筏板基礎(chǔ)選型和設(shè)計(jì)探討

關(guān)鍵詞：高層建筑；筏板基礎(chǔ) 承載力；變形計(jì)算；抗浮錨桿；裙房基礎(chǔ) 

　　目前筏板基礎(chǔ)的應(yīng)用越來越廣泛,因此本文以實(shí)際參與及設(shè)計(jì)的工程為參考，對(duì)筏板基礎(chǔ)選型和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析。 

　　筏板基礎(chǔ)是指柱、墻下連續(xù)的鋼筋混凝土底板基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)包括天然地基處理和筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算兩部分，一般可歸納為以下個(gè)方面的內(nèi)容。 

　　1 筏板基礎(chǔ)埋深及承載力的確定 

　　地下室，并由其使用功能要求決定地下室的層高和層數(shù)，這就基本確定了基礎(chǔ)底板的埋置深度。其此地基的確定有兩種方法：一是地基承載力設(shè)計(jì)值的直接確定法。它是根據(jù)地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值按照有關(guān)規(guī)范通過深度和寬度的修正得到承載力設(shè)計(jì)值，并采用原位試驗(yàn)與室內(nèi)土工試驗(yàn)相結(jié)臺(tái)的綜臺(tái)判斷法來確定巖土的特性。二是按照補(bǔ)償性基礎(chǔ)分析地基承載力。例如：某棟地上28層、地下2層(底板埋深10m)的高層建筑，由于將原地面下lOm厚的原土挖去建造地下室，則卸土土壓力達(dá)180kpa，約相當(dāng)于1l層樓的荷載重量；如果地下水位為地面下2m，則水的浮托力為80kpa，約相當(dāng)于5層樓的荷載重量，因此實(shí)際需要的地基承載力為14層樓的荷載,即當(dāng)?shù)鼗�承載力標(biāo)準(zhǔn)值ƒ≥ 250kpa時(shí)就能滿足設(shè)計(jì)要求，如果筏基底板適當(dāng)向外挑出，則有更大的可靠度。 

　　2 天然筏板基礎(chǔ)的變形計(jì)算 

　　地基的驗(yàn)算應(yīng)包括地基承載力和變形兩個(gè)方面，尤其對(duì)于高層或超高層建筑，變形往往起著決定性的控制作用。 

　　采用各向同性均質(zhì)線性變形體計(jì)算模型，用分層總和法計(jì)算出的自由沉降量往往同實(shí)測(cè)的地基變形量不同，這是受多種因素的影響造成的。 

　　(1)這種理論的假定條件遵循虎克定律，即應(yīng)力一應(yīng)變呈直線關(guān)系，土體任何一點(diǎn)都不能產(chǎn)生塑性變形，與土體的實(shí)際應(yīng)力一應(yīng)變狀態(tài)不相一致； 

　　 (2)利用公式計(jì)算的建筑物沉降量只與基礎(chǔ)尺寸有關(guān)，而實(shí)測(cè)沉降量已受到上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)剛度的調(diào)整。 

　　采用箱型基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)的高層建筑物，由于其荷載大、基礎(chǔ)寬， 因而壓縮層深度大，地基不是均一持力層。因此在地基變形計(jì)算的公式中引入了一個(gè)沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。 

　　計(jì)算高層建筑的地基變形時(shí)，由于基坑開挖較深，卸土較厚往往引起地基的回彈變形而使地基微量隆起。在實(shí)際施工中回彈再壓縮模量較難測(cè)定和計(jì)算，從經(jīng)驗(yàn)上回彈量約為公式計(jì)算變形量10％ ～30％，因此高層建筑的實(shí)際沉降觀測(cè)結(jié)果將是上述計(jì)算值的1．1～1 3倍左右。 

　　建筑物沉降觀測(cè)結(jié)果和理論研究表明 ，按平面布置規(guī)則，立面沿高度大體一致的單幢建筑物，當(dāng)基底壓縮土層范圍內(nèi)沿豎向和水平方向土層較均勻時(shí)，基礎(chǔ)的縱向撓曲曲線的形狀呈盆狀形，即“U”狀在研究建筑物荷載的水平分布規(guī)律時(shí)：對(duì)于筏板基礎(chǔ)，可將筏板劃分為許多小單元，如果不考慮各小單元之間的相互影響，單位面積承受的荷載重量與基礎(chǔ)的縱向撓曲曲線的形狀相吻合，即也呈“U”狀。這說明建筑物四周各點(diǎn)沉降量受到其它各點(diǎn)荷載的影響較小，中部各點(diǎn)沉降量受到其它各點(diǎn)荷載的影響較大；若將基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成整片筏板基礎(chǔ)，勢(shì)必造成在相同的地基承載力下，中部沉降量大，而四周沉降量較小，基底土變形不相協(xié)調(diào)。 

　　試驗(yàn)表明 ：剛性筏板在試驗(yàn)荷載下主要是整體沉降，撓曲變形極小，最大也未超過3‰ ；而有限剛度筏板基礎(chǔ)則除了整體沉降外還產(chǎn)生撓曲變形，筏板剛度不同，撓曲程度也不同。 

　　在筏板厚度相同的情況下，隨著長×寬的增加，筏板的剛度隨之降低因此設(shè)計(jì)中可選取“板式筏基+獨(dú)立柱基”相結(jié)合的基礎(chǔ)形式，即中部(電梯井等剪力墻集中處)用筏基，四周柱基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)或聯(lián)合基礎(chǔ)。 

　　在基礎(chǔ)選型設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合工程的具體情況，考慮多方面的因素影響，充分利用天然地基的承載能力，通過比較“整片筏基”與“板式筏基+獨(dú)立柱基”的工程造價(jià)。以上2種不同基礎(chǔ)形式，后者較前者節(jié)省約30％ ～40％ 的費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 

　　3 筏板基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

　　筏板基礎(chǔ)的主要結(jié)構(gòu)形式有平板式筏基和肋粱式筏基，包括等厚度或變厚度底板和縱橫向肋梁。在具體筏基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮如下問題： 

　　(1)應(yīng)盡量使上部結(jié)構(gòu)的荷載合力重心與筏基形心相重合，從而確定底板的形狀和尺寸。 

　　(2)底板厚度由抗沖切和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算確定。柱網(wǎng)間距較大時(shí)可在柱間設(shè)置加強(qiáng)板帶(暗粱加配箍筋)來提高抗沖切強(qiáng)度以減少板厚。 

　　(3)無肋梁筏板基礎(chǔ)的配筋可近似按無梁樓蓋設(shè)柱上板帶和跨中板帶(倒樓蓋法)的計(jì)算方法進(jìn)行，精確計(jì)算可用有限元法。 

　　4 筏板基礎(chǔ)抗浮錨桿的設(shè)置 

　　地下水位較高，當(dāng)?shù)装迓裆钶^大時(shí)，不少設(shè)計(jì)人員擔(dān)心地下水位對(duì)底板的浮托力而設(shè)置抗拔錨桿，在這里作如下分析和討論。 

　　(1)施工過程中浮托力的產(chǎn)生是由于基坑內(nèi)積水所致；浮托力的大小與地下室的體積和基坑內(nèi)積水高度有關(guān)。因此，只要能在地下室施工過程中有序排水或限制水位就不會(huì)產(chǎn)生浮托力。 

　　(2)地下室上浮是因?yàn)榈叵率医Y(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)的荷載重量不足以克服地下水的浮力，當(dāng)筏板基礎(chǔ)底板上的結(jié)構(gòu)重量大于實(shí)際上浮力后，整個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就能穩(wěn)定。因此在地下室和地面上相應(yīng)有限幾層的結(jié)構(gòu)完成后，就可以克服地下水的上浮力。 

　　(3)在計(jì)算地下水的浮托力時(shí)因注意：筏基底板所承受的浮托壓力只是底板與地基巖土的縫隙水壓力、孔隙水壓力，板承受的浮托力與地基巖土的縫隙發(fā)育程度、孔隙率有關(guān)，其實(shí)際壓力強(qiáng)度小于靜水壓強(qiáng)。其次，底板的水承壓面積并非全部由于底板與地基巖土已粘結(jié)成整體，因而能提供一定的粘結(jié)(抗拔)力。有關(guān)試驗(yàn)資料認(rèn)為有效粘結(jié)面積占底板面積最小比率為K=50％，而粘結(jié)強(qiáng)度最低為250kpa。K 值是一重要因素，應(yīng)通過試驗(yàn)確定。 

　　浮托力的估算：當(dāng)K =50％ ～100％時(shí)，如地下水位為-2.0m 的l0m深地下2層的基坑，當(dāng)?shù)装搴穸? 600mm，頂板單位荷重為l 600kg，則單位面積的浮托力T 和地下室結(jié)構(gòu)重量w 分別為： 

　　T =8Ox(50％ ～lOO％) 

　　=40.0 kpa～8O.0kpa 

　　W =1．6×25+16×2=72．0kpa 

　　從以上分析和討論可見，即使按K =l計(jì)算使浮托力T最大，T與w 的差值也只有8．0kpa，待地面上再施工l～2層后．就能保持整體平衡，因此只要在地下室施工過程中能保持基坑干燥，基礎(chǔ)和地下室結(jié)構(gòu)及地上2層結(jié)構(gòu)施工完成后，就可放棄對(duì)地下水位的監(jiān)測(cè)，無需設(shè)置抗浮錨桿。 

　　對(duì)于一些地下室較大、較深而地面以上結(jié)構(gòu)層數(shù)不多的建筑，則應(yīng)根據(jù)上述總體平衡的原則計(jì)算確定抗浮錨桿。對(duì)于地下室面積較大而主體塔樓面積較小的建筑，應(yīng)驗(yàn)算裙房部位的浮托力能否與結(jié)構(gòu)自重相平衡，否則也應(yīng)設(shè)置抗浮錨桿。在底板配筋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意到由于水的浮托力使底板產(chǎn)生的彎矩，當(dāng)板下不設(shè)置抗浮錨桿時(shí)應(yīng)全面考慮浮托力產(chǎn)生的彎矩，當(dāng)?shù)装逶O(shè)置抗浮錨桿后則可適量減少底板的配筋量。 

　　5 裙房基礎(chǔ)的設(shè)計(jì) 

　　由于裙房的單柱荷載與高層主樓相比要小的多，因此無需采用厚筏基礎(chǔ)，采用薄板配柱下獨(dú)立擴(kuò)展基礎(chǔ)即可。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，裙樓獨(dú)立柱基的沉降與主樓筏板基礎(chǔ)的沉降要相協(xié)調(diào)，即控制沉降差在允許值范圍內(nèi)。應(yīng)根據(jù)公式計(jì)算主樓沉降量S，再按各柱的荷載N 值和S值反算出各獨(dú)立柱基礎(chǔ)的面積A(尚應(yīng)驗(yàn)選地基承載力)。 

　　6 結(jié)論 

　　高層建筑的基礎(chǔ)選型應(yīng)因地制宜，除基礎(chǔ)應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范允許的沉降量和沉降差的限值外，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)符合規(guī)范對(duì)強(qiáng)度、剛度和延性的要求，選用樁基或筏基都不是絕對(duì)的，而安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理才是基礎(chǔ)選型的標(biāo)準(zhǔn)。