住宅小區結構基礎設計分析

深圳市建筑設計研究總院有限公司 廣東深圳 518031

摘要：本文根據工程實例的結構特點結合地勘報告中相關場地土層分布狀況，詳細論述了某住宅小區結構基礎的設計分析過程，以供類似建筑結構設計借鑒參考。

關鍵詞：住宅小區；基礎設計；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。工程設計相對標高+0.00相當于1985黃海高程59.60；其中16、17棟地下一層，地上19層，結構主體高度58.000；12棟地下一層，地上12層，結構主體高度36.600；裙樓地下一層，地上2層，結構主體高度7.400；12、16、17棟為剪力墻結構，裙樓及純地下室為框架結構；地下室頂板相對結構標高為-1.30，底板結構相對標高為-6.100；

1.2 本工程抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度0.05g，抗震等級四級，建筑場地類別Ⅲ類，50年一遇的基本風壓0.40 kN/m2，地面粗糙度類別B類；風荷載體型系數1.3，基本雪壓0.40 kN/m2，基礎混凝土強度等級C35，鋼筋采用HRB400。抗浮設防水位按1.5m（高程55.93m）。設計荷載均按相應現行荷載規范進行取值。

1.3 人防工程防常規武器抗力等級常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、場地地質情況

根據巖土工程勘察報告，場地主要土（巖）層由上至下主要為：第①工程地質單元層：粉質粘土（Q4al），平均厚度2.39m，層底標高54.75-55.45m；第②工程地質單元層：粉質粘土（Q4al），平均厚度2.64m，層底標高51.79-53.20m；第③工程地質單元層：粉質粘土（Q4al），平均厚度5.13m，層底標高45.40-49.41m；第④工程地質單元層：粉質粘土（Q4al），平均厚度2.85m，層底標高43.10-47.01m；第⑤工程地質單元層：粉質粘土（Q4al），平均厚度4.55m，層底標高38.95-40.95m；第⑥工程地質單元層：粉質粘土（Q4al），平均厚度11.40m，層底標高27.76-29.35m；第⑦工程地質單元層：粉質粘土（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 性粉質粘土粉質粘土粉質粘土粉質粘土粉質粘土

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 性粉質粘土粉質粘土

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、基礎設計

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

圖1 基礎及地下室底板結構平面圖

3.1塔樓基礎設計

經過上部結構計算，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB5007—2002）第5.2.4條的規定，對該項目各子工程天然地基基礎形式進行了初步計算，持力層暫時按第③粉質粘土層，并對持力層承載力特征值進行修正，計算結果見表2。

表2 天然地基承載力估算表

名稱結構

形式基礎埋深

（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#住宅樓剪力墻結構-6.1 280244.3不滿足按筏板

基礎考慮

16#住宅樓剪力墻結構-6.1 345244.3不滿足按筏板

基礎考慮

17#住宅樓剪力墻結構-6.1 345244.3不滿足按筏板

基礎考慮

裙樓地下室框架結構-6.13000150202.9滿足基礎面積

按20m2

注：1、按公式進行修正；

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

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

3.1.1基礎對比選型

a.地基處理

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

根據巖土工程勘察報告，開挖深度內土層主要為可塑和硬塑狀粉質粘土，土質條件相對較好，各層分布比較均勻，場地內沒發現暗浜、暗塘等不利埋藏物和不良地質現象；結合當地的施工條件初步擬定這樣幾種基礎處理形式：強夯擠密法，CFG樁。

強夯擠密法是利用重錘（約80～300kN）從高處落下產生的沖擊能，夯擊地基土，在地基土中產生沖擊波和很大的動應力，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合地基，從而提高地基承載力。CFG樁主要適用于淤泥質土、素填土、粉土、粉質粘土，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制樁。基礎選型階段初步選定了預應力管樁這種基礎形式。

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，不過施工過程中產生的震動較大。施工現場周圍一定距離內已有部分建筑，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，可以利用工業廢料粉煤灰作為摻和料，成本優勢明顯。

預應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無明顯的巖層，樁端阻力較小，如選用預應力管樁，樁長較長，對比測算工程造價相對較高。

因此，經過綜合對比考慮，本工程塔樓地基采用CFG樁基，

3.1.2 CFG樁計算

根據建筑地基處理技術規范（JGJ79-2002），水泥粉煤灰碎石樁（以下稱CFG）復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。基礎墊層底面、樁頂間設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，每臺機械一天應做一組（3塊）試塊（邊長為150mm的立方體），標準養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計要求。復合地基驗收時，經過載荷試驗檢測復合地基承載力也滿足設計要求。

3.1.3 塔樓筏板基礎設計

根據地勘資料及結構形式和受力情況，本工程塔樓采用筏板基礎，筏板基礎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構，結構墻布置間距較小，同時建筑高度相對不是很高，上部結構荷載不大，所以采用平板式筏板即可以滿足要求。

圖2 塔樓基礎剖面圖

本工程筏板基礎兼做地下室底板，其頂面相對標高為-6.100（圖2）。《建筑地基基礎設計規范》要求，在抗震設防區，除巖石地基外，天然地基上的箱型和筏板形基礎其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；樁箱或樁筏基礎的埋置深度不宜小于建筑物高度的1/18～1/20。16、17棟結構主體高度58.000，結構主體高度33.600，因此基礎埋置深度滿足要求。經驗初步估算16、17棟筏板厚1400mm，12棟筏板厚1000mm。

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

軟件計算主要跟計算參數有關，本軟件的主要計算參數主要包括筏板計算模型、上部結構剛度影響、有限元網格劃分等。

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，將土與樁假設為獨立的彈簧，其雖然簡單，但受力明確，再考慮上部結構剛度的影響時，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，在上部結構不均勻荷載作用下容易產生較大的變形，導致的后果是筏板計算配筋增加，增加工程造價。考慮上部結構剛度的影響時，上部結構剛度疊加到基礎筏板上，從而增大了筏板基礎的平面外剛度，提高了筏板抵抗上部荷載的能力，使筏板變形減小，內力和配筋也同樣減小。

有限元單元網格的劃分有時對計算結果的影響非常巨大，實際計算時先按照程序默認值2m計算，發現有計算結果異常的情況時再適當調整控制邊長，或局部調整網格劃分，直至結算結果經濟合理。

經過計算，平均基底反力小于復合地基承載力，筏板沖切滿足要求，配筋率合理。

3.2裙樓地下室基礎設計

裙樓地下室豎向荷載較小，抗浮設防水位較低，綜合考慮選擇獨立基礎加防水板基礎。相對于局部加厚筏板，獨立基礎加防水板傳力簡單，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，不考慮上部結構荷載。計算獨立基礎時，同時考慮上部結構荷載和水浮力。

經過計算，本工程選用500mm厚防水板，獨立基礎高度800～1100mm，防水板底在獨立基礎周圍設聚苯板，這種做法可以使防水板盡量不承擔地基反力，保證了結構的受力狀況與設計相符合（詳見圖3）。

因為場地內抗浮水位不高，設計時，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 獨立基礎加防水板基礎大樣

3.3基礎沉降計算

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，設計時應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基底面積，通過減小主樓沉降，適當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之間設置1m寬沉降后澆帶。沉降后澆帶需在主體結構頂板澆筑14天后，根據沉降觀測數據，經設計驗算后再澆筑。

根據計算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，獨立基礎平均沉降量約為8mm，均滿足規范要求。

圖4 16棟塔樓筏板沉降圖（mm）

4、結束語

對各種不良地基，適當的選擇地基處理形式，不但能滿足建筑承載力要求，而且相對其他基礎形式有一定的成本優勢。本住宅小區塔樓與裙樓地下室上部結構荷載相差巨大，設計時合理的選擇基礎形式，并采取相應的技術措施，適當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。本文的基礎設計思路可供同類建筑參考。

參考文獻：

[1] 建筑地基基礎設計規范GB5007—2002

[2] 建筑地基處理技術規范JGJ79-2002

[3] 建筑地基基礎設計方法及實例分析（第二版）2012

[4] 地基基礎工程283問 2002