結構工程師筏板基礎設計分析

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1        筏板基礎埋深及承載力的確定
天然筏板基礎屬于補償性基礎, 因此地基的確定有兩種方法. 一是地基承載力設計值的直接確定法. 它是根據(jù)地基承載力標準值按照有關規(guī)范通過深度和寬度的修正得到承載力設計值, 并采用原位試驗(如標慣試驗、壓板試驗等) 與室內(nèi)土工試驗相結合的綜合判斷法來確定巖土的特性. 二是按照補償性基礎分析地基承載力. 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180kpa, 約相當于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?shù)鼗休d力標準值f ≥ 250kpa 時就能滿足設計要求, 如果筏基底板適當向外挑出, 則有更大的可靠度.
2        天然筏板基礎的變形計算
地基的驗算應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, 計算結果誤差較大, 往往使工程設計人員難以把握, 有時由于計算沉降量偏大, 導致原來可以采用天然地基的高層建筑, 不適當?shù)夭捎昧藰痘A, 使基礎設計過于保守, 造價提高, 造成浪費.采用各向同性均質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.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.因此設計中可選取“板式筏基+ 獨立柱基”相結合的基礎形式, 即中部(電梯井等剪力墻集中處) 用筏基, 四周柱基礎采用獨立基礎或聯(lián)合基礎. 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, 減低了板中鋼筋應力, 減少筏基的配筋量. 為協(xié)調各部分的變形, 使其趨于一致, 還可通過變形驗算調整獨立柱基的面積.既滿足結構使用要求, 又達到相當可觀的經(jīng)濟效益.在基礎選型設計中, 應結合工程的具體情況, 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 種不同基礎形式, 后者較前者節(jié)省約30%～ 40% 的費用, 經(jīng)濟效益顯著.當由于地層分布不均勻、上部結構荷載在筏板基礎上分布不均勻而引起筏板基礎各部分的差異沉降較大時, 可綜合考慮采用以下處理措施:
(1)        將出露地質較差的土層挖出一部分, 換填低強度等級的素混凝土形成素混凝土厚墊塊, 以改變和調整地基的不均勻變形. 也可以采用“換填法”, 墊層采用碎石、卵石等材料, 經(jīng)碾壓或振密處理, 提高基礎的承載能力；
(2)        調整上部結構荷載或柱網(wǎng)間距, 減小基底壓力差；
(3)        調整筏板基礎形狀和面積, 適當設置懸臂板, 均衡和降低基底壓力；
(4)        加強底板的剛度和強度, 在大跨度柱間設置加強板帶或暗梁等。
3        筏板基礎的結構設計筏板基礎的主要結構形式有平板式筏基和肋梁式筏基, 包括等厚度或變厚度底板和縱橫向肋梁. 一般情況下宜將基礎肋梁置于底板上面, 如果地基不均勻或有使用要求時, 可將肋梁置于板下, 框架柱位于肋梁交點處. 在具體筏基設計時應著重考慮如下問題:
(1)        應盡量使上部結構的荷載合力重心與筏基形心相重合, 從而確定底板的形狀和尺寸.當需要將底板設計成懸挑板時, 要綜合考慮上述多方面因素以減小基礎端部基底反力過大而對基礎彎距的影響；
(2)        底板厚度由抗沖切和抗剪強度驗算確定. 柱網(wǎng)間距較大時可在柱間設置加強板帶(暗梁加配箍筋) 來提高抗沖切強度以減少板厚, 也可采用后張預應力鋼筋法來減少混凝土用量和造價. 決定板厚的關鍵因素是沖切, 應對筏基進行詳細的沖切驗算；
(3)        無肋梁筏板基礎的配筋可近似按無梁樓蓋設柱上板帶和跨中板帶(倒樓蓋法) 的計算方法進行, 精確計算可用有限元法;對肋梁式筏基, 當肋梁高度比板厚大得較多時, 可分別計算底板和肋梁的配筋, 即底板以肋梁為固定支座按雙向板計算跨中和支座彎矩, 并適當調整板跨中和支座的配筋；
(4)        構造配筋要求: 筏板受力筋應滿足規(guī)范中0. 15%的配筋率要求, 懸挑板角處應設置放射狀附加鋼筋等. 設計人員往往配置受力鋼筋有余, 構造鋼筋卻配置不足。
4        筏板基礎抗浮錨桿的設置
不少設計人員擔心地下水位對底板的浮托力而設置抗拔錨桿, 在這里作如下分析和討論：
(1)        施工過程中浮托力的產(chǎn)生是由于基坑內(nèi)積水(雨水和施工用水或地下水滲透) 所致;浮托力的大小與地下室的體積和基坑內(nèi)積水高度有關. 因此, 只要能在地下室施工過程中有序排水或限制水位, 在基礎底板底以下就不會產(chǎn)生浮托力；
(2)        地下室上浮是因為地下室結構及上部結構的荷載重量不足以克服地下水的浮力, 當筏板基礎底板上的結構重量大于實際上浮力后, 整個基礎結構就能穩(wěn)定. 因此在地下室和地面上相應有限幾層的結構完成后, 就可以克服地下水的上浮力, 不需要在整個施工過程中對水位保持警惕；
(3)        在計算地下水的浮托力時因注意: 筏基底板所承受的浮托壓力只是底板與地基巖土的縫隙水壓力、孔隙水壓力, 板承受的浮托力與地基巖土的縫隙發(fā)育程度、孔隙率有關, 其實際壓力強度小于靜水壓強. 其次, 底板的水承壓面積并非全部. 由于底板與地基巖土已粘結成整體,因而能提供一定的粘結(抗拔) 力. 有關試驗資料認為有效粘結面積占底板面積最小比率為K = 50% , 而粘結強度最低為250kpa (相當于毛石砌體與M 10 沙漿間的抗拉力). K 值是一重要因素, 應通過試驗確定.浮托力的估算: 當K = 50%～ 100% 時,如地下水位為- 2. 0m 的10m 深地下2 層的基坑, 當?shù)装搴穸? 600mm , 頂板單位荷重為1 600kg, 則單位面積的浮托力T 和地下室結構重量W 分別為:T = 80×(50%～ 100% )= 40. 0 kpa～ 80. 0kpaW = 1. 6×25+ 16×2= 72. 0kpa從以上分析和討論可見, 即使按K = 1 計算使浮托力T 最大, T 與W 的差值也只有8. 0kpa, 待地面上再施工1～ 2 層后, 就能保持整體平衡, 因此只要在地下室施工過程中能保持基坑干燥, 基礎和地下室結構及地上2 層結構施工完成后, 就可放棄對地下水位的監(jiān)測, 從施工過程來看是無需設置抗浮錨桿的.對于一些地下室較大、較深而地面以上結構層數(shù)不多的建筑, 則應根據(jù)上述總體平衡的原則計算確定抗浮錨桿. 對于地下室面積較大而主體塔樓面積較小的建筑, 應驗算裙房部位的浮托力能否與結構自重相平衡, 否則也應設置抗浮錨桿.在底板配筋設計時應注意到由于水的浮托力使底板產(chǎn)生的彎矩, 當板下不設置抗浮錨桿時應全面考慮浮托力產(chǎn)生的彎矩, 當?shù)装逶O置抗浮錨桿后則可適量減少底板的配筋量.5　裙房基礎的設計由于裙房的單柱荷載與高層主樓相比要小的多, 因此無需采用厚筏基礎, 采用薄板配柱下獨立擴展基礎即可. 這里需要強調的是, 裙樓獨立柱基的沉降與主樓筏板基礎的沉降要相協(xié)調, 即控制沉降差在允許值范圍內(nèi). 應根據(jù)公式計算主樓沉降量S , 再按各柱的荷載N 值和S值反算出各獨立柱基礎的面積A (尚應驗選地基承載力).
高層建筑基礎選型是整個結構設計中的一個重要組成部分, 直接關系到工程造價、施工難度和工期, 因此應認真研究場地巖土性質和上部結構特點, 通過綜合技術經(jīng)濟比較確定.高層建筑的基礎選型應因地制宜, 除基礎應滿足現(xiàn)行規(guī)范允許的沉降量和沉降差的限值外, 整體結構應符合規(guī)范對強度、剛度和延性的要求, 選用樁基或筏基都不是絕對的, 而安全可靠、經(jīng)濟合理才是基礎選型的標準