剪力墻結(jié)構(gòu)樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討

張咸昌 陳瑞生

(1.浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司 浙江杭州 310011；2.浙江大學(xué)工程師學(xué)院 浙江杭州 310027；3.浙江工業(yè)大學(xué)工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 浙江杭州 310014)

0 引言

基礎(chǔ)是上部建筑物的根基，也是上部結(jié)構(gòu)荷載的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可靠性直接影響建筑物的安全性。樁筏基礎(chǔ)作為剪力墻結(jié)構(gòu)下的常用基礎(chǔ)形式，其設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性及安全性。探討樁筏設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及所采取的措施，為后續(xù)樁筏設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)下樁筏基礎(chǔ)工程樁布置方式

傳統(tǒng)的工程樁布置方式為樁間距滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，均勻布置于筏板下部，通過(guò)筏板剛度調(diào)節(jié)，使工程樁受力。對(duì)于該種布置方式，不考慮上部豎向構(gòu)件布置及上部豎向構(gòu)件軸力分布情況，一律均勻布置，施工定位放樣比較有規(guī)律性，施工比較便利，樁基工程經(jīng)濟(jì)性則值得商榷。文獻(xiàn)[1]提出采用柱墻下布樁方式，即“局部外強(qiáng)內(nèi)弱”概念的布樁方式。下面利用PKPM-V4.1基礎(chǔ)軟件，分析該布樁方式能達(dá)到優(yōu)化工程樁的原因，及該補(bǔ)樁方式的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 原因及優(yōu)點(diǎn)

采用PKPMV4.1軟件分析單柱軸力作用下的承臺(tái)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(jí)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(gòu)件越近所受反力越大，離豎向構(gòu)件越遠(yuǎn)，工程樁反力越小；工程樁離豎向構(gòu)件越近，越能發(fā)揮工程樁的效能。通過(guò)圖2沉降變化趨勢(shì)同樣能得出這個(gè)結(jié)論，距豎向構(gòu)件越遠(yuǎn)所受力越小，沉降越少。選取承臺(tái)為分析對(duì)象，如圖3所示，承臺(tái)在上部柱軸力和樁反力作用下達(dá)到平衡，F(xiàn)1、F2樁反力相當(dāng)于作用在懸挑構(gòu)件上，作用力距柱越遠(yuǎn)則承臺(tái)變形越大，樁反力越小，樁承載力利用效率越低。為達(dá)到盡量利用樁承載力，則應(yīng)盡量將樁布置于柱墻下。

圖1 承臺(tái)反力圖 圖2 承臺(tái)沉降圖 圖3 承臺(tái)受力圖

由上可知，剪力墻結(jié)構(gòu)下樁筏基礎(chǔ)墻柱下布樁方法可采用如下方式：首先采用獨(dú)立承臺(tái)布置方式，使工程樁盡量靠近布置于豎向構(gòu)件下，稍有不足處可通過(guò)筏板與周邊豎向構(gòu)件下工程樁調(diào)節(jié)達(dá)到平衡，然后根據(jù)建筑高度及水平荷載情況，在筏板周邊調(diào)整補(bǔ)充一部分工程樁以使工程樁反力達(dá)到規(guī)范要求。該種布樁方式有如下優(yōu)點(diǎn)：①增大工程樁承載力利用效率，優(yōu)化工程樁數(shù)量；②上部荷載到地球的傳遞路徑短，在筏板內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力比較小；③可達(dá)到工程樁受力均勻，沉降均勻穩(wěn)定；④上部豎向構(gòu)件不會(huì)因?yàn)槌两挡钸^(guò)大，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比較大的內(nèi)力；⑤可減少筏板厚度及減少筏板配筋。

1.2 項(xiàng)目實(shí)例比較

據(jù)文獻(xiàn)[2-3]中所述，以樁筏基礎(chǔ)總造價(jià)最低作為目標(biāo),其目標(biāo)函數(shù)表述為：

Z=min(a1Z1+a2Z2)

(1)

式中Z表示樁筏基礎(chǔ)的總造價(jià);a1、a2:分別為筏板和樁基的價(jià)格系數(shù);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(yōu)化筏板配筋及優(yōu)化樁用量達(dá)到優(yōu)化樁筏基礎(chǔ)造價(jià)。

某安置房工程，地上32層，地下2層，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度為6°，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.6 kN/m2,為Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地土，樁筏基礎(chǔ),采用采用計(jì)算軟件PKPM2010-V4.1進(jìn)行比較。地質(zhì)情況如下：

①雜填土，全場(chǎng)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(chǎng)分布，厚度為16.00 m～20.8 m，屬高壓縮性土；④淤泥2，全場(chǎng)分布，厚度為 7.00 m～17.5 m，屬高壓縮性土；⑤粘土1，全場(chǎng)分布，厚度為 1.50 m～8.9 m，屬中等壓縮性土；⑥粘土2，全場(chǎng)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(zhì)粘土，全場(chǎng)分布，厚度為 2.20 m～11.60 m，屬中等壓縮性土；⑨粉質(zhì)粘土，全場(chǎng)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(chǎng)分布，厚度為 2.9 m～10.60 m，屬中等壓縮性土。典型地質(zhì)剖面圖如圖4所示。

圖4 典型地質(zhì)剖面

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告建議，本單體采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),選用含粘性土角礫作為持力層，樁徑為800 mm,樁長(zhǎng)為77 m，據(jù)報(bào)告參數(shù)計(jì)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(shù)為109根，筏板最大彎矩為6489 kN·m。根據(jù)豎向構(gòu)件及豎向構(gòu)件軸力分布情況，調(diào)整工程樁樁間距采用不同樁距布置方式，優(yōu)先布置于豎向構(gòu)件下，如圖6所示，工程樁總數(shù)為94根，筏板最大彎矩為5742 kN·m。通過(guò)式(1)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，相同筏板板厚情況下，圖6工程樁距豎向構(gòu)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(zhǎng)、樁配筋的情況下，圖6工程樁樁數(shù)小于圖5；后一種工程樁布置方式明顯具有減少筏板內(nèi)力、工程量更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。

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(jié)構(gòu)樁筏基礎(chǔ)中應(yīng)注意角樁沖切計(jì)算

樁筏基礎(chǔ)中角樁沖切計(jì)算是設(shè)計(jì)中往往容易忽略的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常采用軟件建模及計(jì)算，通過(guò)軟件提供計(jì)算書(shū)，往往忽略對(duì)計(jì)算書(shū)進(jìn)行復(fù)核，未對(duì)角樁沖切進(jìn)行復(fù)核，為設(shè)計(jì)留下隱患。

案例為某安置房住宅小區(qū)，住宅最高層數(shù)為28層，筏板厚為1400 mm，單樁豎向承載力特征值為3000 kN。經(jīng)市場(chǎng)上某通用軟件沖切計(jì)算后，結(jié)果如圖7所示，均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，左下角角樁沖切安全系數(shù)大于右側(cè)工程樁沖切安全系數(shù)，明顯異常，通常右側(cè)工程樁的沖切錐體比左側(cè)工程樁的沖切錐體要大，應(yīng)該左側(cè)工程樁沖切安全系數(shù)小于右側(cè)工程樁沖切安全系數(shù)，軟件沖切計(jì)算結(jié)果正好相反。通過(guò)軟件調(diào)出計(jì)算書(shū)，左側(cè)角部工程樁沖切錐體頂面線已進(jìn)入豎向構(gòu)件，存在問(wèn)題；據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)[4]中的圖8.5.19-2，沖切線與水平夾角應(yīng)是大于等于45°。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)[5]中5.9.8.1條對(duì)a1x、a1y解釋中可知，“當(dāng)柱(墻)邊或承臺(tái)變階處位于45。線以?xún)?nèi)時(shí)，則取由柱(墻)邊或承臺(tái)變階處與樁內(nèi)側(cè)邊緣邊線為沖切錐體的錐線(規(guī)范中的5.9.8-1)”，如圖9所示。

圖7 軟件中角樁沖切計(jì)算沖切線

圖8 按規(guī)范角樁沖切計(jì)算沖切線

圖9 規(guī)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(yīng)是大于等于45°。經(jīng)手工復(fù)核，在沖切錐體頂面線按45°角位于豎向構(gòu)件下時(shí)，應(yīng)按規(guī)范調(diào)整為大于45°，頂面線應(yīng)位于豎向構(gòu)件邊緣，如圖8所示。圖10為軟件計(jì)算中存在的另一典型問(wèn)題，圖中頂面及底面沖切線在北側(cè)是90°轉(zhuǎn)彎，按圖11沖切線明顯要比圖10短，因此，在實(shí)際沖切計(jì)算中，應(yīng)按圖11直接至筏板自由邊。采用軟件計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的復(fù)核才能保證結(jié)構(gòu)安全。對(duì)樁沖切計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往對(duì)規(guī)范理解不透徹，產(chǎn)生認(rèn)為豎向構(gòu)件位于沖切線內(nèi)已安全，無(wú)須計(jì)算沖切的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，盲目相信軟件計(jì)算結(jié)果更是可能存在安全隱患。通過(guò)復(fù)核，上述角部工程樁與邊樁沖切計(jì)算結(jié)果均未達(dá)到規(guī)范要求。通過(guò)調(diào)整樁位及局部加厚筏板厚達(dá)到規(guī)范要求。

圖10 軟件中角樁沖切計(jì)算沖切線

圖11 按規(guī)范角樁沖切計(jì)算沖切線

3 剪力墻結(jié)構(gòu)下樁筏基礎(chǔ)筏板外挑距離應(yīng)適宜

高層建筑往往受水平荷載比較大，在基礎(chǔ)底部產(chǎn)生較大的整體彎矩，導(dǎo)致建筑對(duì)邊墻(柱)所受豎向荷載比較大，相應(yīng)邊樁反力比較大，建筑短向邊樁尤其明顯。由《建筑樁基技術(shù)規(guī)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(dāng)距離方式，工程樁布置于邊墻(柱)外側(cè)一定距離，達(dá)到加大邊樁至樁群形心距離，往往能產(chǎn)生比較好的經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度。在滿(mǎn)足工程樁樁數(shù)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(fā)揮筏板材料強(qiáng)度，利于配筋，減少工程樁反力。樁筏基礎(chǔ)中邊樁與邊墻(柱)距離過(guò)大，未能將上部荷載以最短路徑傳遞給地球，達(dá)不到荷載傳遞快捷高效目的，同時(shí)往往會(huì)在筏板底部產(chǎn)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(jìn)行試算比較，不同外挑距離進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果，如圖12～圖13北側(cè)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(jié)構(gòu)下樁筏基礎(chǔ)筏板外挑適當(dāng)距離，可減少工程樁反力，優(yōu)化筏板內(nèi)力。外挑距離不宜過(guò)大，應(yīng)以一倍筏板厚為宜，以充分發(fā)揮筏板混凝土沖切強(qiáng)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(jié)語(yǔ)

(1)在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先考慮工程樁布置于豎向構(gòu)件下部或靠近豎向構(gòu)件布置，達(dá)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(duì)工程樁受力，筏板內(nèi)力及基礎(chǔ)沉降均有較好的效果，同時(shí)可減少因基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力。

(2)對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)樁筏基礎(chǔ)角樁、邊樁沖切計(jì)算，應(yīng)根據(jù)概念及規(guī)范要求進(jìn)行必要的手工復(fù)核，以防出現(xiàn)安全隱患。

(3)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)樁筏基礎(chǔ)邊樁應(yīng)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(yōu)化工程樁布置，同時(shí)不應(yīng)距離過(guò)大，否則導(dǎo)致筏板產(chǎn)生過(guò)大彎矩，影響筏板經(jīng)濟(jì)性。