剪力墻結構樁筏基礎設計探討

張咸昌 陳瑞生

(1.浙江綠城建筑設計有限公司 浙江杭州 310011；2.浙江大學工程師學院 浙江杭州 310027；3.浙江工業大學工程設計集團有限公司 浙江杭州 310014)

0 引言

基礎是上部建筑物的根基，也是上部結構荷載的轉換結構，基礎設計可靠性直接影響建筑物的安全性。樁筏基礎作為剪力墻結構下的常用基礎形式，其設計的合理性直接關系基礎設計的經濟性及安全性。探討樁筏設計中的問題及所采取的措施，為后續樁筏設計提供借鑒。

1 剪力墻結構下樁筏基礎工程樁布置方式

傳統的工程樁布置方式為樁間距滿足規范設計要求，均勻布置于筏板下部，通過筏板剛度調節，使工程樁受力。對于該種布置方式，不考慮上部豎向構件布置及上部豎向構件軸力分布情況，一律均勻布置，施工定位放樣比較有規律性，施工比較便利，樁基工程經濟性則值得商榷。文獻[1]提出采用柱墻下布樁方式，即“局部外強內弱”概念的布樁方式。下面利用PKPM-V4.1基礎軟件，分析該布樁方式能達到優化工程樁的原因，及該補樁方式的優點。

1.1 原因及優點

采用PKPMV4.1軟件分析單柱軸力作用下的承臺下樁底反力情況分析，柱上軸向力為28 000 kN,圓柱直徑600 mm,混凝土等級為C30,樁徑為800 mm,單樁承載力特征值為4000 kN，樁反力如圖1所示，工程樁距豎向構件越近所受反力越大，離豎向構件越遠，工程樁反力越??；工程樁離豎向構件越近，越能發揮工程樁的效能。通過圖2沉降變化趨勢同樣能得出這個結論，距豎向構件越遠所受力越小，沉降越少。選取承臺為分析對象，如圖3所示，承臺在上部柱軸力和樁反力作用下達到平衡，F1、F2樁反力相當于作用在懸挑構件上，作用力距柱越遠則承臺變形越大，樁反力越小，樁承載力利用效率越低。為達到盡量利用樁承載力，則應盡量將樁布置于柱墻下。

圖1 承臺反力圖 圖2 承臺沉降圖 圖3 承臺受力圖

由上可知，剪力墻結構下樁筏基礎墻柱下布樁方法可采用如下方式：首先采用獨立承臺布置方式，使工程樁盡量靠近布置于豎向構件下，稍有不足處可通過筏板與周邊豎向構件下工程樁調節達到平衡，然后根據建筑高度及水平荷載情況，在筏板周邊調整補充一部分工程樁以使工程樁反力達到規范要求。該種布樁方式有如下優點：①增大工程樁承載力利用效率，優化工程樁數量；②上部荷載到地球的傳遞路徑短，在筏板內產生的內力比較?。虎劭蛇_到工程樁受力均勻，沉降均勻穩定；④上部豎向構件不會因為沉降差過大，導致上部結構產生比較大的內力；⑤可減少筏板厚度及減少筏板配筋。

1.2 項目實例比較

據文獻[2-3]中所述，以樁筏基礎總造價最低作為目標,其目標函數表述為：

Z=min(a1Z1+a2Z2)

(1)

式中Z表示樁筏基礎的總造價;a1、a2:分別為筏板和樁基的價格系數;Z1、Z2:分別為筏板和樁基的材料用量;由式(1)可知，在筏板范圍及厚度不變的情況下，可考慮優化筏板配筋及優化樁用量達到優化樁筏基礎造價。

某安置房工程，地上32層，地下2層，采用剪力墻結構體系，抗震設防烈度為6°，風荷載標準值為0.6 kN/m2,為Ⅲ類場地土，樁筏基礎,采用采用計算軟件PKPM2010-V4.1進行比較。地質情況如下：

①雜填土，全場分布，厚度為 0.70 m～1.80 m；②粘土，分布廣泛，厚度為 0.80 m～1.80 m，該層屬中等偏高壓縮性；③淤泥1，全場分布，厚度為16.00 m～20.8 m，屬高壓縮性土；④淤泥2，全場分布，厚度為 7.00 m～17.5 m，屬高壓縮性土；⑤粘土1，全場分布，厚度為 1.50 m～8.9 m，屬中等壓縮性土；⑥粘土2，全場分布，厚度為 18.50 m～28.0 m，屬中等壓縮性土；⑦含粘性土角礫，局部缺失，厚度為 1.20 m～5.40 m，屬中等壓縮性土；⑧粉質粘土，全場分布，厚度為 2.20 m～11.60 m，屬中等壓縮性土；⑨粉質粘土，全場分布，厚度為 8.10 m～19.50 m，屬中等壓縮性土；⑩含粘性土角礫，全場分布，厚度為 2.9 m～10.60 m，屬中等壓縮性土。典型地質剖面圖如圖4所示。

圖4 典型地質剖面

根據地質報告建議，本單體采用鉆孔灌注樁基礎,選用含粘性土角礫作為持力層，樁徑為800 mm,樁長為77 m，據報告參數計算后，單樁豎向承載力特征值為3400 kN。初始布樁方式為均勻樁間距布置方式，如圖5所示，工程樁總數為109根，筏板最大彎矩為6489 kN·m。根據豎向構件及豎向構件軸力分布情況，調整工程樁樁間距采用不同樁距布置方式，優先布置于豎向構件下，如圖6所示，工程樁總數為94根，筏板最大彎矩為5742 kN·m。通過式(1)進行經濟性比較，相同筏板板厚情況下，圖6工程樁距豎向構件較圖5近，筏板彎矩較圖5小，筏板鋼筋用量不大于圖5；相同樁徑、樁長、樁配筋的情況下，圖6工程樁樁數小于圖5；后一種工程樁布置方式明顯具有減少筏板內力、工程量更經濟等優勢。

圖5 均布樁間距樁位布置

圖6 非均布樁間距樁位布置

2 剪力墻結構樁筏基礎中應注意角樁沖切計算

樁筏基礎中角樁沖切計算是設計中往往容易忽略的問題。在設計過程中通常采用軟件建模及計算，通過軟件提供計算書，往往忽略對計算書進行復核，未對角樁沖切進行復核，為設計留下隱患。

案例為某安置房住宅小區，住宅最高層數為28層，筏板厚為1400 mm，單樁豎向承載力特征值為3000 kN。經市場上某通用軟件沖切計算后，結果如圖7所示，均能滿足設計要求，左下角角樁沖切安全系數大于右側工程樁沖切安全系數，明顯異常，通常右側工程樁的沖切錐體比左側工程樁的沖切錐體要大，應該左側工程樁沖切安全系數小于右側工程樁沖切安全系數，軟件沖切計算結果正好相反。通過軟件調出計算書，左側角部工程樁沖切錐體頂面線已進入豎向構件，存在問題；據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)[4]中的圖8.5.19-2，沖切線與水平夾角應是大于等于45°?！督ㄖ痘夹g規范》(JGJ 94-2008)[5]中5.9.8.1條對a1x、a1y解釋中可知，“當柱(墻)邊或承臺變階處位于45。線以內時，則取由柱(墻)邊或承臺變階處與樁內側邊緣邊線為沖切錐體的錐線(規范中的5.9.8-1)”，如圖9所示。

圖7 軟件中角樁沖切計算沖切線

圖8 按規范角樁沖切計算沖切線

圖9 規范中沖切錐體示意線(引自 JGJ 94-2008 圖 5.9.8-1)

該兩處均表示角樁沖切線應是大于等于45°。經手工復核，在沖切錐體頂面線按45°角位于豎向構件下時，應按規范調整為大于45°，頂面線應位于豎向構件邊緣，如圖8所示。圖10為軟件計算中存在的另一典型問題，圖中頂面及底面沖切線在北側是90°轉彎，按圖11沖切線明顯要比圖10短，因此，在實際沖切計算中，應按圖11直接至筏板自由邊。采用軟件計算時，應對軟件計算結構進行必要的復核才能保證結構安全。對樁沖切計算時，設計人員往往對規范理解不透徹，產生認為豎向構件位于沖切線內已安全，無須計算沖切的錯誤認識，盲目相信軟件計算結果更是可能存在安全隱患。通過復核，上述角部工程樁與邊樁沖切計算結果均未達到規范要求。通過調整樁位及局部加厚筏板厚達到規范要求。

圖10 軟件中角樁沖切計算沖切線

圖11 按規范角樁沖切計算沖切線

3 剪力墻結構下樁筏基礎筏板外挑距離應適宜

高層建筑往往受水平荷載比較大，在基礎底部產生較大的整體彎矩，導致建筑對邊墻(柱)所受豎向荷載比較大，相應邊樁反力比較大，建筑短向邊樁尤其明顯。由《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)[5]5.1.1-2公式：

(2)

可知，邊樁距樁群形心距離越大，邊樁所受反力越小。采用筏板外挑適當距離方式，工程樁布置于邊墻(柱)外側一定距離，達到加大邊樁至樁群形心距離，往往能產生比較好的經濟效益，既能減少工程樁，又可充分使筏板受力，充分利用筏板的材料強度。在滿足工程樁樁數的情況下，一般邊樁與邊墻(柱)的距離宜為一倍筏板厚。在合適的邊樁與邊墻(柱)距離情況下，使筏板底彎矩充分發揮筏板材料強度，利于配筋，減少工程樁反力。樁筏基礎中邊樁與邊墻(柱)距離過大，未能將上部荷載以最短路徑傳遞給地球，達不到荷載傳遞快捷高效目的，同時往往會在筏板底部產生較大的板底彎矩，不利筏板受力。

案例同樣為上述所提安置房工程，采用PKPM2010-V4.1進行試算比較，不同外挑距離進行的計算結果，如圖12～圖13北側Y向彎矩值所示。在加大外挑尺寸的情況下，Y向筏板底彎矩明顯變大。因此，剪力墻結構下樁筏基礎筏板外挑適當距離，可減少工程樁反力，優化筏板內力。外挑距離不宜過大，應以一倍筏板厚為宜，以充分發揮筏板混凝土沖切強度。

圖12 筏板底Y向最大彎矩等值線圖

圖13 筏板底Y向最大彎矩等值線圖

4 結語

(1)在進行剪力墻結構樁筏基礎設計時，優先考慮工程樁布置于豎向構件下部或靠近豎向構件布置，達到以最小的路徑將上部荷載傳遞給地球，高效便捷，提高工程樁利用效率，對工程樁受力，筏板內力及基礎沉降均有較好的效果，同時可減少因基礎沉降導致的結構次內力。

(2)對于剪力墻結構樁筏基礎角樁、邊樁沖切計算，應根據概念及規范要求進行必要的手工復核，以防出現安全隱患。

(3)對剪力墻結構樁筏基礎邊樁應考慮外挑一定距離，一般不大于筏板厚度，利于減少工程樁反力，優化工程樁布置，同時不應距離過大，否則導致筏板產生過大彎矩，影響筏板經濟性。