變剛度調平在塔臺樁基設計中的應用

摘 要：影響高層建筑樁基沉降的因素很多，在既有實際經驗基礎上，樁基布置方式為重要影響因素，本文通過介紹變剛度調平設計理念的基本概念，闡述了一種可以有效減少高層建筑樁基沉降特別是核心筒結構的設計方法，并通過在實際工程中的運用，取得了良好的經濟效益。

關鍵詞：樁基；變剛度調平；沉降

中圖分類號：TU44.7 文獻標識碼：A

1 概述

影響樁基沉降的因素包括：（1）土層參數。土質固結程度越高沉降越少。（2）上部結構荷載。上部結構荷載越高，承臺底有效應力越大，沉降越大。（3）樁基布置形式，群樁需考慮樁.土協同作用。（4）承臺尺寸，承臺或筏板面積大可以有效減少建筑物各部分不均勻沉降。傳統的樁基設計樁基布置大體均勻，均勻布樁的地基變形特征為中間變形大，外圍變形小，呈明顯的碟形。樁頂反力則表現為馬鞍形分布，在此類型的受力系統中的不均勻地基變形與結構所受到外部力同樣也是一種主動作用，土體在該主動作用下會產生有效應力。在嚴重變形筏板基礎或樁基布置不合理的樁承臺的土體下面的變形呈碟形分布，土體的變形又進一步引起結構基礎和結構主體的額外底部反力，整個結構呈進一步變形破壞趨勢。我們在結構設計思路中通常只考慮靜力平衡，往往會忽略建筑主體、樁基、地基土協同受力。變剛度調平設計理念提出的目的就是用來改變上述不利因素的。

2 基本原理

變剛度調平概念設計旨在根據建筑主體、樁基、地基土協同受力規律人為的調整樁基布置間距、長度、樁徑等來減小房屋建筑下土體的不均勻變形、同時有效使用承臺內部應力和削弱上部結構額外內力，以節約資源，突破傳統，提高建筑物受力合理性以延長其安全壽命。

在不做任何處理的情況下，荷載均勻分布的上部結構和樁基均勻分布的下部結構其變形方式是內大外小的規律，這是因為由于土與土、樁之間、土與樁的相互作用導致同樣的地基土在地板的不同位置其抵抗變形的能力也就是剛度產生了明顯差異，即外強內弱。這種效應實質是一種場效應，也可稱之為群樁效應，是不利于建筑結構本身的。對于框剪、框架核心筒結構這種結構荷載分布外小內大的情況尤為明顯，若還采用傳統設計方法布置樁基，則碟形變形會被放大，需修改。

為避免上述不利因素，現引入變剛度調平設計理念，合理布置基礎與樁基可以使差異沉降減到最小，使得基地反力分布模式與上部結構荷載分布相適應。實現變形、內力、資源消耗更加優化。具體做法有：

1）局部加密加強布置基礎或樁基。每個結構對土體的作用根據結構類型不盡相同，具體體現在結構的對土體作用的重心位置不同，在結構對土體作用的重心部位，可對其下的基礎或者樁基做一個加密處理或者加大樁徑或加長等方式處理。特殊情況下還可使用復合地基。

2）主樓與裙樓相連情況下變剛度調整。對于主樓與裙樓或此樓連體的建筑基礎，同樣可以根據變剛度調平理念原則來強化主樓弱化裙樓的基礎或樁基達到效果。必要時可采用增沉措施以達到兩者間差異沉降小于安全值。

3 工程案例

隨著我國機場建設步伐加快，各種大跨度、大偏心、高聳結構相繼涌現。其中又以空管工程中的高聳構筑物塔臺為典型代表。本文計算模型采用武漢新塔臺：建筑高度115米，地下1層，地上共22層，主體為筒體結構。1層筒體短邊方向8.6m，長邊方向14.2m，負一層層高7.5m，設消防水池、集水坑，長邊方向23.2m，短邊方向16m，采用樁筏基礎，樁基布置如圖，有效樁長32m。分析過程采用Midas building 有限元分析軟件對整個樁基及其底板的內力進行迭代分析，并在布置過程中嘗試了多種樁基布置方案，最終以下圖的樁基布置圖為最優。從圖中可以看到，塔臺核心筒下面的底板、剪力墻其內力相應較大，在此位置調整樁基，適當加密。遠離塔臺核心筒處底板內力相應較小，在此處位置調整樁基，適當減小樁長，分析得出沉降滿足規范要求。上述分析過程即是運用變剛度調平原理減少不均勻沉降的案例，后期通過沉降監測結果表明實測值與理論計算值相接近。

4 結論與展望

規范初次提出變剛度調平概念，其理論與計算不足夠直接套用實際工程，現階段只能在工程中慢慢摸索，用理論、概念指導設計與施工。

適當減少筏板外圍樁基可以更好的利用筏板與上部結構與土體三者共同作用。不但減少了沉降，同時取得了很好的經濟效果。

參考文獻：

[1]楊小平.土力學及地基基礎[M].2005，26（3）：441.444.

[2]建筑樁基技術規范（JGJ94.2018）.56.58.

作者簡介：萬瑜，男，江西宜春人，碩士，中級職稱，研究方向為巖土地下結構。