小高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計

【摘 要】本文在介紹小高層建筑常用基礎(chǔ)類型及設(shè)計計算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的工程實例，詳細(xì)的闡述了小高層建筑設(shè)計的內(nèi)容和方法。

【關(guān)鍵詞】小高層建筑；樁筏基礎(chǔ)；基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)是房屋結(jié)構(gòu)的重要組成部分，房屋所受的各種荷載都要經(jīng)過基礎(chǔ)傳至地基。由于小高層建筑層數(shù)多、上部結(jié)構(gòu)荷載較大，導(dǎo)致使其基礎(chǔ)具有埋置深度大，材料用量多，施工周期長，工程造價高等特點。為此，小高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)滿足以下幾方面的要求：

（1）基礎(chǔ)的總沉降量和差異沉降量滿足規(guī)范規(guī)定的允許值；

（2）滿足天然地基或復(fù)合地基承載力及樁基承載力的要求；

（3）地下結(jié)構(gòu)滿足建筑防水的要求；

（4）預(yù)先估計在基礎(chǔ)施工過程中對毗鄰房屋或市政設(shè)施的影響，并盡可能避免或減輕這種影響和干擾。

1 基礎(chǔ)的選型

應(yīng)選用整體性好、能滿足地基的承載力和建筑物容許變形要求并能調(diào)節(jié)不均勻沉降的基礎(chǔ)形式。天然地基上的筏形基礎(chǔ)比較經(jīng)濟(jì)，宜優(yōu)先采用；必要時也可采用箱形基礎(chǔ)；當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件好、荷載較小，且能滿足地基承載力和變形的要求時，也可采用交叉梁基礎(chǔ)或其它基礎(chǔ)形式；當(dāng)?shù)鼗休d力和變形不能滿足設(shè)計要求時，可采用樁基或復(fù)合地基。

基礎(chǔ)是否發(fā)生傾斜是小高層建筑是否安全的關(guān)鍵因素。小高層建筑由于質(zhì)心高、荷載大，對基礎(chǔ)底面一般難免有偏心，故在沉降過程中，建筑物總重量對基礎(chǔ)底面形心將產(chǎn)生新的傾覆力矩增量，而此傾覆力矩增量又產(chǎn)生新的傾斜增量，傾斜可能隨之增長，直至地基變形穩(wěn)定為止。因此，為減少基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)豎向荷載重心與基礎(chǔ)平面形心相重合，當(dāng)偏心難以避免時，應(yīng)對其偏心距加以限制。《高層規(guī)程》規(guī)定，在地基土比較均勻的條件下，箱形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)的基礎(chǔ)平面形心宜與上部結(jié)構(gòu)豎向永久荷載重心重合。當(dāng)不能重合時，偏心距e宜符合下式要求：

——與偏心方向一致的基礎(chǔ)地面邊緣抵抗矩（）；

A——基礎(chǔ)底面面積（）。

對低壓縮性地基或端承樁基的基礎(chǔ)，可適當(dāng)放寬偏心距的限制。按上式計算時，裙房與主樓可分開考慮。

2 基礎(chǔ)的埋置深度

小高層建筑基礎(chǔ)必須有足夠的埋置深度，這主要是考慮了以下幾方面的因素：

2.1 增大基礎(chǔ)埋深可保證高層建筑在水平荷載（風(fēng)和地震作用）作用下的地基穩(wěn)定性，減少建筑的整體傾斜，防止傾覆和滑移，利用土的側(cè)限形成嵌固條件，保證小高層建筑的穩(wěn)定；

2.2 由于基礎(chǔ)增大埋深，可使地基的附加壓力減小，且地基承載力的深度修正也加大，則可以提高地基的承載力，減少基礎(chǔ)的沉降量；

2.3 增大基礎(chǔ)埋深，可使地下室外墻與土體之間的摩擦力和被動土壓力增大，從而限制了基礎(chǔ)在水平荷載作用下的擺動，使基礎(chǔ)底面上反力分布趨于平緩；

2.4 地震作用下結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)與基礎(chǔ)埋置深度關(guān)系較大，增大埋深，可使阻尼增大，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)減小，而且土質(zhì)越軟，埋置深度越大，地震反應(yīng)減小得越多。因此增大埋深有利于建筑物抗震。實測表明，有地下室的建筑地震反應(yīng)可降低（20—30）％。

基礎(chǔ)的埋置深度對房屋造價、施工技術(shù)措施、工期以及保證房屋正常使用等都有很大的影響。基礎(chǔ)埋置太深，還會增加房屋的造價；而埋置太淺，通常又不能保證房屋的穩(wěn)定性。因此，基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況選擇一個合理的埋置深度。當(dāng)基礎(chǔ)直接擱置在基巖上時，可以不考慮埋深的要求，但一定要做好地錨，保證基礎(chǔ)不發(fā)生滑移。

3 小高層建筑常用基礎(chǔ)形式

3.1 筏形基礎(chǔ)設(shè)計

筏形基礎(chǔ)也稱為片筏基礎(chǔ)或筏式基礎(chǔ)，是小高層建筑中常用的一種基礎(chǔ)形式，它適用于小高層建筑地下部分用做商場、停車場、機(jī)房等大空間房屋。筏形基礎(chǔ)具有整體剛度大，能有效地調(diào)整基底壓力和不均勻沉降，并有較好的防滲性能；

3.1.1 筏形基礎(chǔ)尺寸的確定

筏形基礎(chǔ)的平面尺寸應(yīng)根據(jù)地基土的承載力、上部結(jié)構(gòu)的布置及其荷載的分布等因素確定。在確定基礎(chǔ)平面尺寸時，為避免基礎(chǔ)發(fā)生過大的傾斜和改善基礎(chǔ)受力狀況，應(yīng)使基礎(chǔ)平面形心與上部結(jié)構(gòu)豎向荷載重心之間的偏心距滿足要求。

當(dāng)滿足地基承載力時，筏形基礎(chǔ)的周邊不宜向外有較大的伸挑擴(kuò)大。當(dāng)需要外挑時，其外挑長度一般不宜大于同一方向邊跨柱距的1/4—1/3，同時宜將肋梁伸至筏板邊緣；周邊有墻的筏形基礎(chǔ)，其外挑長度一般為1m 左右，也可不外伸。

3.1.2 筏形基礎(chǔ)的基底反力及內(nèi)力計算

筏形基礎(chǔ)的設(shè)計方法，根據(jù)采用的假定不同可分為剛性板方法和彈性板方法兩大類。彈性板方法又可分為經(jīng)典解析法、數(shù)值分析法（如有限差分法、有限單元法和樣條函數(shù)法）和等代交叉彈性地基梁法等；彈性板方法雖未考慮上部結(jié)構(gòu)的作用，但考慮了地基與基礎(chǔ)的相互作用，與實際情況較為符合。

當(dāng)?shù)鼗帘容^均勻，上部結(jié)構(gòu)剛度較好，平板式筏形基礎(chǔ)的厚跨比或梁板式筏形基礎(chǔ)的肋梁高跨比不小于1/6，柱間距及柱荷載的變化不超過20％時，小高層建筑的筏形基礎(chǔ)可僅考慮局部彎曲作用，按倒樓蓋法（即剛性板方法）進(jìn)行計算。按剛性板方法計算時，假定基礎(chǔ)底板相對于地基而言是絕對剛性的，則筏形基礎(chǔ)的內(nèi)力可按基底反力直線分布進(jìn)行計算。當(dāng)不符合上述條件，如地基比較復(fù)雜、上部結(jié)構(gòu)剛度較差，或柱荷載及柱間距變化較大時，筏形基礎(chǔ)的基底反力宜按彈性板方法進(jìn)行計算。

梁板式筏形基礎(chǔ)內(nèi)力計算當(dāng)框架的柱網(wǎng)在縱橫兩個方向上尺寸的比值小于2，且在柱網(wǎng)單元內(nèi)不再布置次肋梁時，可將筏形基礎(chǔ)近似地視為一倒置的樓蓋，地基凈反力作為荷載，筏板按雙向多跨連續(xù)板計算，肋梁按多跨連續(xù)梁計算，如下圖所示。由于基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用，致使基礎(chǔ)端部處的基底反力增加，

3.2 箱形基礎(chǔ)設(shè)計

箱形基礎(chǔ)是由鋼筋混凝土頂板、底板、外墻和內(nèi)墻組成的空間整體結(jié)構(gòu)，是小高層建筑中廣泛采用的一種基礎(chǔ)形式。它具有很大的剛度和整體性，能有效地調(diào)節(jié)基礎(chǔ)的不均勻沉降，常用于上部結(jié)構(gòu)荷載大，地基軟弱且分布不均勻的情況；由于箱形基礎(chǔ)的埋置深度較大，周圍土體對其具有嵌固作用，因而可以增加建筑物的整體穩(wěn)定性，并對結(jié)構(gòu)抗震有較好的效果。

3.2.1 箱形基礎(chǔ)的一般規(guī)定

箱形基礎(chǔ)的高度應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的承載力和剛度要求，并根據(jù)建筑使用要求確定。為了使箱形基礎(chǔ)具有一定的剛度，能適應(yīng)地基的不均勻沉降，滿足使用功能上的要求，減少不均勻沉降引起的上部結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，一般不宜小于箱基長度（不計墻外懸挑板部分）的1/20，且不宜小于3m。

3.2.2 箱形基礎(chǔ)基底反力計算

確定基底反力是箱形基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵問題，由于影響基底反力的因素較多，如土質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)的剛度、荷載分布和大小、基礎(chǔ)埋深、尺寸和形狀等，精確地確定箱形基礎(chǔ)基底反力是一非常復(fù)雜和困難的問題，可以按照彈性地基上的梁板理論計算，不僅工作量大，且計算結(jié)果與實測值比較差別較大，因此，至今尚沒有一種可靠而實用的計算方法。

實測結(jié)果表明，在軟土地區(qū)，縱向基底反力一般呈馬鞍形，反力最大值離基礎(chǔ)端部的距離約為基礎(chǔ)長邊的1/9—1/8，最大值為平均值的1.06—1.34 倍（圖(a)）；在第四紀(jì)粘性土地區(qū)，縱向基底反力分布曲線一般呈拋物線形，最大反力值約為平均值的1.25—1.37 倍（圖(b)）

3.2.3 箱形基礎(chǔ)內(nèi)力分析

箱形基礎(chǔ)頂板和底板在地基反力和水壓力及上部結(jié)構(gòu)傳下來的荷載作用下，上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)內(nèi)力有較大影響，由于上部結(jié)構(gòu)參與共同作用，分擔(dān)了整個體系的整體彎曲應(yīng)力，基礎(chǔ)內(nèi)力將隨上部結(jié)構(gòu)剛度的增加而減小，但這種考慮共同作用的分析方法計算上比較復(fù)雜，距實際應(yīng)用還有一定的距離。目前在實際工程中是根據(jù)具體的上部結(jié)構(gòu)體系分別采用下述兩種計算方法。

（1）按局部彎曲計算

考慮到整體彎曲的影響。縱橫方向支座鋼筋尚應(yīng)有1/3 至1/2 的鋼筋連通，且連通鋼筋的配筋率分別不小于0.15％（縱向）、0.10％（橫向），跨中鋼筋按實際需要的配筋全部連通。

（2）同時考慮局部彎曲和整體彎曲計算

對不符合上述要求的箱形基礎(chǔ)，應(yīng)同時考慮局部彎曲和整體彎曲作用。計算整體彎曲時應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)與箱形基礎(chǔ)的共同作用。

3.3 樁基礎(chǔ)設(shè)計

樁基礎(chǔ)是小高層建筑中廣泛采用的一種基礎(chǔ)形式，適用于上部結(jié)構(gòu)荷載較大，地基在較深范圍內(nèi)為軟弱土且采用人工地基無條件或不經(jīng)濟(jì)的情況下。樁基礎(chǔ)由承臺和樁身兩部分組成，承臺承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，并把它分布到各根樁，在通過樁傳到深層土上；因此，在承受豎向荷載時，樁基礎(chǔ)的作用是將上部結(jié)構(gòu)的荷載通過樁尖傳到深層較堅硬的地基中，或通過樁身傳給樁身周圍的地基中；對于水平荷載，主要是依靠承臺側(cè)面以及樁上段周圍土體的擠壓力來抵抗。

樁基承臺是上部結(jié)構(gòu)與樁之間相聯(lián)系的結(jié)構(gòu)部分，樁基承臺的構(gòu)造，除滿足抗沖切、抗剪切、抗彎承載力和上部結(jié)構(gòu)的要求外，承臺的寬度不應(yīng)小于500mm。邊樁中心至承臺邊緣的距離不宜小于樁的直徑或邊長，且樁的外邊緣至承臺邊緣的距離不小于150mm；對于條形承臺梁，樁的外邊緣至承臺梁邊緣的距離不小于75mm。承臺的最小厚度不應(yīng)小于300mm。承臺的配筋，對于矩形承臺其鋼筋應(yīng)按雙向均勻通長布置(圖(a))，鋼筋直徑不宜小于10mm，間距不宜大于200mm；對于三樁承臺，鋼筋應(yīng)按三向板帶均勻布置，且最里面的三根鋼筋圍成的三角形應(yīng)在柱截面范圍內(nèi)(圖(b))；承臺梁的主筋除滿足計算要求外，尚應(yīng)符合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范關(guān)于最小配筋率的規(guī)定，主筋直徑不宜小于12mm，架立筋不宜小于10mm，箍筋直徑不宜小于6mm(圖(c))。承臺混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20，縱向鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)小于70mm，當(dāng)有混凝土墊層時不應(yīng)小于40mm。

4 小高層基礎(chǔ)設(shè)計實例

4.1 工程概況

某住宅樓，地下一層，地上8層（其中地下一層為人防地下室；地上均為住宅）。住宅樓為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑總面積為5665。建筑物耐久年限為50年；建筑類別為一類；建筑耐火等級為一級；建筑抗震烈度為8度。

4.2 基礎(chǔ)設(shè)計

4.2.1 基礎(chǔ)選型

本設(shè)計上部結(jié)構(gòu)荷載適中，但地基土軟弱，持力層較深，用天然淺基礎(chǔ)或僅作簡單的人工地基加固仍不能滿足要求，該上部建筑物對沉降要求嚴(yán)格。因此選用樁基礎(chǔ)，又由于上部結(jié)構(gòu)是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，承受荷載的既有框架柱又有剪力墻，故優(yōu)先考慮樁筏基礎(chǔ)。本設(shè)計采用平板式樁筏基礎(chǔ)。

4.2.2 樁筏基礎(chǔ)設(shè)計

此樁筏基礎(chǔ)采用不考慮共同作用的計算方法，即上部結(jié)構(gòu)視為柱底（墻底）固端約束的獨立結(jié)構(gòu)，用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求出外荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和柱底及墻底反力，然后將求出的柱底（墻底）固端力作用于基礎(chǔ)，假設(shè)外荷載全部由樁承擔(dān)，由外荷載和單樁承載力確定樁數(shù)，再按材料力學(xué)要求或構(gòu)造要求確定承臺的尺寸和配筋。

4.2.3 樁型選擇、施工工藝和承臺埋深

樁型選擇端承摩擦樁，施工工藝選擇鉆孔灌注樁（采用泥漿護(hù)壁），承臺底面埋深6.3m。

4.3 初步選擇樁斷面及持力層，估算單樁承載力，確定樁數(shù)并進(jìn)行平面布置

4.3.1 選擇樁端持力層，估算單樁承載力

樁基持力層宜選擇在壓縮性較低的土層中，且需綜合考慮樁基承載力的要求以及布樁條件。分別選擇第層（粉質(zhì)粘土）、第層（粉質(zhì)粘土）、第層（粉質(zhì)粘土）作為樁端持力層，樁長分別為20m、26m、33m。按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94—94中的經(jīng)驗公式確定單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

然后分別計算個樁長下所需樁數(shù)

4.3.2 樁數(shù)的初步確定及其平面布置

按照以下原則進(jìn)行樁的平面布置①盡可能使群樁橫截面的形心與長期荷載的合力作用點重合；②盡量將樁布置在靠近承臺（筏板）的邊緣部分，以增加樁基的慣性矩；③保持樁矩=（3～4）d左右為宜，樁在平面上的布置多采用行列式。初步選定樁長10m，樁徑400mm的樁，極限承載力為629.9kN，樁數(shù)20根。

4.3.3 筏板尺寸

板厚取1.4m（待沖剪驗算后最終確定），縱向外伸350mm（到外柱外邊緣），橫向外伸取800mm（到外柱外邊緣）。其下設(shè)100mm后的素混凝土墊層。

4.4 樁頂作用效應(yīng)驗算

4.4.1 上部荷載及基礎(chǔ)自重完全由樁來承擔(dān)（即不考慮底板下土的分擔(dān)作用），樁頂反力按直線型分布計算

樁頂作用效應(yīng)滿足

4.4.2 群樁中單樁豎向承載力的驗算

在荷載作用下，存在群樁效應(yīng)問題，群樁承載力并不等于單樁承載力之和。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-94的規(guī)定

（式7）

經(jīng)計算10m的樁不能滿足要求，改選12m長的樁滿足要求。單樁承載力為735.6kN。

4.5 樁筏基礎(chǔ)沉降驗算

對于樁-筏基礎(chǔ)的整體沉降計算，現(xiàn)行規(guī)范沒有給出明確的規(guī)定。目前主要有兩類計算方法。一類是從樁-筏基礎(chǔ)的受力機(jī)理出發(fā)得到“簡易理論法”；一類是從彈性理論出發(fā)得到的半經(jīng)驗半理論公式。本設(shè)計采用的沉降計算的簡易理論方法。首先根據(jù)外荷P與地基總抗力T的大小關(guān)系確定計算模式。 一種模式為P>T的實體深基礎(chǔ)模式；一種模式為P≤T 的復(fù)合地基計算模式。經(jīng)計算知本設(shè)計為P≤T的復(fù)合地基計算模式。整體最終沉降量

其中：為樁身壓縮量; 為樁段平面一下壓縮厚度范圍內(nèi)的壓縮量。按軸心受壓構(gòu)件軸力按三角形分布計算；按分層總和法計算。計算結(jié)果為7.84cm，滿足規(guī)范中要求高層建筑整體沉降量不大于20cm的要求。

5 結(jié)論

小高層建筑由于既能適應(yīng)現(xiàn)代居住生活要求，又可以在一定的程度上提高土地利用率、節(jié)約土地資源，得到人們的青睞。建筑基礎(chǔ)作為上部結(jié)構(gòu)和地基之間的紐帶，其質(zhì)量優(yōu)劣直接關(guān)系到上部結(jié)構(gòu)的安全與否。設(shè)計人員在進(jìn)行小高層基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑物所處的地區(qū)、業(yè)主的要求以及地質(zhì)條件，在滿足國家規(guī)范及強(qiáng)制性條文的要求下，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x型，科學(xué)的計算和驗證分析進(jìn)行基礎(chǔ)的設(shè)計。隨著人們對地基基礎(chǔ)研究的不斷深入，小高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計也會取得新的發(fā)展。

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