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摘要：本文笔者通过多年的工作经验，对高层建筑设计中筏形基础的选型和主要设计方法作了一些探讨, 与同行商榷。
关键词：筏形基础地质概况基础选型变形控制
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
近年来, 筏形基础在高层建筑设计中, 不仅因为它能结合地下室的埋深, 充分利用天然地基建造补偿性基础, 具有整体刚度好、能调整地基不均匀沉降的特点, 还因为它能配合未来城市地下空间的开发利用。此外, 筏形基础抗震性能较好, 施工简便、工期短、技术质量易于保证。本文以广东惠州市白鹭湖休闲度假区E1栋高层住宅为例, 对筏形基础的选型和主要设计方法, 作了一些探讨, 与同行商榷。
2 工程及地质概况
本工程位于广东省惠州市白鹭湖山水休闲度假区, 为住宅小区商品房, 地面以上楼高16 层, 高度49.50m , 地下1 层, 基础埋深4.50m , 总建筑面积7520m2 , 主體结构为短肢剪力墙结构体系。如下图所示：
该工程拟建场地原始地貌为残丘、坡积低地, 经人工填土整平。经勘察, 现场场地土的主要成因类型和岩土性质自上而下依次为:
①人工填土: 黄褐、黄红色, 层厚1.50～2.80m , 以粘性土为主, 稍湿, 结构松散;
②坡积土: 褐黄、黄红色, 埋深1.50～2.80m , 层厚2.60～5.50m , 以粉质粘粒为主, 含少量砾石, 平均标贯击数为14 击,湿, 呈可塑- 硬塑状, fak = 180kPa ;
③残积土: 褐黄、灰白、棕红色, 埋深4.10～6.80m , 层厚2.30～4.70m , 以粉质粘粒为主, 平均标贯击数为20 击, 湿, 呈硬塑状, fak = 220kPa ;
④全风化泥岩: 褐黄、灰黄色, 埋深5.40～8.20m , 层厚1.80～3.05m , 平均标贯击数为40 击, 岩芯呈坚硬土状, fak =350kPa ;
⑤强风化泥岩: 褐黄、灰紫、青灰色,埋深6.20～1.12m , 层厚2.60～5.50m , 平均标贯击数为60 击, 岩芯呈半岩半土状。再往下为中风化泥岩, 结构完整, 强度较高, 在此不再叙述。在该工程场区内, 地下水不甚发育, 岩土透水性能较差, 地下水来源主要接受大气降水补给, 水位稳定埋深为1.50～2.00m ,地下水量和水位变幅, 主要随大气降水影响而波动。
3 基础选型
建筑物基础选型应根据工程地质资料结合建筑物荷重、结构平面布置、受力特点、工期要求、施工难易及造价等因素, 进行综合比较确定。从本工程勘察报告来看,适合采用的基础形式有桩基础和筏形基础2 种类型。下面分别就这2 种类型的基础选型, 进行比较。
3.1 桩基础选型
根据工程地质资料, 建筑场地内各土层埋深起伏变化大, 全风化泥岩埋藏浅, 标贯击数在40 击以上。从施工难易程度看, 除人工挖孔桩、机械成孔桩外, 打入桩在该场地不适用, 易出现短桩。而从效费比看, 相同桩长、桩径的人工挖孔桩, 要比机械成孔桩高, 因此, 本工程若进行桩基选型, 则以选择人工挖孔桩较为合适。但是, 由于该建筑物主体结构为短肢剪力墙结构体系, 致使部分桩基础还需设计较大的承台或托梁型承台支撑剪力墙, 导致受力复杂。同时, 还要花费一定费用和时间, 进行桩的抽芯和检验,既不经济, 也会拖延工期。由此可见, 无论选择哪种桩基础, 都不能很好地满足设计要求和业主意图。
3.2 筏形基础选型
筏形基础分梁板式和平板式2种类型。该建筑物除前面提到的主体结构为短肢剪力墙结构体系外, 平面布置也较为特殊, 其平面核心筒与外框短肢墙之间, 呈25°角布置。若采用梁板式筏基, 则基础梁的布置较复杂,节点处理不宜, 基础梁相互间的传力不很明确; 若采用平板式筏基, 则可不受平面布置不规则的影响, 较好地处理梁板式筏基中遇到的问题, 有效提高筏基的整体刚度及调整应力和变形的能力。同时, 还具有施工简便、施工工期短、施工质量易于保证的特点。
综上分析不难看出, 该工程采用平板式筏基无论从经济、工期及技术质量保证上,都具有一定的优势, 能较好满足设计要求,有利于商品房的尽早推出和获利, 符合业主心意。
4 基础设计计算
本建筑物地基基础设计等级为乙级, 结构安全等级为二级。
4.1 岩土计算参数
根据地质勘察报告, 本工程选择坡积土层作为天然基础的持力层, 并综合同类坡积土层所做的现场压板试验数据, 对本工程基础底板下的坡积含砾粘土层的计算参数, 采用以下数值:
(1) 坡积含砾粉质粘土fak = 180kPa , γ= 18.7kN/m3 , φ = 20°,
c = 32kPa , E0 = 22MPa 。
(2) 残积粉质粘土E0 = 28MPa
4.2 地基承载力计算
根据上部结构的电算结果, 建筑物总重(含地下室及基础板重) Fv + G = 319 200kN , 基础底板面积A = 1120m2 , 基础底面处的平均压力设计值为:P = ( Fv + G) / A = 285kN/m2, 地基强度不仅与持力层的物理力学性质有关, 还与基础的埋深及宽度有关。为了能较真实地反映地基土的实际承载力, 在满足基础偏心距e ≤0.033 倍基础底面宽度的条件下, 本工程采用土的固结不排水抗剪强度指标来确定地基承载力fa:
fa = Mbγb + Mdγmd + McCk
式中, 承载力系数Mb , Md , Mc 根据土的内摩擦角标准值φk 查规范相关表得Mb = 0.51 ,
Md = 3.06 , Mc = 5.66; 并取b = 6m(基础宽度大于6m 按6m 考虑) , d = 415m ,γm = 12kN/m3 , 代入式得:fa = 403kN/m2 > P ( = 285kN/m2)
可见, 地基持力层强度足够。另外, 从补偿性基础理论出发, 原基坑被挖去的土体重量置换了部分建筑物的重量, 即基础每挖深1m , 可增加约12kN/m2 的地耐力, 415m 深的土体可增加Δfa = 415×12 = 54kN/m2 的地耐力, 建筑物实际给地基增加的平均压力设计值为:P0 = P - Δfa = 231kN/m2
这说明使地基承载力计算值fa = P , 实际地基承载力仍还有一定的安全储备, 基础是安全的。
4．3 地基变形计算
地基验算一般包括地基承载力和变形2个方面, 对于高层或超高层建筑, 变形验算往往起着决定性的控制作用。目前的理论水平对地基变形的精确计算还比较困难, 计算结果误差较大, 往往使设计人员难以把握,导致原来可以采用天然地基的高层建筑, 不适当地采用了桩基础, 使造价提高, 造成浪费。通过与惠州地区不同建筑场地地层压板试验结果的对比分析, 以及对多栋高层建筑的沉降观测资料进行的反分析, 本工程如果采用压板试验测得的变形模量E0 计算地基变形, 则计算值将与实测结果较为接近。根据国标《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》(JGJ6 - 99) , 地基最终变形量s 按下式计算:
(2)式中Pk —长期效应组合下基础底面处的平均压力标准植, kPa;
b —基础底面宽度, m;
δi, δi - 1 —与L/b , Z/b 有关的无因次系数, 查表可得;
E0i —基础底面下第i 层土的变形模量, MPa;
η —修整系数, 查表可得。
根据有关条件及规范查表得Pk =285kPa , b = 32m , E01 = 28MPa , E02 =22MPa ,
δ1 = 01109 , δ2 = 01059, η = 0195,代入式(2) 得: s = 39mm
此值远小于国标《建筑地基基础设计规范》(GB50007 - 2011) 。表5.3.4 中平均沉降量200mm 的要求, 这说明本工程筏板基础的沉降值, 是满足规范要求的。实际施工时, 考虑到基础沉降对建筑物使用的影响,特把首层标高±0.000 提高30mm , 以解决工程竣工后建筑内地面与室外地坪的正常关系。
4.4 筏板基础计算
筏板基础计算采用PKPM-SATWE结构整体计算软件, 计算方法按常规倒置无梁楼盖进行, 并满足冲切计算要求。最终计算结果除核心筒筏板厚为1.60m 外, 其余筏板厚度均为1.20m , 筏板上下各配双向正交ф25@150直通钢筋网。
5 变形观测
本建筑物在首层共布设了10 个观测点,施工期间每隔2层观测1次, 以实测资料作为建筑物地基基础工程质量检查的依据之一。 目前, 主体结构已经封顶, 正进行外立面装修, 根据现场的变形观测结果, 各观测点累计沉降量均在13.53～17.21mm 范围内,平均下沉量为15.37mm , 筏板基础最大倾斜量为0.11‰, 远小于规范允许值3‰的要求。从目前的观测结果看, 整个基础沉降比较均匀, 预计最终实际沉降量要比理论计算值小, 总沉降量约为25～30mm。
6 结语
高层建筑基础选型和设计, 是整个结构设计中的重要组成部分, 直接关系到建设投资、施工难度、质量和工期。因此, 工程设计人员应认真研究拟建场地的岩土性质和上部结构特点, 通过综合技术经济比选后确定。本文对惠州市白鹭湖休闲度假区E1栋高层住宅筏形基础选型及设计中应考虑的几个主要问题进行了探讨, 并结合以往设计经验归纳出以下几点:
(1) 基础工程的选型和设计, 是整个建筑物设计质量和造价的关键。广东地区高层建筑多采用桩基础, 本工程在坡积土层上成功采用天然筏板基础( fak = 180kPa) , 可为今后在同类坡积土层上, 建造类似的高层建筑提供设计参考。
(2) 本工程若采用规范公式fa = fak +ηbγ( b - 3) +ηdγm ( d –0.5) 计算地基承载力, 则fa仅为274kPa ,fa < P , 达不到设计要求。实际工程中如果不加分析, 简单运用此公式查表计算地基承载力, 则易导致基础选型不够合理、优化, 造成地基基础设计上的浪费。
(3) 通过对多个现场实验观测发现, 取压缩试验得到的压缩模量Es 计算沉降, 对于中低压缩性土, 按规范公式计算的变形值, 比实际观测值大许多倍; 对于淤泥, 按规范公式计算的变形值比实际值小许多倍。而采用压板试验测得的变形模量E0 计算地基变形, 则较符合实际情况。因此, 对选择中低压缩性土作为天然基础持力层的地基,建立用压板试验测得的变形模量E0 , 计算地基变形较为合理。
参考文献： 1. 《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》(JGJ6 - 99)
2. 《建筑地基基礎设计规范》 (GB50007 - 2011)
关键词：筏形基础地质概况基础选型变形控制
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
近年来, 筏形基础在高层建筑设计中, 不仅因为它能结合地下室的埋深, 充分利用天然地基建造补偿性基础, 具有整体刚度好、能调整地基不均匀沉降的特点, 还因为它能配合未来城市地下空间的开发利用。此外, 筏形基础抗震性能较好, 施工简便、工期短、技术质量易于保证。本文以广东惠州市白鹭湖休闲度假区E1栋高层住宅为例, 对筏形基础的选型和主要设计方法, 作了一些探讨, 与同行商榷。
2 工程及地质概况
本工程位于广东省惠州市白鹭湖山水休闲度假区, 为住宅小区商品房, 地面以上楼高16 层, 高度49.50m , 地下1 层, 基础埋深4.50m , 总建筑面积7520m2 , 主體结构为短肢剪力墙结构体系。如下图所示：
该工程拟建场地原始地貌为残丘、坡积低地, 经人工填土整平。经勘察, 现场场地土的主要成因类型和岩土性质自上而下依次为:
①人工填土: 黄褐、黄红色, 层厚1.50～2.80m , 以粘性土为主, 稍湿, 结构松散;
②坡积土: 褐黄、黄红色, 埋深1.50～2.80m , 层厚2.60～5.50m , 以粉质粘粒为主, 含少量砾石, 平均标贯击数为14 击,湿, 呈可塑- 硬塑状, fak = 180kPa ;
③残积土: 褐黄、灰白、棕红色, 埋深4.10～6.80m , 层厚2.30～4.70m , 以粉质粘粒为主, 平均标贯击数为20 击, 湿, 呈硬塑状, fak = 220kPa ;
④全风化泥岩: 褐黄、灰黄色, 埋深5.40～8.20m , 层厚1.80～3.05m , 平均标贯击数为40 击, 岩芯呈坚硬土状, fak =350kPa ;
⑤强风化泥岩: 褐黄、灰紫、青灰色,埋深6.20～1.12m , 层厚2.60～5.50m , 平均标贯击数为60 击, 岩芯呈半岩半土状。再往下为中风化泥岩, 结构完整, 强度较高, 在此不再叙述。在该工程场区内, 地下水不甚发育, 岩土透水性能较差, 地下水来源主要接受大气降水补给, 水位稳定埋深为1.50～2.00m ,地下水量和水位变幅, 主要随大气降水影响而波动。
3 基础选型
建筑物基础选型应根据工程地质资料结合建筑物荷重、结构平面布置、受力特点、工期要求、施工难易及造价等因素, 进行综合比较确定。从本工程勘察报告来看,适合采用的基础形式有桩基础和筏形基础2 种类型。下面分别就这2 种类型的基础选型, 进行比较。
3.1 桩基础选型
根据工程地质资料, 建筑场地内各土层埋深起伏变化大, 全风化泥岩埋藏浅, 标贯击数在40 击以上。从施工难易程度看, 除人工挖孔桩、机械成孔桩外, 打入桩在该场地不适用, 易出现短桩。而从效费比看, 相同桩长、桩径的人工挖孔桩, 要比机械成孔桩高, 因此, 本工程若进行桩基选型, 则以选择人工挖孔桩较为合适。但是, 由于该建筑物主体结构为短肢剪力墙结构体系, 致使部分桩基础还需设计较大的承台或托梁型承台支撑剪力墙, 导致受力复杂。同时, 还要花费一定费用和时间, 进行桩的抽芯和检验,既不经济, 也会拖延工期。由此可见, 无论选择哪种桩基础, 都不能很好地满足设计要求和业主意图。
3.2 筏形基础选型
筏形基础分梁板式和平板式2种类型。该建筑物除前面提到的主体结构为短肢剪力墙结构体系外, 平面布置也较为特殊, 其平面核心筒与外框短肢墙之间, 呈25°角布置。若采用梁板式筏基, 则基础梁的布置较复杂,节点处理不宜, 基础梁相互间的传力不很明确; 若采用平板式筏基, 则可不受平面布置不规则的影响, 较好地处理梁板式筏基中遇到的问题, 有效提高筏基的整体刚度及调整应力和变形的能力。同时, 还具有施工简便、施工工期短、施工质量易于保证的特点。
综上分析不难看出, 该工程采用平板式筏基无论从经济、工期及技术质量保证上,都具有一定的优势, 能较好满足设计要求,有利于商品房的尽早推出和获利, 符合业主心意。
4 基础设计计算
本建筑物地基基础设计等级为乙级, 结构安全等级为二级。
4.1 岩土计算参数
根据地质勘察报告, 本工程选择坡积土层作为天然基础的持力层, 并综合同类坡积土层所做的现场压板试验数据, 对本工程基础底板下的坡积含砾粘土层的计算参数, 采用以下数值:
(1) 坡积含砾粉质粘土fak = 180kPa , γ= 18.7kN/m3 , φ = 20°,
c = 32kPa , E0 = 22MPa 。
(2) 残积粉质粘土E0 = 28MPa
4.2 地基承载力计算
根据上部结构的电算结果, 建筑物总重(含地下室及基础板重) Fv + G = 319 200kN , 基础底板面积A = 1120m2 , 基础底面处的平均压力设计值为:P = ( Fv + G) / A = 285kN/m2, 地基强度不仅与持力层的物理力学性质有关, 还与基础的埋深及宽度有关。为了能较真实地反映地基土的实际承载力, 在满足基础偏心距e ≤0.033 倍基础底面宽度的条件下, 本工程采用土的固结不排水抗剪强度指标来确定地基承载力fa:
fa = Mbγb + Mdγmd + McCk
式中, 承载力系数Mb , Md , Mc 根据土的内摩擦角标准值φk 查规范相关表得Mb = 0.51 ,
Md = 3.06 , Mc = 5.66; 并取b = 6m(基础宽度大于6m 按6m 考虑) , d = 415m ,γm = 12kN/m3 , 代入式得:fa = 403kN/m2 > P ( = 285kN/m2)
可见, 地基持力层强度足够。另外, 从补偿性基础理论出发, 原基坑被挖去的土体重量置换了部分建筑物的重量, 即基础每挖深1m , 可增加约12kN/m2 的地耐力, 415m 深的土体可增加Δfa = 415×12 = 54kN/m2 的地耐力, 建筑物实际给地基增加的平均压力设计值为:P0 = P - Δfa = 231kN/m2
这说明使地基承载力计算值fa = P , 实际地基承载力仍还有一定的安全储备, 基础是安全的。
4．3 地基变形计算
地基验算一般包括地基承载力和变形2个方面, 对于高层或超高层建筑, 变形验算往往起着决定性的控制作用。目前的理论水平对地基变形的精确计算还比较困难, 计算结果误差较大, 往往使设计人员难以把握,导致原来可以采用天然地基的高层建筑, 不适当地采用了桩基础, 使造价提高, 造成浪费。通过与惠州地区不同建筑场地地层压板试验结果的对比分析, 以及对多栋高层建筑的沉降观测资料进行的反分析, 本工程如果采用压板试验测得的变形模量E0 计算地基变形, 则计算值将与实测结果较为接近。根据国标《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》(JGJ6 - 99) , 地基最终变形量s 按下式计算:
(2)式中Pk —长期效应组合下基础底面处的平均压力标准植, kPa;
b —基础底面宽度, m;
δi, δi - 1 —与L/b , Z/b 有关的无因次系数, 查表可得;
E0i —基础底面下第i 层土的变形模量, MPa;
η —修整系数, 查表可得。
根据有关条件及规范查表得Pk =285kPa , b = 32m , E01 = 28MPa , E02 =22MPa ,
δ1 = 01109 , δ2 = 01059, η = 0195,代入式(2) 得: s = 39mm
此值远小于国标《建筑地基基础设计规范》(GB50007 - 2011) 。表5.3.4 中平均沉降量200mm 的要求, 这说明本工程筏板基础的沉降值, 是满足规范要求的。实际施工时, 考虑到基础沉降对建筑物使用的影响,特把首层标高±0.000 提高30mm , 以解决工程竣工后建筑内地面与室外地坪的正常关系。
4.4 筏板基础计算
筏板基础计算采用PKPM-SATWE结构整体计算软件, 计算方法按常规倒置无梁楼盖进行, 并满足冲切计算要求。最终计算结果除核心筒筏板厚为1.60m 外, 其余筏板厚度均为1.20m , 筏板上下各配双向正交ф25@150直通钢筋网。
5 变形观测
本建筑物在首层共布设了10 个观测点,施工期间每隔2层观测1次, 以实测资料作为建筑物地基基础工程质量检查的依据之一。 目前, 主体结构已经封顶, 正进行外立面装修, 根据现场的变形观测结果, 各观测点累计沉降量均在13.53～17.21mm 范围内,平均下沉量为15.37mm , 筏板基础最大倾斜量为0.11‰, 远小于规范允许值3‰的要求。从目前的观测结果看, 整个基础沉降比较均匀, 预计最终实际沉降量要比理论计算值小, 总沉降量约为25～30mm。
6 结语
高层建筑基础选型和设计, 是整个结构设计中的重要组成部分, 直接关系到建设投资、施工难度、质量和工期。因此, 工程设计人员应认真研究拟建场地的岩土性质和上部结构特点, 通过综合技术经济比选后确定。本文对惠州市白鹭湖休闲度假区E1栋高层住宅筏形基础选型及设计中应考虑的几个主要问题进行了探讨, 并结合以往设计经验归纳出以下几点:
(1) 基础工程的选型和设计, 是整个建筑物设计质量和造价的关键。广东地区高层建筑多采用桩基础, 本工程在坡积土层上成功采用天然筏板基础( fak = 180kPa) , 可为今后在同类坡积土层上, 建造类似的高层建筑提供设计参考。
(2) 本工程若采用规范公式fa = fak +ηbγ( b - 3) +ηdγm ( d –0.5) 计算地基承载力, 则fa仅为274kPa ,fa < P , 达不到设计要求。实际工程中如果不加分析, 简单运用此公式查表计算地基承载力, 则易导致基础选型不够合理、优化, 造成地基基础设计上的浪费。
(3) 通过对多个现场实验观测发现, 取压缩试验得到的压缩模量Es 计算沉降, 对于中低压缩性土, 按规范公式计算的变形值, 比实际观测值大许多倍; 对于淤泥, 按规范公式计算的变形值比实际值小许多倍。而采用压板试验测得的变形模量E0 计算地基变形, 则较符合实际情况。因此, 对选择中低压缩性土作为天然基础持力层的地基,建立用压板试验测得的变形模量E0 , 计算地基变形较为合理。
参考文献： 1. 《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》(JGJ6 - 99)
2. 《建筑地基基礎设计规范》 (GB50007 - 2011)