高層建筑地下室補償基礎設計研究

張志勇 張曄 李艷芳

摘要：現階段隨著高層建筑的不斷增多，但是在對其地下室樁基礎設計時，很少考慮樁間土對上層建筑的負荷，設計員在地下室補償基礎設計時，一般為了降低地下室基礎的沉降，通常會按照規范所規定的樁距來分布樁基，同時認為樁基越多越密就越安全，這與實際情況并不相符并且增大了工程不必要的投入。本文以福州某地的某高層建筑為例，詳細說明了高層建筑中地下室補償基礎設計中的各種應該注意和避免的問題。

關鍵字:地下室；樁筏基礎；樁間土；補償作用

引言

隨著城市建筑的規模在日益增大，高層建筑越來越普遍，對其地下室的補償基礎設計的研究也越來越多。傳統的地下室補償基礎通常采用的是摩擦樁和端成樁，樁基具有承載力高、沉降量小而較均勻的特點，幾乎可以應用于各種工程地質條件和各種類型的工程，尤其是適用于建筑在軟弱地基上的重型建（構）筑物，但是在地下室補償基礎設計中，設計員的設計完全由樁本身承重，沒有考慮到實際情況下樁間土體也承受了部分負荷的情況。在地下室補償基礎設計時，一般為了降低地下室基礎的沉降，通常會按照規范所規定的樁距來分布樁基，同時認為樁基越多越密就越安全。然而事實并非如此。

1 樁筏基礎樁—土反力實測結果分析

筏型基礎又叫笩板型基礎，即滿堂基礎，是把柱下獨立基礎或者條形基礎全部用聯系梁聯系起來，下面再整體澆注底板。由底板、梁等整體組成。建筑物荷載較大，地基承載力較弱，常采用砼底板，承受建筑物荷載，形成筏基，其整體性好，能很好的抵抗地基不均勻沉降。筏板基礎分為平板式筏基和梁板式筏基，平板式筏基支持局部加厚筏板類型；梁板式筏基支持肋梁上平及下平兩種形式。一般說來地基承載力不均勻或者地基軟弱的時候用筏板型基礎。而且筏板型基礎埋深比較淺，甚至可以做不埋深式基礎。

根據樁筏基礎實際測量結果分析結果可知，對于一般的非欠固結土樁基土，無論是摩擦樁還是端承樁，客觀上樁間土反力是存在的，并且能穩定分擔15%—35%的上部荷載。這樣看來，樁間土承載力發揮著不可忽視的作用，如果不考慮其影響在增加工程耗費的同時也降低了工程的效率。

以福州某地的某高層建筑為例，該建筑結構為23層，地下負一層，建筑物高83m，筏板由358根鋼筋混凝土預制樁組成，該樁厚1.25m，直徑為5dm。由結果（表1）可知，樁的承載力發揮效率為43.7%—59.9%，樁間土分擔的比例為15.4—32.5%，也就是說樁間土承載了接近四層的負荷。而設計人員進行設計時完全沒有考慮樁間土的承重。樁間土承重的原因主要是因為樁在上部荷載壓力下，發生了變形和沉降，這樣就使得它也承受了一部分荷載。

表1 樁—土反力計算值與實測結果

２ 現行樁筏基礎設計存在的問題

現行樁筏基礎的設計已經全面考慮建筑上部結構和地基基礎的相互作用，但是還存在著若干問題：

① 現階段我國關于高層建筑上部結構與地基基礎的相互作用的理論模型，但是，需要通過許多假設的理論模型尚不能完全反映實際情況。例如通過很多實際測量的結果可知，樁筏基礎和箱筏基礎底板的整體彎曲率都非常小，比如甘肅地區的一些高層建筑的箱筏底板鋼筋應力為20—30MPa，這個數字是預設鋼筋強度的十分之一，即便少數鋼筋應力很大的工程其數值也小于70MPa。

② 很多有關設計人員考慮不夠周全，比如說地下室深基坑的開挖，會對原本建筑地基起到卸荷和補償作用，這樣可以降低原本建筑地基的負荷，以致降低了地基的附加應力。并且在地下室設計時，地下水對樁筏基礎的浮力作用并沒有予以考慮，而是僅僅片面的考慮了局部作用力，造成工程的不必要支出。

③ 地下室外墻和回填間的摩擦力影響到了建筑物的沉降，同時補償地基基礎，但是這點在相關文獻中都沒有提及。

３混凝土收縮應力對地下室底板鋼筋應力的影響

在高層建筑構建樁筏基礎的視乎，由于底部筏板沒有受到出自身重力之外的其他豎直方向的應力，這樣就使得混凝土在硬化的過程中能夠自由收縮，收縮應變為：

其中，t為天數， 為任意天數使混凝土的收縮應變（mm/mm）, 為混凝土基本收縮方程， 分別為混凝土強度、溫度、養護方法、構件尺寸和配筋率影響系數。

地下室的混凝土強度為C40，即 =1，配筋率約為0.26%，則 為0.863，常溫條件下， 約為1.143，養護為自然養護，則 為1.3，底板厚0.6m，則 為1.2。此時，當t分別為7天、14天、28天時，混凝土的收縮應變則分別為0.115/1000、0.152/1000、0.181/1000，當t區域無窮大時，收縮應變為0.223/1000。

現假設，鋼筋與混凝土沒有相對位移，則混凝土收縮就會使鋼筋出現 的預壓應力，此時，當t分別為7天、14天、28天時， 分別為23.0MPa、30.4MPa、36.2MPa，并且當t趨于無窮大時，鋼筋產生的預應壓力為44.6MPa。

由于其他約束條件的存在，實際情況下鋼筋預應力并不可能達到44.6MPa.

４ 樁筏基礎地下室受力特征

４．１ 地下室底板與樁及樁間土體的相互作用

地下室底板的上部荷載越大，則底板沉降越大，反作用力也就越大，樁間土摩擦阻力也越大，從而對樁的約束就越強。

４．２ 地下室外墻回填土的摩擦力作用

由于在對地下室進行必要的回填的時候，回填土經過層層夯實，這樣回填土與地下室外墻的摩擦力使得外墻不易水平移動，從而增加了建筑基礎的牢固性。由日本計算樁基抗震方法可知，當地下室周邊土受標準錘擊進入土體深度為20時，單層地下室承擔的地震剪力降低至30%，兩層地下室則可以忽略抗震中地震剪力問題。并且，外墻和回填土的摩擦力，可補償地基基礎。陜西省電信網管中心大樓的外墻摩擦力平均值大于100KPa。

４．３ 地下室對地基或樁基的補償潛力

地下室的開挖，降低了原本地基的承載力，減輕了地基的負荷，從而對建筑地基或樁基的要求也會隨之有所下降。

４．４ 上部結構對樁筏基礎變形的約束作用

在施工開始階段，完成不超過5層得時候，上層負荷比較小，尚不能使樁擠壓變形，因此主要的荷載體是樁間土。當樓層層數超過5層時，樓層上部負荷逐漸增大，并且上部結構整體剛性逐漸形成并且增大，隨著上部壓力的增大，對樁的擠壓也越來越大，樁基開始承重，并且5層以上的負荷基本上是有樁基承擔。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。