淺談CFG樁復(fù)合地基與鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

韓忠良

（煙臺(tái)市建筑設(shè)計(jì)研究股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

筏板基礎(chǔ)的主要優(yōu)勢(shì)在于有很強(qiáng)的承載能力以及比較強(qiáng)的適應(yīng)性，因此在高層建筑中的應(yīng)用是非常廣泛的。但是如果高層建筑對(duì)于地基的承載能力要求比較高，就需要對(duì)地基進(jìn)行必要的加固處理，使得建筑物能夠安全使用。一般來(lái)說(shuō)，采用人工加固的方式使得高層建筑更加安全的一種比較好的方法就是采用CFG樁復(fù)合地基。由于CFG樁復(fù)合地基是采用了人工干預(yù)的一種方法，所以一般會(huì)通過(guò)上面結(jié)構(gòu)的載荷分布以及不均勻沉降的承受能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CFG樁橫向以及豎向結(jié)構(gòu)的布置。

1 上部結(jié)構(gòu)-筏板基礎(chǔ)-地基共同作用的主要機(jī)理

1.1 基本概念

上部結(jié)構(gòu)一般會(huì)在墻的作用下與筏板基礎(chǔ)相互連接在一起，而地基與筏板基礎(chǔ)是直接接觸的，三者共同形成一個(gè)整體。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于三個(gè)部分會(huì)存在共同作用，其大小會(huì)受到各自剛度的影響。

從圖1我們可以看出，筏板基礎(chǔ)不僅要對(duì)載荷進(jìn)行支撐，還要對(duì)載荷進(jìn)行擴(kuò)散，而且在這個(gè)過(guò)程中還會(huì)存在一定的反作用力。作為高層建筑一個(gè)比較重要的部分，筏板基礎(chǔ)在承受來(lái)自墻的載荷的同時(shí)，也會(huì)同上部結(jié)構(gòu)共同作用使得不均勻變形減小，從而使得分布的撓度降低，以此來(lái)保證上部結(jié)構(gòu)可以正常工作。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)常使用的理論方法，是把上部結(jié)構(gòu)假設(shè)成為一個(gè)具有一定剛度值的物體，再與筏板基礎(chǔ)的剛度進(jìn)行相應(yīng)的疊加，將兩者看成是共同作用的，進(jìn)而就可以求出地基的反力分布曲線：

圖1 上部結(jié)構(gòu)-筏板基礎(chǔ)-地基的示意圖

在上面這個(gè)公式中，是考慮到三者共同作用而形成的曲線。而且，我們不難發(fā)現(xiàn)在公式（1）里面，地基的反力q是關(guān)于變形s的一個(gè)函數(shù)，也就是說(shuō)筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力的分布情況是受到基底CFG樁復(fù)合地基變形的影響的。

1.2 三者的共同作用機(jī)理

在公式（1）中，如果地基的土層可以滿足不產(chǎn)生滑移、不產(chǎn)生傾覆的條件的時(shí)候，對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，其地基土的變形情況是受到三者的共同作用的。具體的方程式為：

從上面這個(gè)公式我們不難發(fā)現(xiàn)，[K]st、[K]F以及[K]s都是已經(jīng)知道的，其他的矩陣也會(huì)隨之確定。要使得筏板基礎(chǔ)的下降是比較均勻的，只有將基礎(chǔ)的剛度矩陣增加才可以辦到。除此之外，還應(yīng)該對(duì)地基所能承受的支撐剛度進(jìn)行相應(yīng)的改變，從而使得地基底面的人工地基支撐剛度矩陣同載荷分布相互匹配。這樣一來(lái)，公式（2）就會(huì)變成：

要使得由于地基變形而使得筏板基礎(chǔ)內(nèi)力以及上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，會(huì)經(jīng)常采用控制筏板基礎(chǔ)的撓度的辦法，通俗的來(lái)說(shuō)，也就是說(shuō)對(duì)于存在大面積筏板基礎(chǔ)的高層建筑來(lái)說(shuō)，主樓下面筏板基礎(chǔ)的撓度值不要大于0.05%，相鄰樓之間的下降程度不可以超過(guò)0.1%。如果還需要把上部結(jié)構(gòu)-筏板基礎(chǔ)-地基的共同作用考慮進(jìn)去，就必須要借助現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)分析理論并且使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

2 CFG樁復(fù)合地基與鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法

要使得CFG樁復(fù)合地基加固，其本質(zhì)上就應(yīng)該是使得它與樁之間的基底應(yīng)力可以相互調(diào)節(jié)從而形成一種復(fù)合地基，使得兩者可以共同對(duì)上部結(jié)構(gòu)形成支撐作用。與CFG樁復(fù)合地基同鋼筋混凝土獨(dú)立的設(shè)計(jì)方法來(lái)說(shuō)，（如圖2所示），這種設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)可以概括成下面幾個(gè)方面：（1）使得地基的剛度得到明顯增加，從而使得地基的抵抗變形的能力大幅度提升；（2）作為地基上面是受彎的部件，如果采用獨(dú)立設(shè)計(jì)的方法，其計(jì)算是比較簡(jiǎn)單的，但是如果采用筏板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)部分的內(nèi)力分布都是與上部結(jié)構(gòu)的剛度緊密相關(guān)的；（3）一般來(lái)說(shuō)，采用兩種設(shè)計(jì)方法，對(duì)于CFG樁復(fù)合地基的變形來(lái)說(shuō)，其計(jì)算都應(yīng)該按照柔性基礎(chǔ)，但是由于筏板基礎(chǔ)的底面積是比較大的，這樣就可以使得基底的壓力得到有效降低，也會(huì)使得整體性得到增強(qiáng)，如果還考慮到上面高層建筑的結(jié)構(gòu)對(duì)于其剛度造成的影響，就會(huì)使得筏板基礎(chǔ)可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的傳遞功能，還可以約束CFG樁復(fù)合地基的變形情況。

圖2 CFG樁復(fù)合地基與鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程

對(duì)筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算是筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的核心部分。對(duì)于CFG樁復(fù)合地基來(lái)說(shuō)，其主要的特點(diǎn)就是剛度較高、不容易產(chǎn)生變形。所以，如果上部結(jié)構(gòu)的剛度比較大的時(shí)候，經(jīng)常采取的辦法主要是把整體彎曲考慮進(jìn)去，也可以稱作是倒樓蓋法。一般來(lái)說(shuō)，倒樓蓋法基底的反作用力會(huì)按照直線來(lái)分布，其計(jì)算方法的主要特點(diǎn)就是概念比較簡(jiǎn)單，通過(guò)查手冊(cè)的方法就可以得到答案。此外，由于高層建筑所存在的自身特點(diǎn)，對(duì)于反作用力的計(jì)算來(lái)說(shuō)，其剛度大小是在絕對(duì)剛性以及柔性之間的，如果筏板基礎(chǔ)的基底在剛度較大的CFG樁復(fù)合地基上的時(shí)候，在對(duì)筏板基礎(chǔ)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算的時(shí)候，在具體的實(shí)踐過(guò)程中會(huì)采用一種簡(jiǎn)化的倒樓蓋法同彈性地基梁板法的計(jì)算結(jié)果相比較，對(duì)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)該采用綜合取值的辦法，從而使得能夠達(dá)到一種比較好的設(shè)計(jì)方法。

2.2 CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)方法

對(duì)于筏板基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，其底面積A應(yīng)該滿足的條件是：

而對(duì)于CFG樁復(fù)合地基的變形s來(lái)說(shuō)，其計(jì)算過(guò)程應(yīng)該按照下面的方法：

通過(guò)公式（4）-（6），我們就可以計(jì)算出 CFG 樁復(fù)合地基可以承載的力的大小以及筏板基礎(chǔ)的底面積。但是要想筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力能夠比較精確地計(jì)算出來(lái)，就應(yīng)該按照公式（7）-（9）來(lái)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)采用公式（7）-（9）來(lái)對(duì)鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)的CFG樁復(fù)合地基的變形程度進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，一般會(huì)采用柔性基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。但是需要注意的是，柔性基礎(chǔ)并不可以對(duì)應(yīng)力進(jìn)行擴(kuò)散，因此，對(duì)于基底的反力來(lái)說(shuō)，其分布情況與筏板基礎(chǔ)上面的載荷是一樣的，具體的如圖3所示。從圖中我們不難看出，當(dāng)載荷均勻分布的時(shí)候，柔性基礎(chǔ)的下降程度是一種蝴蝶的形狀。這就是說(shuō)，要使得柔性基礎(chǔ)的沉降顯得比較均勻，就要使邊緣的載荷變大，而且還要使得中間的載荷變小。

圖3 柔性基礎(chǔ)基底反力分布圖

上部結(jié)構(gòu)-筏板基礎(chǔ)-地基的共同作用一般說(shuō)的就是三者之間的相互影響，對(duì)于筏板基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其工作原理就是將上部結(jié)構(gòu)的剛度增加到基礎(chǔ)筏板的剛度之上，從而使得筏板基礎(chǔ)的剛度不斷增加，讓其剛度處于柔性以及剛性之間，進(jìn)而使得載荷的傳遞更好。但是，由于CFG樁復(fù)合地基的壓縮性是比較差的，但是剛度很大，這就使得當(dāng)載荷均勻分布的時(shí)候，筏板基礎(chǔ)基底的反力分布是文克爾地基模型和彈性半無(wú)限空間模型之間，如圖4所示。

圖4 筏板基礎(chǔ)基底反力分布圖

從上文分析可以看出，當(dāng)筏板基礎(chǔ)的載荷比較均勻的情況下，對(duì)于基底的反作用力來(lái)說(shuō)，既不是一種柔性基礎(chǔ)，也不會(huì)是一種剛性基礎(chǔ)，而是一種像馬鞍一樣的形狀，也就是中間會(huì)大于邊緣，同柔性基礎(chǔ)基底的反力分布情況相比較來(lái)說(shuō)，當(dāng)邊緣位置的反力變大的時(shí)候，中心位置的反力會(huì)隨之減少，就好像箱形基礎(chǔ)基底反力一樣。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們可以看出，CFG樁復(fù)合地基在中心位置的變形情況是要大于邊緣位置的，這樣也就從側(cè)面反映了筏板基礎(chǔ)基底的反力的分布規(guī)律對(duì)CFG樁復(fù)合地基變形分布有決定性作用。

對(duì)于剛性基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，其對(duì)于沉降會(huì)有一個(gè)調(diào)整的作用，一方面來(lái)說(shuō)，會(huì)使得沉降作用顯得比較均勻，另一方面來(lái)說(shuō)，也會(huì)使得最大沉降有所降低。

從表1我們可以看出，當(dāng)L與B的比值比3小的時(shí)候，如果按照剛性基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，其平均沉降的影響系數(shù)一般是按照柔性基礎(chǔ)計(jì)算，一般是中心點(diǎn)的沉降系數(shù)的80%左右。所以，在上部結(jié)構(gòu)-筏板基礎(chǔ)-地基的共同作用下，如果按照公式（8）-（10），對(duì)于筏板基礎(chǔ)中心部位的變形計(jì)算所得到的結(jié)果再乘以0.8的折減系數(shù)會(huì)作為公式（4）中CFG樁復(fù)合地基的平均變形的值。如果把由于土層厚度的分布而產(chǎn)生的變形因素考慮進(jìn)去，取平均數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)筏板基礎(chǔ)的下沉分步進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，讓它作為按照現(xiàn)在已經(jīng)存在的CFG樁復(fù)合地基變形理論進(jìn)行計(jì)算，再加上上部結(jié)構(gòu)-筏板基礎(chǔ)-地基三個(gè)部分共同作用，以及土層厚度分布影響的改進(jìn)辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CFG樁復(fù)合地基的變形大小進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)具體的設(shè)計(jì)可以看出，如果按照現(xiàn)在CFG樁復(fù)合地基的變形理論進(jìn)行計(jì)算，并且將上部結(jié)構(gòu)-筏板基礎(chǔ)-地基三者的共同作用以及土層的厚度分布帶來(lái)的影響加以改進(jìn)，這種設(shè)計(jì)方法不僅符合實(shí)際需要，而且比較簡(jiǎn)單，實(shí)行起來(lái)比較方便，具有很高的可靠性。

表1 沉降影響系數(shù)/ω

在上面的分析之后，我們可以看出CFG樁復(fù)合地基與鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一般步驟可以分成下面幾步：當(dāng)筏板基礎(chǔ)的厚度滿足相應(yīng)的條件之后，應(yīng)該按照相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合以及準(zhǔn)永久組合的基礎(chǔ)底面作為平均的壓力的大小，對(duì)CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)并且加上相應(yīng)的計(jì)算，然后再采用彈性地基梁這個(gè)辦法以及簡(jiǎn)化之后的倒樓蓋法，通過(guò)借助計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的輔助計(jì)算，最終就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于CFG樁復(fù)合地基與鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其關(guān)鍵的地方在于計(jì)算CFG樁復(fù)合地基的變形是不是準(zhǔn)確。在這篇文章中，我們?cè)趯?duì)已經(jīng)存在的測(cè)量結(jié)果分析之后，通過(guò)對(duì)上部結(jié)構(gòu)-筏板基礎(chǔ)-地基共同作用的基本概念以及作用機(jī)理進(jìn)行一定的分析之后，提出了相應(yīng)的改進(jìn)辦法。通過(guò)改進(jìn)辦法，在經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證之后，我們可以發(fā)現(xiàn)其計(jì)算結(jié)果與要求的值的大小基本上是符合的。而且這個(gè)改進(jìn)辦法，不僅符合規(guī)范要求，也比較符合工程的具體情況，計(jì)算結(jié)果是比較可靠的，可以得到推廣利用。

[1]GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

[2]GB 50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012．

[3]JGJ 6-2011,高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．

[4]黨昱敬.CFG樁復(fù)合地基與鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015，45(11):75-80.

[5]黨昱敬，柳建國(guó).上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基協(xié)同工作時(shí)剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(01):65-68．