高層建筑樁筏基礎協同作用的應用

唐建華

【摘要】樁筏基礎是高層建筑設計中普遍采用的一種基礎形式，目前有關樁筏基礎的協調作用研究已取得了一定的成果，但是由于樁筏基礎是一個異常復雜的系統，其協同作用受到多方面因素的影響，因此有必要對高層建筑樁筏基礎的協同作用進行深入研究和剖析。為此，本文以某高層建筑為例，著重分析樁筏基礎基礎的應用及其協同作用。

【關鍵詞】高層建筑；樁筏基礎；協同作用；應用研究

隨著城市化進程的加快，高層建筑建設規模和數量迅速增長，樁筏基礎的應用優勢也日益凸顯，廣泛應用于高層建筑設計中，尤其是軟土地區在修建高層建筑時，更是將樁筏基礎作為主要結構。有關樁筏基礎結構與地基之間的協同作用，國內外學者已進行了一系列的研究并取得了豐碩的成果，但是其研究對象局限于基礎沉降、筏板內力、樁頂反力分布、樁土分擔荷載比等幾個方面的概念研究，沒有通過計算準確地表達，即使大量的工程實踐總結出許多原理和方法，但是研究成果與實際應用還存在一定的差距。因此，充分認識樁筏基礎與地基之間的作用機理及應用情況對于提高樁筏基礎的實用性，改進樁筏基礎設計方法具有重要意義。

一 樁筏基礎協同作用概述

高層建筑上部結構通過墻、柱等與樁筏基礎結構相連，樁筏基礎底面則直接與地基相連，三者通過組成一個完整的建筑系統，彼此之間也相互作用或制約[1]

。研究樁筏基礎與地基之間的協同作用有助于檢驗三者的接觸部位是否滿足變形協調條件，這也是協同作用的核心理念。研究表明建筑上層結構、樁筏基礎與地基三者的協同作用計算結果與相互割裂計算結果存在明顯不同，上部結構的荷載作用使地基發生變形，而地基變形又受到樁筏基礎的制約，樁筏基礎的剛度不同，其對地基變形的制約程度也不同，反過來，樁筏基礎又隨地基的變形發生一定的改變，其改變同時受到建筑上部結構的影響，這種影響程度取決于上部結構的剛度[2]。因此，在協同作用分析中，上部結構、樁筏基礎和地基三者之間是相互制約、相互影響的關系。經過協同作用分析可以了解建筑整體結構的實際工作狀態，使建筑設計工作變得更加經濟、合理。

二 高層建筑樁筏基礎協同作用應用的研究重點

高層建筑樁筏基礎協同作用研究主要解決兩個方面的內容，一是如何建立上部結構、樁筏基礎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，根據位移連續協調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為基礎剛度矩陣，Ksp為樁土支撐剛度矩陣，Kb為上部結構剛度矩陣，U為節點位移向量，Q為上部結構荷載向量，Sb為基礎荷載向量[3]。通過方程求解即可得到相關數據內容，包括地基土反力、基礎沉降和內力、上部結構位移等，這樣可以更加便捷地分析上部結構、樁筏基礎與地基三者之間的協同作用。

上部結構、樁筏基礎和地基受力特性不同其分析模式也就不同。上部結構主要包括梁、柱、板等基礎構件，因此可以采取類似梁的單元模擬方式。目前有關上部結構的分析研究比較成熟，一般是將上部結構視為等效荷載向量，并將其耦合到剛度矩陣上，與地基分析相比，上部結構的分析思路比較清晰，其參與機理也比較明確，處理起來也更加簡單。樁筏基礎分析與地基作用分析同屬于一個層次上，樁筏基礎一般由三個基礎構件組成，其中一個構件尺寸較小，另外兩個構件尺寸較大，大小構件尺寸比大于10。在樁筏基礎筏板與樁土協同作用分析中主要采取薄板理論和厚板理論兩大技術方法。薄板理論是分析樁筏基礎的傳統方法和經典方法，該方法忽略了筏板的剪切變形，也就是不予考慮剪應力變形，在厚度較大的筏板分析時可能產生一定的誤差而影響分析結果。地基分析也稱本構關系分析，主要研究地基土體在受力影響下的應力變化，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算更是解答協同作用的關鍵。因此，需要合理選擇地基模型。

三 高層建筑樁筏基礎協同作用應用實例分析

（一）工程概況

宏福家園住宅小區13棟為典型的高層建筑，層數為26層，建筑高度86m，單幢建筑面積為1.45萬m2，設置地下室一層，建筑主體結構為鋼筋砼剪力墻結構，安全等級為二級，設計使用年限為50年。樁筏基礎為靜壓預制預應力鋼筋砼管樁，地基土層為可塑狀粉質粘土，樁端持力層為中風化或微風化灰巖。

（二）地質條件

宏福家園住宅小區位于熔巖地區，工程地質條件較為復雜，自上而下依次為粉質粘土、粉質粘土和中風化灰巖混合層和微風化灰巖，宏福家園住宅小區地質剖面圖和地基巖土工程參數見圖1。

圖1 宏福家園住宅小區地質剖面圖和地基巖土工程參數

（三）樁筏基礎設計

樁筏基礎設計包括兩大內容，一個是工程樁設計，一個是筏板基礎設計。工程樁設計不能簡單地根據地質勘測結果測算，應當在基礎底板測算距離的基礎上引入入巖深度，并層層標注樁頂高度，為確保工程樁質量，需將小于層頂標高的基樁作為樁長設計依據。筏板基礎設計需結合建筑上部結構荷載、整體建筑結構體系和地質條件等進行綜合分析，核心問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平設計原理不斷優化筏板基礎設計方案。

（四）協同作用分析及檢測結果

該高層建筑主樓與單層地下室裙樓直接連接，根據廣東省《建筑地基基礎設計規范》（DBJ15-31-2003）中的相關設計參數標準，主樓與房柱之間的差異沉降不得大于跨度的0.1%。鑒于該處地質條件極為復雜，需嚴格控制主樓與房柱之間的差異沉降。結構采用有限元沉降計算法分析上部結構、樁筏基礎與地基之間的相互作用，建模分析中需借助Embedded Pile單元模擬軟件進行分析。通過檢測結果可以得知工程沉降量符合規范要求，設計合理，已達到預期效果。

四 結論

本文主要針對高層建筑的樁筏基礎協同作用進行了分析，并引入工程實例具體闡述其應用情況及應用效果，限于時間及經驗的有限，本次研究并沒有涉及上部結構的次生應力問題，有關上部結構、樁筏基礎和地基的協作用研究還比較粗略，沒有考慮到上部結構次生應力的作用，因此，下一步工作重點將著重分析上部結構次生應力的影響因素及變化規律。

參考文獻

[1]褚江濤，魏俊濤. 變剛度調平設計在某超高層建筑樁筏基礎設計中的應用[J]. 武漢勘察設計，2012，06：37-42.

[2]林樹枝，郭天祥，馮新建，等. 兩階段變剛度樁筏基礎承載力可靠度分析及其在高層建筑基礎的應用[J]. 福建建設科技，2013，02：1-4.

[3]王媛，李偉強，孫宏偉. 厚層黏性土地基上某超高層建筑樁筏基礎三維數值分析[J]. 建筑結構，2014，20：119-122+73.