高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用设计
2015-07-08
154
0
核心提示：当前人们越来越重视高层建筑地下空间的开发，桩箱（筏）的基础设计也因此受到普遍欢迎。本文结合实际的设计经验，浅谈高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用的设计。
在地下大空间的开发日益受到人们重视、尤其是在商业繁华地带大空间更被迫切需要的今天，地下停车场、地下商场、地下歌舞厅等需要地下空间的高层建筑，桩箱（筏）的基础设计也因此受到普遍欢迎。桩箱（筏）的基础对高层建筑上部结构荷载变化的适应能力强，基础结构简单，施工方便。在上部荷载大、持力层深或软弱地基上发展的桩筏基础，对地基及上部结构具有广阔的适应性。从而成为高层建筑最实用、最重要的基础形式，它的优点正在被越来越多的工程技术人员认识和接受，是未来高层建筑基础的发展方向。本文结合实际的设计经验，浅谈高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用的设计。
一、高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用影响因素的分析
1、上部结果刚度的影响或筏的相对刚度KR的影响
我们都知道，上部结果刚度对基础的贡献是有限的，随着建筑物的筑高、层数的增加，竖向荷载也在不断增加，对沉降量、差异沉降和基础内力的影响可通过单位荷载情况的比较来了解上部结构刚度的影响。
①对高层建筑平均沉降的影响
层数增加（也就是荷载增加）。上部结构刚度尽管增加有限，平均沉降与层数的增加成正比，单位荷载的平均沉降几乎是不变的，表现出线弹性的性状。若不考虑上部结果刚度对基础的影响，仅考虑筏板相对刚度的影响。则筏的相对刚度KR增加，使平均沉降减小。
②对差异沉降的影响
上部结构层数增加，荷载线性增加，但上部结构刚度有着有限的增加，差异沉降有些增加，但单位荷载的差异沉降却减小。筏的相对刚度KR增加，筏板的差异沉降也是减小的。
③对桩筏分担上部荷载的影响
层数增加，筏基分担荷载比例变化不大，可见上部结构刚度变化对桩筏分担荷载的比例影响甚微。
④对桩顶反力分布的影响
随着高层建筑的筑高，荷载增加，上部结构刚度有限增加，角桩反力与内桩反力的比例增加较快，边桩反力的比例增加较慢些，桩反力分布呈现弹性性状，到一定层数后，这种增加速率也有所变缓。筏的相对刚度KR增加，角桩反力与平均桩顶反力的比值增加较大，边桩反力增加平缓。
⑤对伐内最大弯矩的影响
随着层数的增加，荷载随着增加，所以，筏板中的弯矩也随着增加，但是单位荷载的最大弯矩却是减小的，这说明上部结构刚度对基础的贡献，也就是上部结构分担了基础的弯矩。随着筏板厚度的增加，筏的相对刚度KR也增加，筏板最大弯矩也增大。但是，当KR>1时，也就是筏板厚度达到某值时，筏板最大弯矩的增加速率开始减缓。
2、地基弹性模量Es和桩的相对刚度Kp的影响
高层建筑桩箱（筏）基础的桩间土的弹性模量Es的变化对共同作用的影响是人们感兴趣的问题。由桩的相对刚度Kp的定义就可以知道，对于给定场地，地基土的弹性模量Es不变，桩的弹性模量Ep小，桩的相对刚度Kp就小。
①对高层建筑平均沉降的影响，桩间土的弹性模Es大，则高层建筑的平均沉降小；桩的相对刚度小，也就是桩的弹性模量小，则高层建筑的平均沉降大。
②对高层建筑差异沉降的影响，由于筏基刚度起了决定性的作用，Es和Kp的影响不明显。
③对桩筏分担上部荷载的影响，桩间土的弹性模量Es越小，筏基分担荷载的比例就越大；桩的弹性模量Ep越小，也就是桩的相对刚度越小，则筏基分担荷载的比例就越大。
④对桩顶反力分布的影响，桩间土的弹性模量Es和桩的相对刚度Kp对桩顶反力分布的影响不是主要因素，影响不大。
⑤对筏板中的最大弯矩的影响，桩间土的弹性模量Es大，则筏板最大弯矩小；桩的弹性模量小，也就是桩的相对刚度Kp小，则筏被最大弯矩小。当然，这个影响与筏板的相对刚度也有很大的关系。
3、桩长和桩间距的影响
桩对高层建筑变形、桩顶反力分布、桩筏荷载分担的比例以及筏基内最大弯矩都有影响，这里主要讨论的影响。当然桩的不同布置形式对它们也在影响。
①桩长的影响，第一是对高层建筑平均沉降的影响，桩越长，建筑物的沉降就越小，但是当长细比L/d达到某值的时候，减小沉降的作用就不明显了，一般这个值是当L/d≥50。第二是对高层建筑差异沉降的影响，桩越长，建筑物的差异沉降就越小，但是桩的长细比对建筑物的差异沉降的影响不是主要的因素，筏板厚度和上部结构刚度是主要因素。第三是对桩筏分担荷载的影响，桩越长，筏基分担荷载的比例就越小，桩长细比例越大，则筏基分担荷载的比例越小。桩的长度变化对桩顶反力分布以及筏基内力大小的影响不明显。
②桩间距的影响
第一是对高层建筑平均沉降和差异沉降的影响，s/d在10以内，高层建筑的平均沉降和差异沉降均稍有增加，说明影响不是急剧的。
第二是对桩筏分担上部荷载的影响，桩间距增大，对桩筏分担上部荷载具明显的影响。S/d增大，桩分担上部荷载的比例大大减小，而筏板分担上部荷载的比例将大大增加。如果桩间土有较高的承载力，那么可通过增大桩间距来充分发挥桩间土的承载力。
第三是对桩顶反力分布的影响桩间距增大，对桩顶反力分布的影响也是明显的。桩间距增大，角桩反力和边桩反力明显减小；当s/d达到某值时，桩顶反力分布趋于均匀，即角桩反力、边桩反力均等于内部桩反力。
第四是对筏板内最大弯矩的影响桩间距增大，若筏板的最大弯矩明显增加，则适当减少桩数，充分利用桩间土的承载力就不可能。通过计算分析，得到筏板最大弯矩与桩间距的关系曲线。桩间距增大，筏板的最大弯矩并不急剧地增加，而是比较乎缓地增大。共同作用分析结果为充分利用桩间上的承载力提供理论依据，为设计人员担心疏桩设汁是否会使基础板（梁）弯矩大增，引起上部结构开裂作出解答，使设计人员抽桩有了理论保障。
4、抽桩对基础沉降及筏基分担上部荷载的影响
桩间距的适当增大，可以充分利用桩间土的承载力，其实质是减少桩数，在抽桩过程中，抽筏基下什么部位的桩对基础沉降及筏基分担上部荷载的影响少一点呢？通过实际经验得知，抽去同样数日的内部桩对基础沉降和筏基分担荷载的影响甚微。而抽去同样数目的角桩和边桩，这个影响将增大、充分显示，在桩筏基础设计中合理布桩的重要性，角桩和边桩密一些，内部桩疏一些，可以达到充分发挥桩筏基础的效果和节省的目的。
5、高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用对上部结构的影响
高层建筑地基基础共同作用对上部结构是有影响的，使上部结构下面儿层的边角桩（或墙）产生次应，次应力可能使边柱（或墙）开裂，有桩的情况同样有这种影响，上部结构下面几层的边角柱（或墙）产生次应力。对于框架的角柱，在无桩情况下，共同作用的角杜力比常规法（刚性板）增加12.1%；在有桩情况下，共同作用分析的角柱力比常规法（刚性板）增加28.9%。可见，考虑共同作用分析时，上部结构产生的次应力不容忽视，根据数值分析，次血力的影响在第5层时尚存在，但其值已有所减小。
二、高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用的设计建议
通过高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用的理论和实测研究，共同作用的设计方法正在逐步形成，在工程中可以使用，有的已经在使用。为此，提出如下建议：
①对于非嵌岩端承桩，加大桩间距，减少桩数，充分发挥筏（或箱）底的地基承载力是可行的。具体设计时，地基承载力控制在小于fk/2或fu/4；桩基承载力采用εpPu，桩承担的荷载可减少为Pp=（P-PwA）（1-εsφ）。目前出现的减少沉降桩或桩间距大于6倍桩径的疏桩即符合桩基均是共同作用实践的例子。
②若采用常规设计，桩承担的荷载可适当减少为：
Pp=P-PwA-（5—10）%P=（95-95）%P-Pw·A
在上面的算是中，P表示的是上部总荷载（包括箱（筏）基），Pp是表示桩承担的荷载，Pw是表示浮力，A是箱（筏）基础平面面积。
③高层建筑桩（筏）基础的容许沉降可适当加大，可采用[S]=20—30cm。
④一般的高层住宅或宾馆，当标准层的平面面积与箱（筏）平面相同时，从省桩角度，内桩可排得稀疏些，但从筏板沉降均匀内力角度，内桩应排得密些，而边角桩应排得稀疏些。当标准层平面面积远小于裙楼箱（筏）基础面积时，边角桩可排得稀疏些。
⑤高层建筑桩箱基础尽可能采用轴线桩，高层建筑桩筏基础尽可能采用柱对柱的排列方法。
⑥高层建筑桩箱基础底板设计时只计局部弯矩，整体弯矩可略。根据实测，可用26%的总荷载或地下水浮力作为地基反力来设计桩箱基础的箱基底板。
⑦软土地基高层建筑桩筏基础筏板厚度的确定方法建议采用以下算式：
在这个算是中ER，μR为筏板材料的模量和泊松比；LR，BR和tR为别为筏板的长度、宽度和厚度；Es和μs为地基土的模量和泊松比。
当相对刚度KRP=1称为刚性点，对应的厚度tR即为高层建筑桩筏基础筏板的厚度。并用相对弯曲θr≤0.8‰来控制。当KRP=2.1—2.5时，对应的筏板厚度可以使基础的差异沉降符合建筑物安全工作的要求。
⑧当箱基内墙间隔为3.3—3.5m，总荷载为250—500kpa时，高层建筑箱基础桩沿轴线布置时箱基底厚板h可按下式确定：
其中，P为噶层建筑总荷数（kpa），h为箱基底板厚度。
⑨高层建筑桩箱（筏）基础的底板埋置深度建议不小于H/30就可以了。事实上，目前已经有很多高层建筑的基础埋置深度都小于H/30，甚至最小达H/38，实践证明，这种埋置深度都是安全的。所以《高层建筑结构设计建议》中基础埋置深度都不宜小于H/15的建议是保守的。
三、结束语
综上所述，高层建筑基层设计的重要性已毋庸置疑，我们只有选择合理的基础形式及计算方法才能够保证建筑结构安全并且降低工程造价。
参考文献：
[1]张玉娣等，浅析房屋建筑结构设计中的基础设计[J].黑龙江科技信息，2005.9.
[2]赵锡宏等，上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论[M].上海：统计大学出版社，2003.
导航