基礎變剛度調平設計的應用

薛婷怡

(莆田市城鄉規劃設計研究院 福建莆田 351111)

基礎變剛度調平設計的應用

薛婷怡

(莆田市城鄉規劃設計研究院 福建莆田 351111)

闡述了變剛度調平設計的概念與原則，在框筒結構基礎設計中，采用增大內部樁長，縮小內部樁距的措施，可以實現強化內部及高荷載區，弱化外圍區的設計原則，達到減少差異沉降，減小基礎內力、基礎厚度、基礎用鋼量，減少樁數、總樁長，大大降低基礎造價。

變剛度調平；基礎設計；框筒結構；高層建筑

0 引言

《抗震設計規范》GB50011-2010(以下簡稱《抗規》)，3.3.4.2“同一結構單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基”，高層建筑中，在主樓和裙房不分縫的情況下，不滿足該條規定時，就必須考慮不同地基的變形差異。 《建筑樁基技術規范》JGJ 94-2008(以下簡稱《樁基》)，提出了在基礎設計中可采用變剛度調平設計的概念，突破了《抗規》的這條規則。變剛度調平的基本原則就是控制沉降差，“抑強補弱”促使沉降趨向均勻。因為如果沉降不均勻，基礎將產生附加應力，基礎的內力增大，會導致基礎面積和配筋的增大，也會使上部結構內力重分布，引起構件的開裂或破壞，甚至建筑物的傾斜。基礎設計應考慮地基(樁土)—基礎—上部結構的共同作用，調整地基(樁土)剛度，使反力同荷載分布相協調，沉降變形趨向均勻。

1 主裙樓間的變剛度調平

《樁基》3.1.8.1條：對于主裙樓連體建筑，當高層主體采用樁基時，裙房(含純地下室)的地基或樁基剛度宜相對弱化，可采用天然地基、復合地基、疏樁或短樁基礎。

超大商業綜合體項目一般由多棟塔樓、裙樓、大底盤地下室組成。在傳統的樁基設計中，在同一結構單元下，布置等長等間距等直徑的樁，這種“等剛度”布置原則，會造成地基或樁群的豎向支承剛度分布發生內弱外強的變化，沉降變形出現內大外小的蝶形分布，基底反力出現內小外大的馬鞍形分布，如圖1a所示。傳統設計中，設計人員常通過設置沉降變形縫或沉降后澆帶來規避沉降差異帶來的影響，這么處理既影響建筑功能，又加大防水處理的難度。沉降后澆帶因長時間無法澆筑所產生的鋼筋銹蝕、清理不力等問題，也影響了施工質量。若能減少沉降差，就可以減少設置沉降變形縫或沉降后澆帶，從而也減少消耗，縮短工期。

案例一: 2個塔樓用筏板，中間地庫用獨基+防水板或用較主樓薄的筏板，需用沉降后澆帶隔開，如圖2a所示。

案例二: 塔樓偏置的情況下，如果都用筏板，筏板的偏心距肯定超過規范限值。塔樓用筏板，車庫用獨基+防水板，如圖2b所示。

案例三: 2個塔樓用筏板，塔樓中間的地庫用獨基+防水板，或用較主樓薄的筏板，需用沉降后澆帶隔開；南側的車庫只能用獨基+防水板，否則偏筏板的偏心距肯定超過規范限值，如圖2c所示。

(a) 均勻布樁 (b)不均勻布樁圖1 均勻布樁與不均勻布樁的變形與反力示意[1]

(a) (b) (c)圖2 主裙樓樁筏基礎案例

2 高層建筑內部的變剛度調平

《樁基》3.1.8.2條：對于框架-核心筒結構高層建筑樁基，應強化核心筒區域樁基剛度(如適當增加樁長、樁徑、采用后注漿等措施)，相對弱化核心筒外圍樁基剛度(采用復合樁基，視地層條件減小樁長)。

《樁基》3.1.8.3條：對于框架-核心筒結構高層建筑天然地基承載力滿足要求的情況下，宜與核心筒區域局部設置增強剛度、減小沉降的摩擦樁。

采用天然地基時，對荷載分布比較集中的區域(如核心筒附近等)實施局部加強處理，可采用局部樁基或采用局部剛性復核地基，如圖3a所示。

(a)局部增強 (b)變樁距 (c)變樁徑 (d)變樁長圖3 變剛度布樁[1]

3 復合地基的變剛度調平

復合地基的變剛度調平設計是通過改變置換率m。例：采用CFG樁做復合地基，可按不同基底壓力分區域的改變CFG樁的間距，從而改變置換率，改變地基的剛度，最終控制地基的沉降，減小差異沉降。在劃分區域時要注意 “邊載效應”，即邊載的存在能明顯提高復合地基的承載力，使對應同一荷載作用下的復合地基沉降減小[3]。在復合地基設計時，一定要注意根據邊載條件，調整基底壓力后，再劃分區域。

4 變剛度設計流程

變剛度設計流程如圖4所示。

5 工程案例

某框架—核心筒辦公樓，上部15層，地下2層，結構高度為67.5m，抗震設防烈度為6度(0.05g)，設計地震分組為第二組。土層分布情況如表1所示。

表1 某工程土層分布情況

注：地下常年水位在⑥碎石層內，水位標高-18.350m

基底標高為-8.000m，1.0橫+1.0活工況下，建筑總重量422 047kN，核心區重量186 328kN，基底平均壓力220KPa，筏板底在③粉質粘土(Ⅱ)層。若用復合地基來提高承載力， CFG樁可能無法穿透卵石和碎石。若采用人工挖孔擴底灌注樁，需采取降水措施，降低碎石層內的地下水，且碎石層滲透系數大，護壁隔水困難，恐有塌孔問題。綜上分析后，采用樁筏基礎，樁采用C35鉆孔灌注樁, 并采用后注漿技術提高單樁承載力，樁徑800mm，樁身強度為3 730kN。計算軟件采用盈建科軟件，在計算上部時，需生成傳給基礎的剛度，計算樁筏時，采用彈性地基梁板計算方法，需考慮上部剛度，板上剪力墻按深梁考慮。

方案一： 樁徑800mm，樁長21m，持力層為⑧砂質頁巖，單樁承載力特征值取3 500kN，均勻布樁，當樁距為3.0m時，滿足承載力要求，樁數最少，為224根。基礎沉降呈現出明顯的內大外小的蝶形，兩點相對沉降差最大值為0.21%，基礎筏板的內力較大，含鋼量高。

方案二： 根據變剛度調平設計原則，增強核心筒范圍基礎剛度，弱化外圍基礎剛度。

在核心筒范圍滿布樁，樁徑800mm，樁距2.4m，樁長21m，持力層為⑧砂質頁巖，單樁承載力特征值取3 500kN，而在外圍框架，樁徑800mm，樁距2.8m，樁長15m，持力層為⑦泥質頁巖，單樁承載力特征值取2 500kN。此時樁數為194根(比方案一少30根)，其中核心區樁數=核心區重量/單樁承載力特征值×考慮偏心增大系數×核心區強化系數 =186 328/3 500×1.2×1.3=83，取90根。核心區樁數=外框重量/單樁承載力特征值×考慮偏心增大系數×弱化系數 =(422 047-186 328)/2 500×1.2×0.9=102，

取104根。樁位布置如圖5a所示,沉降圖如圖5b所示。兩點相對沉降差最大值為0.13%小于規范限制0.2%，對比方案一，基礎筏板的內力減小，含鋼量降低。

(a)樁位布置圖 (b)沉降圖圖5 樁位布置及沉降

6 結論

(1)高層建筑的基礎設計首先要結合上部荷載情況和地質條件，考慮是否進行變剛度調平設計。

(2)主裙樓連體的大底盤基礎變剛度調平原則是，增強主樓的基礎剛度，減少主樓的沉降，弱化裙房的基礎剛度，增大裙樓的沉降。

(3)對框剪、框筒結構基礎的變剛度調平原則是，強化內部及高荷載區，弱化外圍區。增大內部樁長，縮小內部樁距是有效的措施。

(4)采用變剛度調平設計，應盡量選擇樁徑小，單樁承載力較高的樁型，如采用后注漿技術的灌注樁，以便布樁的靈活性。

(5)通過改變樁長來實現變剛度調平設計時，應盡量選擇壓縮模量差別大，且承載力差別不是很多的2個持力層,且樁長要根據基礎埋深和孔位土層計算好，避免在軟件中弄錯持力層。

(6)采用變剛度調平設計，可減少設縫和沉降后澆帶，減小基礎內力、基礎厚度、基礎用鋼量，減少樁數、總樁長，大大降低基礎造價。

[1] 朱炳寅.建筑結構設計問答及分析[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2] 王濤，高文生，劉金礪.樁基變剛度調平的實施方法研究[J].巖土工程學報，2010.

[3] JGJ79-2002 建筑地基處理技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

Optimization design of foundation stiffness in project

XUETingyi

(Putian Urban and Rural Planning Design and Research Institute,Putian 351111)

This paper expounds the concept and the principle of optimization design of foundation stiffness. In the frame core tube structure’s foundation design, the measures which increase the internal pile length and reduce the internal pile spacing are used.The design principle which is strengthing internal and high load areas, weaking the peripheral areas, reduces differential settlement,internal force of the foundation, thickness of the foundation, reduces steel content of the foundation, numbers of the piles, total length of the piles , greatly reduce the cost.

Optimization design of foundation stiffness; Frame core tube structure;Foundation design

薛婷怡(1984.2- )，女，工程師。

E-mail:gracie4@qq.com

2017-05-05

TU973+.35

A

1004-6135(2017)07-0094-03