樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與成本控制
摘要：隨著高層建筑的發(fā)展，建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法越來(lái)越多，目前由于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是一種粗放的設(shè)計(jì)，對(duì)樁筏基礎(chǔ)的理論及方法不十分完善。規(guī)范要求樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均要滿足樁基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)的要求，現(xiàn)就在設(shè)計(jì)過(guò)程中如何做好樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與成本控制與大家進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 成本控制
在目前的設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多設(shè)計(jì)人員由于對(duì)樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)缺少經(jīng)驗(yàn)，或?qū)痘A(chǔ)規(guī)范運(yùn)用不靈活，不能根據(jù)地質(zhì)條件對(duì)樁筏基礎(chǔ)共同工作進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，而僅采用樁基受力形式忽略土的共同作用，造成不必要的項(xiàng)目成本增加（主要是基礎(chǔ)成本）。
一、當(dāng)今現(xiàn)狀設(shè)計(jì)的方法
1、設(shè)計(jì)人員對(duì)樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概念理解不清，不能靈活應(yīng)用規(guī)范，如對(duì)有地下水或地下水高的樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)均采用不考慮地基土對(duì)筏板的作用，全部采用樁承擔(dān)上部荷載。
2、在常規(guī)設(shè)計(jì)方法時(shí)把上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)作為兩個(gè)獨(dú)立單元分別考慮，在上部荷載作用下求得上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力和基礎(chǔ)反力，然后把反力作用在彈性地基的基礎(chǔ)上計(jì)算基礎(chǔ)的內(nèi)力，這種設(shè)計(jì)方法沒(méi)有考慮上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的共同作用。沒(méi)有考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)的作用，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)于偏于保守。
3、有的由于計(jì)算不當(dāng)而使用了厚筏。高層建筑設(shè)計(jì)中,采用樁筏基礎(chǔ)時(shí),對(duì)于筏板厚度的采用往往爭(zhēng)議較大。有采用很厚的,有采用較薄的;有的規(guī)程甚至提出,應(yīng)當(dāng)使每層建筑不小于多少厚度的。對(duì)于筏板厚度的確定,傳統(tǒng)上是憑經(jīng)驗(yàn)假定,然后再進(jìn)行沖剪驗(yàn)算。這實(shí)際上說(shuō)明目前在筏板厚度確定的問(wèn)題上,并沒(méi)有什么方法。由此難免造成當(dāng)前在高層建筑中的筏厚不少超過(guò)1.5m的,個(gè)別的厚度竟達(dá)4m 的不合理現(xiàn)象。所以筏板減薄問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)如何確定筏板厚度的問(wèn)題,而不只是一個(gè)單純的減薄問(wèn)題。在樁筏筏厚的確定上,郭宏磊等采用了一新的方法,即先在正常使用極限狀態(tài)下,考慮筏板的抗裂性與差異沉降來(lái)定出一筏厚值,然后再在承載能力極限狀態(tài)下,考慮沖切能力加以驗(yàn)算,如果發(fā)現(xiàn)板厚過(guò)小,此時(shí)再加厚也為時(shí)不晚,由于先走一步的原因,到了后面也有承載能力極限狀態(tài)的保證。此外,這樣做還有一個(gè)好處,即筏厚一定,筏板尺寸就一定,那么,有關(guān)樁筏筏板的設(shè)計(jì)后半部就只剩下筏板的配筋問(wèn)題了
二、高層建筑筏基與地基共同作用的分析
1、從對(duì)2008年《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》閱讀理解，有無(wú)地下水對(duì)樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是否考慮樁土共同作用影響不大。
2、高層建筑樁筏基礎(chǔ)的工作性質(zhì)，對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)(s/d=3~4情況)是基本上接近于在彈性地基上剛性基礎(chǔ)的工作性質(zhì)。由于上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)是一個(gè)整體, 合理的樁筏箱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)在分析上部結(jié)構(gòu)、樁筏箱基礎(chǔ)、土體共同作用的基礎(chǔ)上, 優(yōu)化樁筏設(shè)計(jì)。根據(jù)優(yōu)化理論，樁筏箱基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為一‘設(shè)計(jì)變量群樁的每根樁長(zhǎng)、底板厚度、底板內(nèi)各種配筋量,目標(biāo)函數(shù)、樁筏箱基礎(chǔ)的造價(jià)最小’約束條件對(duì)于筏箱基底板有底板抗拉強(qiáng)度約束底板局部彎強(qiáng)度約束最小尺寸約束，最小配筋率限制，一底板構(gòu)造配筋限制底板抗剪強(qiáng)度約束底板抗沖切強(qiáng)度約束。對(duì)于群樁有樁長(zhǎng)約束群樁沉降量限制, 群樁差異沉降量限制，單樁安全系數(shù)限制，群樁荷載限制。
3、樁的存在對(duì)減少樁筏基礎(chǔ)的沉降有明顯的效果，并使建筑物的整體橫向傾斜大大改善，使建筑物均勻沉降。樁長(zhǎng)在達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，即l/d≥70-100時(shí)，再加樁長(zhǎng)對(duì)減小沉降不明顯，在增加樁長(zhǎng)時(shí)應(yīng)考慮各種因素影響。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者也對(duì)高層建設(shè)樁筏基礎(chǔ)中的樁數(shù)與沉降的關(guān)系作過(guò)探討。董建國(guó)等給出了某工程短樁樁基沉降s與樁數(shù)n的關(guān)系式：s =356.46-0. 00542n，從式中可看出，樁數(shù)增減10 %，則沉降減增在1%以內(nèi)，對(duì)于長(zhǎng)樁約為3%。即樁筏基礎(chǔ)沉降是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，它為以減少沉降為目的的減沉樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理論依據(jù)。研究表明：(1)樁數(shù)減少，樁—土體剛度相應(yīng)下降，因此，樁筏基礎(chǔ)的沉降隨樁間距的增大而增大。但樁間距在10 倍樁徑以內(nèi)時(shí)，樁筏基礎(chǔ)的沉降只隨樁間距的增大而稍有增大。(2) 當(dāng)樁的長(zhǎng)細(xì)比l/d =100，筏的相對(duì)剛度kr=10時(shí),樁的相對(duì)剛度kp=103時(shí)，當(dāng)樁數(shù)減少到間距為4倍樁徑時(shí)，角樁的樁頂反力(pc)是內(nèi)中樁樁頂反力(pi)的3倍左右；當(dāng)樁數(shù)減少到間距為6.67倍樁徑時(shí)，pc約為pi的1.5倍；當(dāng)間距增大到10倍樁徑時(shí)，pc與pi基本相同。由上可知，目前一般樁筏基礎(chǔ)中減少樁數(shù)大有潛力可挖。
4、高層建筑樁筏基礎(chǔ)在常規(guī)設(shè)計(jì)條件下，樁間土仍承擔(dān)上部荷載，樁間土地基反力略呈馬鞍形，在建筑物完工時(shí)可分但小于上部總荷載的26%，為充分發(fā)揮筏板底樁間土的承載力，適當(dāng)增加樁的間距是合適的。
5、鉆孔灌注樁在施工過(guò)程中沒(méi)有超孔隙水壓力產(chǎn)生，在上部荷載作用下，樁和樁間土承擔(dān)上部荷載，且在建筑物使用過(guò)程中，樁和樁間土承但上部荷載比例保持不變。
6、從以往工程實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看筏板鋼筋實(shí)測(cè)應(yīng)力比鋼筋實(shí)際應(yīng)力小得多，我國(guó)實(shí)測(cè)筏板鋼筋應(yīng)力一般為20-30n/mm2之間，只有鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1/10，考慮上部結(jié)構(gòu)剛度與基礎(chǔ)參與共同形成拱的作用，減小了底板的撓曲和內(nèi)力。由于筏板砼澆筑后，砼收縮產(chǎn)生一定預(yù)壓應(yīng)力，使得筏板鋼筋上下都都處于受壓狀態(tài)，隨著上部結(jié)構(gòu)的施工，結(jié)構(gòu)整體剛度不斷增大，鋼筋的預(yù)壓應(yīng)力逐漸減小變?yōu)槔?，使得筏板鋼筋全部受拉，筏板整體彎曲逐漸變大中和軸開(kāi)始上移。當(dāng)結(jié)構(gòu)施工至4-5層時(shí)基礎(chǔ)內(nèi)力達(dá)到最大值，再隨著主體結(jié)構(gòu)上升拱的形成，基礎(chǔ)內(nèi)力開(kāi)始變小彎曲中和軸開(kāi)始移至上部結(jié)構(gòu)。從相關(guān)以前的實(shí)測(cè)表明高層筏板基礎(chǔ)的彎曲內(nèi)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)力，特別是當(dāng)上部為剪力墻結(jié)構(gòu)的筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮局部彎曲而進(jìn)行計(jì)算配筋，足以承受整體彎曲引起的應(yīng)力，只是要驗(yàn)算剪切應(yīng)力。建議在筏板設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮這點(diǎn)。
三、高層建筑筏基與地基共同作用的設(shè)計(jì)建議
1、適當(dāng)加大樁間距，減少樁數(shù)，充分發(fā)揮筏板底的地基承載力是可行的。高層剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算基礎(chǔ)底板時(shí)只計(jì)局部彎矩，用26%的總荷載或地下水浮力作為地基反力來(lái)設(shè)計(jì)底板（參考巖土工程學(xué)報(bào)《筏式和箱式承臺(tái)彎矩的計(jì)算》1992（4））。
2、樁沿剪力墻軸線或柱與樁布置，較之樁滿堂布置可大大減小筏板厚度。
3、施工條件不同，樁承筏承擔(dān)荷載比例不同，如灌注樁情況下的筏板比預(yù)制樁可分擔(dān)更大的荷載。高層建筑樁筏基礎(chǔ)在滿足建筑荷載條件下，增減10%的樁數(shù)對(duì)基礎(chǔ)的沉降影響甚微。
4、《地基規(guī)范》第8.4.10條、《箱筏規(guī)范》第5.3.9條、《混凝土高規(guī)》第12.2.3條規(guī)定，當(dāng)?shù)鼗帘容^均勻上部結(jié)構(gòu)剛度較好，梁式筏基梁的高跨比或平板式筏基厚跨比不小于1/6，且相鄰柱荷載及柱間距的變化不超過(guò)20%時(shí)，筏形基礎(chǔ)可僅考慮局部彎曲影響。
5、基底總荷載不超過(guò)樁基承載力與樁間土允許分擔(dān)荷載的總和，地基變形小于建筑物允許變形，滿足水平荷載作用下建筑物的變形。
6、高層建筑沉降理論分析和沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明,目前一般樁筏基礎(chǔ)中減少樁數(shù)大有潛力可挖,樁數(shù)可以減少,而且應(yīng)該減少。一般可減少10%～15%。
四、成本核算與控制
以無(wú)錫某住宅小區(qū)工程為例，該單棟工程高93m、31層，剪力墻結(jié)構(gòu)，每層建筑面積約為450平米，樁筏基礎(chǔ)，筏板下地基承載力220kpa土層厚約為3-5m，筏板下1.8m位置為常年地下水位，一期6棟，二期13棟。因該工程地下水位較高，設(shè)計(jì)人員在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮樁土共同作用（設(shè)計(jì)人員認(rèn)為地下水位高，以前本地基本上都沒(méi)有考慮地基土對(duì)筏板的作用）造成筏板設(shè)計(jì)1.4-1.5m厚，筏板鋼筋采用ф25@150，樁為φ700mm長(zhǎng)50m，數(shù)量89根，施工過(guò)程中沉降觀測(cè)在主體完工后為25-30mm?？紤]進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在二期基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)考慮將筏板重量由樁間土來(lái)承擔(dān)，減小樁對(duì)上部承擔(dān)荷載約為25%，樁數(shù)量減少到81根，一棟樓就樁基成本可節(jié)約14萬(wàn)，二期此項(xiàng)共可節(jié)約182萬(wàn)。