沉降控制理論在某高層建筑中的運用和探討

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1 工程概況
樂清市煙草公司綜合樓工程的原設(shè)計單位是國內(nèi)某建筑設(shè)計院，主樓地下1層(層高4.45m) ，地上16層(總高59.1m)，裙房3層，框剪結(jié)構(gòu)，柱下承臺基礎(chǔ)。樁采用450mm×450mm的空心預制樁，樁身混凝土C30，樁端進入⑥-2層(砂礫石混粘性土)持力層500mm，要求單樁承載力標準值800kN。由于在樁基的施工過程中，樁沉至③-1層(砂礫石混粘性土，厚度0.5～3.4m )時出現(xiàn)不能穿透到達原設(shè)計的⑥-2層，故工程建設(shè)單位邀請國內(nèi)另一家建筑設(shè)計研究院的有關(guān)專家在對地質(zhì)資料分析基礎(chǔ)上，提出工程樁基的修改和處理辦法：樁持力層為③-1層(砂礫石混粘性土)，主樓基礎(chǔ)改為樁筏基礎(chǔ)(樁距1800mm×1800mm)，要求單樁承載力標準值600kN (后經(jīng)靜載試驗已達到要求)。
建設(shè)單位考慮到基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)要統(tǒng)一及便于現(xiàn)場施工服務，決定由本院統(tǒng)一進行設(shè)計計算 ，繪制施工圖。根據(jù)原上部結(jié)構(gòu)布置與另一家建筑設(shè)計院提供的樁位圖，經(jīng)本院的計算分析 ，結(jié)果是：持力層下臥層(⑤層淤泥質(zhì)粘土)的強度仍然不夠。
2 工程地質(zhì)及場地
地基土分布及工程特征為：場地地形平坦，地貌類型屬河海相沖積-淤積平原。根據(jù)勘察揭露情況，將地基土劃分為：
①層表部粘土：全場分布，直接出露地表，厚0.90～1.10m。 飽和，軟～可塑狀，高中壓縮性。上部0.3m為耕植土。屬地表氧化殼，分布穩(wěn)定，具有一 定力學強度，但厚度小，經(jīng)回填嚴實處理后可作為一般低層建筑物的天然淺基礎(chǔ)支承持力層 ，其fk＝70kPa,Es＝3.5MPa,qs＝13.0kPa。
②-1層淤泥：全場分布，厚22.00～22.10，飽和，流塑狀，高壓縮性，高靈敏度，其 fk＝40kPa,Es＝1.00MPa,qs＝5.0kPa；②-2層淤泥質(zhì)粘土：全場分布，厚4.70～5.80m ，流～軟塑狀，高壓縮性，局部為軟粘土，其fk＝70kPa,Es＝3.00MPa,qs＝10.0kPa。該兩土層為低抗剪強度軟弱土層，力學強度很差，是受荷后的主要壓縮層，僅可作為樁周摩擦層使用。
③-1層粘性土混砂礫石：厚0.50～3.40m，飽和，稍密，低壓縮性，其fk＝200kPa, qs＝24.0kPa，qp＝1300kPa； ③-a層粉質(zhì)粘土或粘性土混砂：為不良軟弱夾層，呈透鏡體狀不穩(wěn)定分布，厚0.50～1.10m。飽和，軟塑狀，高壓縮性。往下漸變?yōu)檎承酝粱熘屑毶?，其fk＝80kPa,Es＝2.7MPa, qs＝140kPa，qp＝500kPa；③-2 層砂礫石混粘性土：厚1.00～ 4.20m，飽和，稍密，低壓縮性，其fk＝250kPa,qs＝35.0kPa，qp＝2000kPa。③-1和③-2 層，兩者呈漸變過渡關(guān)系，力學強度較好，但礫、卵石含量變化大，力學強度均一性差，而且有不穩(wěn)定分布的③-a軟弱夾層存在，大幅度降低了③層的總體力學強度，不是理想的樁尖持力層。如果作為相對持力層，樁端承載力標準值要適當降低使用，同時須對下臥軟弱層進行強度和沉降驗算。
④層粘土：厚0.8m，飽和，軟塑～可塑狀，高中壓縮性。不穩(wěn)定分布，厚度小，力學強度一 般，不宜作為樁尖持力層，其fk＝100kPa,Es＝3.20MPa,qs＝20.0kPa，Qp＝700kPa。
⑤層淤泥質(zhì)粘土：全場分布，厚3.10～4.0m，飽和，軟塑性，高壓縮性，底部有不穩(wěn)定分 布的可塑狀粘土。低抗剪強度軟弱土層，力學強度較差，一般宜作為樁周摩擦層使用，
其fk＝75kPa,Es＝2.8MPa,qs＝12.0kPa，qp＝400kPa。
⑥-1層粘性土混砂礫石：厚1.80m，飽和，稍密，低壓縮性，力學強度好，其fk＝210kPa,qs＝26 .0kPa，qp＝1400kPa。⑥-2層砂礫石混粘性土：厚2.30～ 3.70m，飽和，稍密～中密，低壓縮性，力學強度較好，其fk＝250kPa,qs＝35.0kPa，qp＝2000kPa。該兩土層合并可作為擬建建筑物的樁尖持力層，但總厚僅2.70～3.70m，當選作樁尖持力層時要注意其厚度較小的特征。
⑦-1層粘性土含砂礫石：厚1.1～1.4m，飽和，高壓縮性，礫卵石含量較少，力學強度較差，僅作為樁周摩擦層使用，其fk＝100k Pa,Es＝4.0,qs＝18.0kPa ，qp＝800kPa；⑦-2層粘性土混砂礫石：厚0.50～1.60m， 飽和，礫卵石、砂含量較高，力學強度較好，但厚度小，分布不穩(wěn)定，不宜作為樁端持力層，其fk＝210kPa,qs＝26.0，qp＝1400kPa。
⑧層粘土：控制厚度1.10～3.50m，未穿，控制深度40.5～44.5m，飽和，軟塑狀，高中壓縮性，力學強度不均一，承載能力較低，為相對較弱下臥層，局部含礫砂，其fk＝90kPa,Es＝3.0MPa,qs＝18kPa，qp＝800kPa。
場內(nèi)地下水主要為孔隙水，屬潛水類型，受季節(jié)大氣降水和人工排水等因素影響而變化，一 般地下水位在自然地面下0.3～0.9m。
本場地未進行巖土波速測試，地基土上部為巨厚的高壓縮性、高靈敏度淤積軟土，對地震波 有放大作用，其抗震性能差。該場地為軟弱場地土，建筑場地類別為Ⅳ類。按全國地震帶劃分，樂清市位于東南沿海 地震帶東北段，為少震、弱震區(qū)，遠程地震波的波及影響是本地區(qū)的主要震害特征，基本地震烈度6度。擬建為一類高層，其建筑抗震設(shè)計應按現(xiàn)行《建筑抗震設(shè) 計規(guī)范(GBJ 11-89)》有關(guān)規(guī)定進行。
3 設(shè)計理論及方法
針對以上工程條件和現(xiàn)狀，采取了四種措施，以滿足建筑物的沉降變形和下臥層強度要求。
3.1 應用沉降變形控制設(shè)計理論
先將樁一承臺基礎(chǔ)改為樁筏基礎(chǔ)，充分發(fā)揮筏板和地基間、樁間土的承載能力。按沉降變形控制設(shè)計的樁基礎(chǔ)(也稱減少沉降樁基礎(chǔ)、沉降控制復合樁基或疏樁基礎(chǔ)，國外叫Creeppile，F(xiàn)riction piled foundation，Piled raft foundation等)是按控制地基沉降的原則設(shè)計的樁基礎(chǔ)，也即在設(shè)計時由基礎(chǔ)的沉降控制值來確定樁數(shù)和樁長。樁在基礎(chǔ)中除承擔部分荷載外主要起減少和控制沉降的作用，樁可視為減少沉降的措施，或作為減少沉降的構(gòu)件來使用。它是現(xiàn)代樁土相互作用理論研究的重要成果之一。在實際工程中采用樁基礎(chǔ)的原因主要有兩個：一是因為地基承載力不夠，需要采用樁將上部結(jié)構(gòu)荷載傳到深層土或支撐于堅硬持力層，二是因為地土將會發(fā)生較大的沉降變形，需要采用樁來減少沉降。因此，合理和恰當?shù)臉痘A(chǔ)設(shè)計應根據(jù)采用樁基的目的不同而分三種不同的情況處理：?所有荷載由樁承擔;?樁和筏板基礎(chǔ)分擔上部結(jié)構(gòu)荷載，樁既承擔荷載，同時也起到減少沉降變形的作用：?樁用于減少或控制沉降，基礎(chǔ)的承載力主要由基礎(chǔ)板(梁)承擔。目前的樁基礎(chǔ)設(shè)計理論都是建立在滿足承載力的基礎(chǔ)上，也即在樁基礎(chǔ)設(shè)計時均按上述第一種情況處理，完全由上部結(jié)構(gòu)荷載來確定樁數(shù)和樁長。顯然，對于沉降過大而采用樁基礎(chǔ)的情況來說，這種傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)設(shè)計方法是過于保守的并且在設(shè)計目的上也不明確。以沉降控制的基礎(chǔ)設(shè)計方法，目前主要應用于層數(shù)小于8層的多層建筑，且多使用直徑小于25cm的預制鋼筋混凝士微型樁。文獻［2］對某10層辦公樓樁筏基礎(chǔ)按變形控制設(shè)計理論，成功地將原設(shè)計的110根650鉆孔灌注樁減少到76根。在國外，1986年，此理論已應用于11層的建筑物樁基礎(chǔ)設(shè)計中，但尚未見樁箱(筏)基礎(chǔ)與地基共同作用應用于超過18層的高層建筑樁箱(筏)基礎(chǔ)的報道。文獻［3］提出：高層建筑樁筏基礎(chǔ)按變形控制設(shè)計理論的核心是認為高層建筑樁箱(筏)基礎(chǔ)能否正常安全工作，主要是讓建筑物的實際沉降量小于允許沉降量。對樁的承載能力沒有很嚴格的要求，只要單樁荷載小于單樁極限承載力即可，并對24層的高層住宅作了加層的嘗試，獲得成功〔1〕。
采用樁、筏共同作用的優(yōu)點是：充分利用和發(fā)揮了樁對控制基礎(chǔ)沉降的能力，并使筏板底地基也充分發(fā)揮承載能力，大大降低了工程造價。本工程運用了文獻［3］提出的計算公式：F＋G≤γd(nPu＋Afu)
式中F—作用于樁基承臺頂面的豎向荷載設(shè)計值；
G—樁基承臺和承臺上土自重設(shè)計值；
Pu—單樁極限承載力;
γd—綜合承載力系數(shù)，一般取0.5～0.6;
A—承臺基礎(chǔ)面積；
fu—基底土的極限承載力。
3.2 措施
(1)通過將樁-承臺基礎(chǔ)改為樁筏基礎(chǔ)和運用沉降變形控制理論設(shè)計方法，使γd(nPu＋Afu)項比原來的設(shè)計(所有荷載由樁承擔)值增大，充分發(fā)揮單樁和地基土的極限承載力。
(2)減少F:采用減輕上部結(jié)構(gòu)重量方法,將框剪結(jié)構(gòu)改為框架結(jié)構(gòu)，將部分磚墻改為輕質(zhì)隔墻。
(3)減少G:采用增加一層地下室，減少土體自重，增大地下水浮托力的辦法，減少基底的壓應力。這是本工程樁基設(shè)計中的重要一個環(huán)節(jié)，也是本文的創(chuàng)新點。為安全起見，G的減少量僅
取0.8倍地下室有效土體重。
經(jīng)過以上(1)、(2)和(3)三項措施處理后，經(jīng)驗算房屋的整體沉降、局部沉降及樁端下軟弱下臥層的強度均可滿足要求。
(4)運用實時調(diào)控的方法和技術(shù)進行半逆作法施工,
為了防止出現(xiàn)不均勻沉降或整體沉降量過大，本工程還采用了預留的安全措施,即后補預制樁技術(shù)，使地基、樁筏和由于計算模型、計算方法及各種參數(shù)的不確定性因素也得到解決和檢驗，具有實時檢驗和控制作用。在建筑物的四角和對沉降控制敏感的區(qū)域，巧妙合理地預設(shè)倒錐形孔位，為將來需要時補壓預制樁，預先作好考慮和準備，做到萬無一失。
4 展望
本文介紹的設(shè)計方法，雖屬于為了工程處理目的，但經(jīng)過進一步深入研究和實踐考驗，相信可以推廣應用。目前該工程已進入基礎(chǔ)開挖階段。
但由于某些計算理論的不成熟和缺乏實際工程的實踐經(jīng)驗，為了較詳細地了解其真實受力、變形過程，與設(shè)計計算值比較，并為研究同類問題提供借鑒和經(jīng)驗，在施工和使用的規(guī)定時期內(nèi)除了常規(guī)的檢測外，有意識地設(shè)置了部分儀器和測點，進行沉降觀察和壓力測試。最后的結(jié)果要等到大樓結(jié)頂和投入使用一段時期后才能得到和驗證。
通過這一工程的設(shè)計和處理，雖然運用了目前先進的變形控制理論和實時調(diào)控方法，但要推廣使用，仍有許多問題值得研究。如增加一層地下室，雖可減輕一層土體重量，但對基坑開挖和支護增加了難度和費用;對18層建筑，將原框剪結(jié)構(gòu)改為框架結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和側(cè)向變形較難處理：對較高地震設(shè)防區(qū)，在地震發(fā)生時是否會引起不均勻沉降和傾斜甚至倒塌(即如何考慮地震效應);另外，如果在建筑物鄰近處挖深坑，到底會產(chǎn)生多大的影響等等，歡迎大家共同探討。