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筏板基礎(chǔ)設(shè)計分析2009
1 筏板基礎(chǔ)埋深及承載力的確定
天然筏板基礎(chǔ)屬于補(bǔ)償性基礎(chǔ), 因此地基的確定有兩種方法. 一是地基承載力設(shè)計值的直接確定法. 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)計值, 并采用原位試驗(如標(biāo)慣試驗、壓板試驗等) 與室內(nèi)土工試驗相結(jié)合的綜合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10m 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11 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, 因此實際需要的地基承載力為14 層樓的荷載. 即當(dāng)?shù)鼗休d力標(biāo)準(zhǔn)值f ≥ 250kpa 時就能滿足設(shè)計要求, 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)的變形計算
地基的驗算應(yīng)包括地基承載力和變形兩個方面, 尤其對于高層或超高層建筑, 變形往往起著決定性的控制作用. 目前的理論水平可以說對地基變形的精確計算還比較困難, 計算結(jié)果誤差較大, 往往使工程設(shè)計人員難以把握, 有時由于計算沉降量偏大, 導(dǎo)致原來可以采用天然地基的高層建筑, 不適當(dāng)?shù)夭捎昧藰痘A(chǔ), 使基礎(chǔ)設(shè)計過于保守, 造價提高, 造成浪費.采用各向同性均質(zhì)線性變形體計算模型,用分層總和法計算出的自由沉降量往往同實測的地基變形量不同, 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—應(yīng)變呈直線關(guān)系, 土體任何一點都不能產(chǎn)生塑性變形, 與土體的實際應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)不相一致;
(2) 公式中S = 7S6 z iAi- z i- 1Ai- 1ES i[ 2 ]
采用的計算參數(shù)系室內(nèi)有側(cè)限固結(jié)試驗測得的壓縮模量ESi , 試驗條件與基礎(chǔ)底面壓縮層不同深度處的實際側(cè)限條件不同;
(3) 利用公式計算的建筑物沉降量只與基礎(chǔ)尺寸有關(guān), 而實測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,與一般多層建筑物不同, 地基不是均一持力層. 因此在地基變形計算的公式中引入了一個沉降計算經(jīng)驗系數(shù)7S. 通過實際沉降觀測與計算沉降量的比較, 適應(yīng)高層建筑物箱型基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)的沉降計算經(jīng)驗系數(shù), 主要與壓力和地層條件相關(guān), 尤其與附加壓力和主要壓縮層中(0. 5 倍基礎(chǔ)寬度的深度以內(nèi)) 砂、卵石所占的百分比密切相關(guān). 由于該系數(shù)7S 僅用于對附加壓力產(chǎn)生的地基固結(jié)沉降變形部分進(jìn)行調(diào)整, 所以《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定可根據(jù)地區(qū)沉降觀測資料及經(jīng)驗確定.計算高層建筑的地基變形時, 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. 在實際施工中回彈再壓縮模量較難測定和計算, 從經(jīng)驗上回彈量約為公式計算變形量10%~ 30% , 因此高層建筑的實際沉降觀測結(jié)果將是上述計算值的1. 1~ 1. 3 倍左右. 應(yīng)該指出高層建筑基礎(chǔ)由于埋置太深,地基回彈再壓縮變形往往在總沉降中占重要地
位, 有些高層建筑若設(shè)置3~ 4 層(甚至更多層) 地下室時, 總荷載有可能等于或小于卸土荷載重量, 這樣的高層建筑地基沉降變形將僅由地基回彈再壓縮變形決定. 由此看來, 對于高層建筑在計算地基沉降變形中, 地基回彈再壓縮變形不但不應(yīng)忽略, 而應(yīng)予以重視和考慮.高層建筑箱型基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)的計算與一般中小型建筑的基礎(chǔ)有所不同, 如前所述, 高層建筑除具有基礎(chǔ)面積大、埋置深, 尚有地基回彈等影響. 有時將基礎(chǔ)做成補(bǔ)償基礎(chǔ), 在這種情況下, 將附加壓力視為很小或等于零, 這與實際不符. 由于基坑面積大, 基坑開挖造成坑底回彈,建筑物荷重增加到一定程度時, 基礎(chǔ)仍然有沉降變形, 即回彈再壓縮變形. 為了使沉降計算與實際變形接近, 采用總荷載作為地基沉降計算壓力比用附加壓力P 0 計算更趨合理, 且對大基礎(chǔ)是適宜的. 這一方面近似考慮了深埋基礎(chǔ)(或補(bǔ)償基礎(chǔ)) 計算中的復(fù)雜問題, 另一方面也解決了大面積開挖基坑坑底的回彈再壓縮問題. 因此《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 6—99) 除規(guī)定采用室內(nèi)壓縮模量ES 計算沉降量外, 又規(guī)定了按壓縮模量E 0 (采用野外載荷試驗資料算得壓縮模量E 0, 基本上解決了試驗土樣擾動的問題, 土中應(yīng)力狀態(tài)在載荷板下與實際情況比較接近) 計算沉降量的方法. 設(shè)計人員可以根據(jù)工程的具體情況選擇其中一種方法進(jìn)行沉降計算.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, 基礎(chǔ)的縱向撓曲曲線的形狀呈盆狀形, 即“∪”狀. 在研究建筑物荷載的水平分布規(guī)律時: 對于筏板基礎(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(基底應(yīng)力曲線) 與基礎(chǔ)的縱向撓曲曲線的形狀相吻合, 即也呈“∪”狀. 這說明建筑物四周各點沉降量受到其它各點荷載的影響較小, 中部各點沉降量受到其它各點荷載的影響較大; 若將基礎(chǔ)設(shè)計成整片筏板基礎(chǔ), 勢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).試驗表明[ 4 ]: 剛性筏板在試驗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(以矩形為例) 的增加, 筏板的剛度隨之降低.因此設(shè)計中可選取“板式筏基+ 獨立柱基”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)采用獨立基礎(chǔ)或聯(lián)合基礎(chǔ). 使筏板的長×寬尺寸減小、剛度增大,這不僅降低沉降變形的撓曲程度, 提高筏板的抗沖切能力, 同時, 減低了板中鋼筋應(yīng)力, 減少筏基的配筋量. 為協(xié)調(diào)各部分的變形, 使其趨于一致, 還可通過變形驗算調(diào)整獨立柱基的面積.既滿足結(jié)構(gòu)使用要求, 又達(dá)到相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益.在基礎(chǔ)選型設(shè)計中, 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+ 獨立柱基”的工程造價. 以上2 種不同基礎(chǔ)形式, 后者較前者節(jié)省約30%~ 40% 的費用, 經(jīng)濟(jì)效益顯著.當(dāng)由于地層分布不均勻、上部結(jié)構(gòu)荷載在筏板基礎(chǔ)上分布不均勻而引起筏板基礎(chǔ)各部分的差異沉降較大時, 可綜合考慮采用以下處理措施:
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