可控剛度樁筏基礎(chǔ)在某總部大樓應(yīng)用分析

陳躍輝

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361009)

1 工程及地質(zhì)概況

某上市公司總部大樓，位于廈門市思明區(qū)前埔路與嶺兜一路的開元工業(yè)園，建筑地上層數(shù)19層，地下層數(shù)3層，建筑物高度99.9m，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑物鳥瞰圖如圖1所示，建筑平面圖如圖2所示。

圖1 某總部大樓鳥瞰圖

圖2 建筑物平面圖和剪力墻示意圖

建筑場(chǎng)地勘探孔口地面標(biāo)高18.95m～20.08m。孔口以下土層依次為:雜填土、粉質(zhì)黏土、殘積礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖和砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。場(chǎng)地各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，場(chǎng)地地質(zhì)條件良好，典型地質(zhì)剖面圖如圖3所示。

表1 主要地層物理力學(xué)性質(zhì)

圖3 典型地質(zhì)剖面圖

2 基礎(chǔ)方案分析

該項(xiàng)目建筑物平面面積1100m2，作用在基礎(chǔ)上的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值約為450 000kN，折算成基地壓力為410kPa。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，地基土經(jīng)修正后的承載力特征值為280kPa。因此該工程天然地基基礎(chǔ)(筏板)不能滿足要求。

該項(xiàng)目若采用預(yù)應(yīng)力管樁，由于該項(xiàng)目有3層地下室，樁頂標(biāo)高在自然地面16m以下，如果在自然地面壓樁，送樁器最大送樁深度約12m，基坑開挖后會(huì)有4m左右的樁基冒出底板面，機(jī)械無(wú)法下到坑底進(jìn)行土方開挖，靠人工挖土難度極大。如果自然地面取土4m～5m后再壓樁，由于地下室面積較小，平面尺寸僅60×90m，地下室不具備放坡提供壓樁機(jī)進(jìn)出場(chǎng)的通道；且受支護(hù)樁的影響，壓樁機(jī)無(wú)法貼近支護(hù)邊，邊樁無(wú)法施工。綜上，受場(chǎng)地條件和施工條件限制，該工程樁基無(wú)法采用預(yù)應(yīng)力管樁。

若采用沖孔灌注樁方案，為滿足上部結(jié)構(gòu)承載力要求，灌注樁樁徑1300mm，平均樁長(zhǎng)45m，單樁豎向承載力特征值8500kN，樁數(shù)達(dá)到72根，除工程造價(jià)顯著上升外，還會(huì)造成施工工期的顯著延長(zhǎng)。

根據(jù)該項(xiàng)目工程地質(zhì)條件，主樓基礎(chǔ)底地基土為殘積礫質(zhì)粘性土，地基承載力特征值較高，初步估算經(jīng)深寬修正后能達(dá)到280kPa以上。若地基土的承載力能充分發(fā)揮，將減少樁數(shù)30%左右，從而達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)和縮短施工工期目的。

由于沖鉆孔灌注樁為支承剛度較大的端承型樁，樁土支承剛度差異較大，若樁頂直接嵌入筏板中，則樁土共同作用無(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以在樁頂設(shè)置專門研制的剛度調(diào)節(jié)器裝置。該裝置的作用，即當(dāng)樁筏體系受到豎向荷載時(shí)，使筏板產(chǎn)生相對(duì)于樁頂?shù)南蛳挛灰疲员ＷC樁土的變形協(xié)調(diào)，使樁間土的承載力得到發(fā)揮[1-2]，其設(shè)計(jì)思路見圖4。

圖4 可控剛度樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)示意圖

3 可控剛度樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程

可控剛度樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過程，主要包括樁基數(shù)量的確定和剛度調(diào)節(jié)器剛度的設(shè)計(jì)取值[3-5]。其中，樁基數(shù)量按式(1)確定：

(1)

式中：Fk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于承臺(tái)頂面的豎向力；

Gk為樁基承臺(tái)和承臺(tái)上土體自重標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)穩(wěn)定的地下水位以下部分應(yīng)扣除水的浮力；

n為樁基的數(shù)量；

Ac為承臺(tái)底扣除樁基截面積的凈面積，Ac=A-nAp，A為筏板基礎(chǔ)的基底面積，Ap為樁基中單樁的截面積；

fa為經(jīng)修正后地基土承載力特征值。

該工程豎向總荷載標(biāo)準(zhǔn)值為490 000kN,地基土有效面積Ac=1000m2，修正后地基土承載力特征值fa=280kPa。沖鉆孔灌注樁樁端以砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖作為持力層，樁徑1.2m，樁長(zhǎng)約45m，其單樁承載力特征值約為6500kN，計(jì)算樁數(shù)不少于33根。

為保證局部承載力滿足要求，盡量將樁布置在柱、墻等豎向傳力構(gòu)件下，該工程實(shí)際布樁44根，樁位平面布置圖如圖5所示。由于樁基數(shù)量大幅減少，可控剛度樁筏基礎(chǔ)連同樁頂調(diào)節(jié)器的整體造價(jià)基本和預(yù)應(yīng)力管樁的造價(jià)接近。

圖5 可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁位布置圖

樁土共同作用機(jī)理的關(guān)鍵是樁土協(xié)調(diào)變形，即當(dāng)樁頂達(dá)到預(yù)定荷載后，由于樁基支承剛度較大，剛度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲嚎s變形，來(lái)匹配地基土因分擔(dān)荷載引起的變形，以保證樁土的變形協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)樁土共同分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載。基此，本文以樁土變形協(xié)調(diào)條件，根據(jù)地基土和樁各自分擔(dān)荷載比例設(shè)置剛度調(diào)節(jié)器剛度。

(2)

式中：ξ為地基土分擔(dān)上部荷載比例系數(shù)；

ζ為樁基礎(chǔ)分擔(dān)上部荷載比例系數(shù)；

Ac′為樁土共同作用時(shí)和單根樁共同作用的地基土的平均面積(m2)；

ks為地基土的剛度系數(shù)[6](kN/m3)；

kc為嵌巖樁和剛度調(diào)節(jié)器串聯(lián)時(shí)的復(fù)合剛度(kN/m)，當(dāng)基樁為嵌巖端承樁時(shí)，kc近似等于剛度調(diào)節(jié)器的支承剛度。

根據(jù)上文確定的基礎(chǔ)方案，該工程樁基承擔(dān)荷載220 000kN，計(jì)算得 ：ζ=0.55，ξ=0.45,Ac′=28。土的基床系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，最終取為7000kN/m3。由式(2)求得剛度調(diào)節(jié)器支承剛度kc=160 363kN/m。考慮到適當(dāng)降低調(diào)節(jié)器剛度有利于地基土承載力的充分發(fā)揮，經(jīng)綜合對(duì)比分析，最終該工程剛度調(diào)節(jié)器支承剛度kc取為150 000kN/m。

4 基礎(chǔ)方案數(shù)值模擬及分析

采用MIDAS數(shù)值分析軟件，對(duì)該項(xiàng)目的可控剛度樁筏基礎(chǔ)方案進(jìn)行模擬，同時(shí)與盈建科的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從樁筏基礎(chǔ)的沉降及差異沉降、地基土應(yīng)力、樁頂反力等方面對(duì)該方案進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)可控剛度樁筏基礎(chǔ)方案中調(diào)節(jié)器剛度取值進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與驗(yàn)證，確保方案可靠性。

4.1 參數(shù)選取及模型建立

該工程選用MIDAS有限元分析軟件，有限元的計(jì)算區(qū)域取為70m×60m×60m(長(zhǎng)×寬×高)。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)涉及的土體進(jìn)行了三維精細(xì)建模。模型外邊界采用側(cè)向約束，底部采用全部約束，整體模型如圖6所示。

圖6 樁筏基礎(chǔ)分析模型

模型中土體及筏板均采用實(shí)體單元，樁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，在梁?jiǎn)卧霞狱c(diǎn)彈簧方式模擬可控剛度樁筏基礎(chǔ)的受力過程。本次數(shù)值分析所用的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。為保證與筏板的實(shí)際工作性狀接近，上部結(jié)構(gòu)荷載均按照實(shí)際情況通過局部均布荷載輸入。

表2 數(shù)值分析計(jì)算參數(shù)

4.2 基礎(chǔ)整體沉降分析

在上部荷載作用下，計(jì)算得到可控剛度樁筏基礎(chǔ)方案的基礎(chǔ)沉降。沉降云圖如圖7所示。為方便將MIDAS和盈建科的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取典型剖面進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖7 可控剛度樁筏基礎(chǔ)沉降云圖

圖8 建筑物平面典型剖面圖

可控剛度樁筏基礎(chǔ)方案采用整體式筏板，基礎(chǔ)沉降較為均勻，筏板整體沉降均表現(xiàn)出從核心筒向外擴(kuò)散的趨勢(shì)，且最小沉降點(diǎn)只出現(xiàn)在筏板邊緣處。

采用MIDAS對(duì)基礎(chǔ)沉降進(jìn)行模擬分析，同時(shí)與盈建科計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到建筑物典型剖面的沉降結(jié)果，具體如圖9所示。從圖9可以看出，兩者計(jì)算出的結(jié)果相近，筏板的平均沉降約為30.1mm，其中沉降最大值36.5mm，最小值18.9mm，差異沉降僅為17.6mm。

圖9 基礎(chǔ)沉降對(duì)比圖

4.3 地基土反力分析

圖10為可控剛度樁筏基礎(chǔ)方案的地基土反力圖。從圖10中可知，在筏板寬度范圍內(nèi)兩個(gè)軟件算出的地基土反力趨勢(shì)相同，地基土反力從筏板兩側(cè)向筏板中心逐漸增大，地基土承載力得到充分發(fā)揮。在該剖面內(nèi)盈建科算出的地基土平均反力為230kPa，MIDAS算出的結(jié)果為235kPa，地基土承載力得到充分發(fā)揮。

圖10 地基土反力圖

4.4 樁頂反力分析

圖11為典型剖面內(nèi)可控剛度樁筏基礎(chǔ)方案的樁頂反力圖。從圖11中可以看出，兩個(gè)軟件計(jì)算出的樁頂反力趨勢(shì)總體一致，沿筏板寬度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出“中間大、兩邊小”的趨勢(shì)。由于上部結(jié)構(gòu)荷載分布的差異性，基礎(chǔ)以下樁頂反力也存在一定差異。具體表現(xiàn)為：核心筒下的樁受力較大，樁頂反力約為5000kN；筏板兩側(cè)受力較小，邊樁樁頂反力約為4100kN，滿足單樁豎向承載力特征值6500kN的要求。

圖11 樁頂反力對(duì)比圖

4.5 調(diào)節(jié)器剛度分析與驗(yàn)證

剛度調(diào)節(jié)器的剛度設(shè)計(jì)是可控剛度樁筏基礎(chǔ)的關(guān)鍵。為了充分驗(yàn)證本文計(jì)算剛度調(diào)節(jié)裝置支承剛度大小的合理性，并分析不同剛度調(diào)節(jié)器對(duì)樁筏基礎(chǔ)整體受力性能的影響，本文針對(duì)剛度為120 000kN/m、150 000kN/m和180 000kN/m的3種調(diào)節(jié)器進(jìn)行數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果如圖12～圖13所示。

圖12 土體豎向位移圖

圖13 筏板-地基土接觸應(yīng)力圖

從圖12土體豎向位移圖中可以看出，地基土的豎向變形總體呈“中間變形大、兩邊變形小”趨勢(shì)，且隨著剛度調(diào)節(jié)器支承剛度的增加，樁基礎(chǔ)分擔(dān)的荷載相對(duì)增加，地基土分擔(dān)的荷載相對(duì)減少，地基土的豎向變形越來(lái)越小。這也從側(cè)面反映出適當(dāng)減少剛度調(diào)節(jié)器的剛度，有利于地基土的承載力發(fā)揮。

從圖13筏板-地基土的接觸應(yīng)力圖中可以看出，當(dāng)剛度調(diào)節(jié)器剛度設(shè)為180 000kN/m時(shí)，地基土承載力發(fā)揮最小，筏板以下地基土平均土壓力只有211kPa；當(dāng)剛度調(diào)節(jié)器剛度減少為150 000kN/m時(shí)，地基土承載力發(fā)揮程度得到提高，筏板下地基土平均土壓力為235kPa；而當(dāng)剛度調(diào)節(jié)器剛度減少為120 000kN/m時(shí)，地基土承載力發(fā)揮程度得到進(jìn)一步提高，平均土壓力為274kPa，局部地基土壓力達(dá)到300kPa，超過計(jì)算假定280kPa的要求。綜合考慮上述因素以及該項(xiàng)目實(shí)際布樁數(shù)量，該工程剛度調(diào)節(jié)器的支承剛度取值為150 000kN/m。

5 結(jié)論

(1)通過在樁頂設(shè)置合理剛度的剛度調(diào)節(jié)器，地基土的承載潛力可以得到充分發(fā)揮，樁基礎(chǔ)的使用數(shù)量得到較大幅度減少，有效解決了大支承剛度樁的樁土共同作用難題。

(2)調(diào)節(jié)器支承剛度的大小，對(duì)樁筏基礎(chǔ)的樁土荷載分擔(dān)比例有重要影響，設(shè)計(jì)人員在具體計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，合理選擇具體的支承剛度大小。

(3)可控剛度樁筏基礎(chǔ)，在充分利用地基土承載力的同時(shí)，能夠兼顧控制基礎(chǔ)的差異沉降，具有節(jié)約造價(jià)、縮短施工工期等優(yōu)點(diǎn)。在底板下地基土為承載力較高且需要采用沖鉆孔灌注樁的場(chǎng)地，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。