔ)其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；樁箱或樁筏基礎(chǔ)的埋置深度不宜小于建筑物高度的1/18～1/20。16、17棟結(jié)構(gòu)主體高度58.000，結(jié)構(gòu)主體高度33.600，因此基礎(chǔ)埋置深度滿足要求。經(jīng)驗初步估算16、17棟筏板厚1400mm，12棟筏板厚1000mm。

筏板基礎(chǔ)計算采用JCCAD軟件進行計算分析，主要計算筏板的內(nèi)力和配筋，驗算地基的強度和變形。

軟件計算主要跟計算參數(shù)有關(guān)，本軟件的主要計算參數(shù)主要包括筏板計算模型、上部結(jié)構(gòu)剛度影響、有限元網(wǎng)格劃分等。

本工程計算選擇彈性地基梁板模型（樁和土按WINKLER模型），這種模型為簡化計算模型，將土與樁假設(shè)為獨立的彈簧，其雖然簡單，但受力明確，再考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的影響時，這種模型也比較符合實際情況。

平板式筏板平面外剛度相對很弱，在上部結(jié)構(gòu)不均勻荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致的后果是筏板計算配筋增加，增加工程造價?？紤]上部結(jié)構(gòu)剛度的影響時，上部結(jié)構(gòu)剛度疊加到基礎(chǔ)筏板上，從而增大了筏板基礎(chǔ)的平面外剛度，提高了筏板抵抗上部荷載的能力，使筏板變形減小，內(nèi)力和配筋也同樣減小。

有限元單元網(wǎng)格的劃分有時對計算結(jié)果的影響非常巨大，實際計算時先按照程序默認(rèn)值2m計算，發(fā)現(xiàn)有計算結(jié)果異常的情況時再適當(dāng)調(diào)整控制邊長，或局部調(diào)整網(wǎng)格劃分，直至結(jié)算結(jié)果經(jīng)濟合理。

經(jīng)過計算，平均基底反力小于復(fù)合地基承載力，筏板沖切滿足要求，配筋率合理。

3.2裙樓地下室基礎(chǔ)設(shè)計

裙樓地下室豎向荷載較小，抗浮設(shè)防水位較低，綜合考慮選擇獨立基礎(chǔ)加防水板基礎(chǔ)。相對于局部加厚筏板，獨立基礎(chǔ)加防水板傳力簡單，施工過方便，造價較低。計算軟件仍然采用JCCAD，程序計算時按柱（或墻）為不動支座，不考慮豎向變形。

計算防水板時考慮的荷載為：防水板自重、水浮力、板面荷載，不考慮上部結(jié)構(gòu)荷載。計算獨立基礎(chǔ)時，同時考慮上部結(jié)構(gòu)荷載和水浮力。

經(jīng)過計算，本工程選用500mm厚防水板，獨立基礎(chǔ)高度800～1100mm，防水板底在獨立基礎(chǔ)周圍設(shè)聚苯板，這種做法可以使防水板盡量不承擔(dān)地基反力，保證了結(jié)構(gòu)的受力狀況與設(shè)計相符合（詳見圖3）。

因為場地內(nèi)抗浮水位不高，設(shè)計時，增加了地下室頂板和裙樓屋面的覆土厚度，通過增加建筑自重來平衡水浮力，同時滿足了建筑綠化、防凍等要求。經(jīng)過驗算，本工程不需要采用其他抗浮措施，大大減低了工程造價。

圖3 獨立基礎(chǔ)加防水板基礎(chǔ)大樣

3.3基礎(chǔ)沉降計算

本建筑為塔樓裙樓一體的建筑物，塔樓與裙樓地下室的上部荷載差別巨大，設(shè)計時應(yīng)盡量減少二者之間的沉降差。首先，增大塔樓筏板基底面積，減小裙樓地下室獨立基礎(chǔ)基底面積，通過減小主樓沉降，適當(dāng)增大裙樓地下室沉降，減小了差異沉降。其次，在塔樓與裙樓地下室基礎(chǔ)之間設(shè)置1m寬沉降后澆帶。沉降后澆帶需在主體結(jié)構(gòu)頂板澆筑14天后，根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)設(shè)計驗算后再澆筑。

根據(jù)計算16、17棟的整體傾斜值為0.0004，平均沉降量為12mm，12棟整體傾斜值為0.0002，平均沉降量為10mm，獨立基礎(chǔ)平均沉降量約為8mm，均滿足規(guī)范要求。

圖4 16棟塔樓筏板沉降圖（mm）

4、結(jié)束語

對各種不良地基，適當(dāng)?shù)倪x擇地基處理形式，不但能滿足建筑承載力要求，而且相對其他基礎(chǔ)形式有一定的成本優(yōu)勢。本住宅小區(qū)塔樓與裙樓地下室上部結(jié)構(gòu)荷載相差巨大，設(shè)計時合理的選擇基礎(chǔ)形式，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施，適當(dāng)減少塔樓沉降增加裙樓地下室沉降，從而減小二者的沉降差異。本文的基礎(chǔ)設(shè)計思路可供同類建筑參考。

參考文獻：

[1] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB5007—2002

[2] 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ79-2002

[3] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計方法及實例分析（第二版）2012

[4] 地基基礎(chǔ)工程283問 2002