地基基础概念设计探析

摘要：本文首先介绍了概念设计的一般性原则，然后对地基沉降变形碟形分布机理进行了分析，最后提出了控制差异沉降的概念设计。

关键词：基础；概念设计；沉降

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1、概念设计的一般性原则

1.1 基础概念设计遵循原则

基础的工程造价大概占了总工程造价的20%～30%,因此对基础的设计工作必须要给予重视。在进行基础设计时,必须要遵循一定的概念设计原则,如基础参数的设计要依据勘测所得的地质资料来确定,基础样式的选择要根据上部主体的结构形式、荷载以及对周围环境的影响来确定。从经济的角度来考虑的话,基础应放置在承载力较强的持力土层上,以发挥地基的潜力。若在地质未知的场地上进行基础设计时,则应参照当地或类似地质的基础设计来确定方案。

1.2 主体概念设计遵循原则

建筑主体结构在进行概念设计时,首先要满足建筑的使用功能,其次要满足结构的安全性及经济适应性,作为一个结构设计人员,首先要明确结构体系的受力特点,并在此基础之上,对主体结构进行科学合理的优化,使之受力明确、传力简单,在优化设计过程中要始终遵照“强柱弱梁,强剪弱弯,强压弱拉”等理念,并使主体结构符合建筑方案平面及竖向规则,最后再综合考虑材料、环境及施工等条件,确定出主体结构的最优设计方案,在得到计算机的计算结果之后,要结合实际进行分析,慎重校核,找出结构薄弱部分,适当采用合理的技术措施对计算结果进行修正,以保证结构更安全、合理。

1.3结构延性设计原则

结构延性一般用延性系数表示,它表示的是结构极限变形与屈服变形的比值,该比值越大,结构的延性越好,如果组成整体结构的各个构件均具有较好的延性,那么整体结构的延性也较好。

1.3.1在设计中为提高钢筋混凝土梁的延性,采用的措施:①应选取合适的钢筋混凝土梁截面尺寸,以获得适宜的钢筋配筋率,避免梁受拉钢筋过多或出现超筋,造成梁受压区混凝土先被压碎或剪切破坏。②梁的上部(跨中)和下部(支座处)配置适量的受压钢筋对梁的延性有益。③提高混凝土梁的强度等级,采用中低级强度钢筋对延性有利。④T形截面梁比矩形截面梁的延性好。⑤加密箍筋可以改善梁的延性。

1.3.2在设计中为提高钢筋混凝土柱的延性,采用的措施:①控制钢筋混凝土柱的轴压比,当其轴压比小于0·4时,即可认为是延性柱了。②设计中应尽量避免短柱,当柱净高与截面长边尺寸之比大于4时,即可认为是长柱。③柱的延性与受荷偏心大小有关,大偏心受压柱的延性优于小偏心受压柱和中心受压柱。④加密柱的箍筋,采用复合箍筋对改善柱的延性有好处。⑤提高混凝土强度等级和采用双向纵向配筋,对改善柱的延性有好处。

1.3.3在设计中为提高钢筋混凝土剪力墙结构延性,采用的措施:①控制剪力墙的高宽比,使其大于2。②设计中尽量采用有边缘构件的剪力墙,且边缘构件的受力筋要有很好的锚固,在无边缘构件的剪力墙中应设置暗梁,暗柱。③尽量采用联肢墙,它可以大大提高剪力墙的延性。④当剪力墙很宽时,可人为地在剪力墙中有规划地开些洞,然后再填砌,可大大改善剪力墙的抗震性能。

2.地基沉降变形碟形分布机理

据相关材料证实,地基沉降变形多呈现碟形, 中间大, 边缘小。即使桩基支承在风化的岩基上, 地基沉降变形也呈现这一规律, 只是不那么显著而已。地基沉降变形呈现碟形分布缘于地基岩土的性质、分布, 地基中的应力传递机制和分布等, 当然也于荷载分布、基础和上部结构的刚度有关。下面的讨论是基于地基岩土和上部荷载分布均匀的前提下进行的。

2.1 基础刚度效应

高层建筑基础首先要有一个比较大的刚度。基础刚度的大小由基础型式和基础底板的厚度来体现, 比如采用整体刚度大的箱形基础, 筏板基础厚度按建筑层数每层约 70mm 确定, 其目的就是均化地基沉降, 减轻建筑物因地基不均匀沉降引起的危害。基础刚度越大, 地基不均匀沉降就越小, 但基础造价越高。基础刚度多大合适, 应依据经济、技术方案比较确定。基础底板厚度除应考虑地基变形要求外, 还应考虑抗冲切和抗弯要求。基础底板设计计算即要进行局部分析, 又要进行整体分析。局部分析时, 其最不利荷载状态和作用荷载取值有待于进一步研究。

2.2 上部结构的刚度效应

随着上部结构施工的进展, 结构层数越来越多, 上部结构的整体刚度逐渐形成, 并越来越大, 桩间土反力增长率, 桩顶反力增长率, 角部、边缘和中部桩顶反力比以及地基边缘和中部沉降比也随之变化。地基碟形沉降使基础和上部结构产生较大的次应力, 甚至导致基础底板断裂。如昆明某大厦, 桩筏基础, 梁板式筏形承台, 工程建至 12层时, 基础底板出现局部开裂、渗漏; 结构封顶时, 底板大面积开裂, 最终不得不对承台实施加固, 于梁侧加焊钢板、填充混凝土形成平板厚筏承台。

3.差异沉降控制的方式

3.1 加强上部结构的刚度

增加上部结构的刚度可以使基础最终沉降差减小。上部结构的刚度越大, 这种作用就越明显。但是由于上部结构的有限性, 随着层数的增加, 上部结构的刚度矩阵各分量几乎不再增加, 趋于常数, 因此对于基础底板不是绝对刚性的基础而言, 由于群桩效应, 必然使得中心桩的沉降大于边桩和角桩的沉降值, 也就是说存在差异沉降。再加上受使用功能的约束, 该方法是难以实现的。

3.2 加大基础底板厚度和配筋量以增大桩基承台的整体强度和刚度

增加基础板厚度, 其“跨越作用”加强, 使荷载向筏板边缘转移, 迫使基础沉降趋于均匀。但是厚度增加后, 虽然可以减小差异沉降和上部结构的次应力, 但基础变得很敏感, 微小的不均匀沉降将导致巨大的内力, 而且会使基础的造价大幅度提高。因此, 增加桩基承台板的厚度并不是一种很好地减小基础差异沉降的方法。

3.3 调整地基的刚度, 使其刚度分布规律与基底压力分布规律相吻合

调整复合地基刚度的方法主要是通过改变褥垫层的刚度、桩间土的模量、桩的设计参数、布桩方式等手段, 使复合地基的刚度分布与基底压力的分布相吻合, 从而减小不均匀沉降。良好的地基处理方案应该是通过调整地基在建筑物平面内的刚度分布, 在保证结构安全性和使用性的前提下, 充分发挥材料性能, 达到经济上的优化。复合地基刚度在平面上的分布原则是地基刚度大的区域与基础沉降大的区域相对应, 即在沉降大的地方布置长而粗的桩, 在沉降小的地方布置短而细的桩。以上述原则为指导, 人为调整地基刚度可以通过合理地增减复合地基的桩长、桩径和桩距来实现, 共有 8 种基本组合情况, 即: 变桩长; 变桩长变桩距; 变桩径; 变桩距; 变桩径变桩距;中心布桩; 变桩长变桩径; 变桩径变桩距变桩长。考虑到目前施工水平所限, 通过改变桩长、桩距来调整地基刚度分布的方法, 应是最佳的选择。

4.小结

文献[1]提出了变刚度调平概念设计, 其基本思路是通过调整地基或基桩的刚度分布, 使反力同荷载分布相协调, 沉降变形趋向均匀, 由此使基础所受冲切力, 剪力和整体弯矩减至最小; 具体作法是根据结构布局、荷载及地层条件, 实施局部增强变刚度调平、桩基变刚度调平、主裙连体变刚度调平, 并进行地基—基础—上部结构共同作用计算分析, 譬如: 对于框筒、框剪结构, 强化核心筒区的桩土刚度(调整桩长、桩径或桩距, 如图 1 所示), 相对弱化刚度; 对于主裙连体建筑, 强化主体, 弱化裙房(采用天然地基、复合地基和疏短桩基); 对于箱、筏基础, 局部强化核心筒区(采用桩基或刚性桩复合地基)。而文献[2]则根据桩顶反力分布的规律, 提出布桩的密度应从筏板中部向边缘部位和角部渐次加大。

图 1桩体布置形式

同一个问题, 两种完全迥异的观点。笔者认为应从实际出发, 具体问题具体分析, 在满足地基承载力、稳定性和变形的基本要求下, 尽量方便施工, 降低成本。更优的地基基础设计方案应该是即满足地基基础设计基本要求, 又经济合理、便于施工。地基基础设计要避免过分强调某一方面, 而忽视另一个方面, 要全面考虑。

参考文献：

[1] 刘金砺.高层建筑地基基础概念设计的思考[J].土木工程学报, 2 0 0 6, 39(6).

[2] 高立人, 方鄂华, 钱稼茹.高层建筑结构概念设计[M].中国计划出版社,2005.11.