筏板

　　簡介

　　筏板基礎(chǔ)：由底板、梁等整體組成。建筑物荷載較大，地基承載力較弱，常采用砼底板，承受建筑物荷載，形成筏基，其整體性好，能很好的抵抗建筑物不均勻沉降。

　　概述

　　建筑物采用何種基礎(chǔ)型式，與地基土類別及土層分布情況密切相關(guān)。工程設(shè)計中，常遇到這樣的地質(zhì)情況，地下室底板下的巖土層為風化殘積土層、全風化巖層、強風化巖層或中風化軟巖層，因此，有可能采用天然基礎(chǔ)。高層建筑地下室通常作為地下停車庫，建筑上不允許設(shè)置過多的內(nèi)墻，因而限制了箱型基礎(chǔ)的使用;筏板基礎(chǔ)既能充分發(fā)揮地基承載力，調(diào)整不均勻沉降，又能滿足停車庫的空間使用要求，因而就成為較理想的基礎(chǔ)型式。筏板基礎(chǔ)主要構(gòu)造型式有平板式筏板基礎(chǔ)和梁板式筏板基礎(chǔ)，平板式筏板基礎(chǔ)由于施工簡單，在高層建筑中得到廣泛的應用。本文以廣州白云區(qū)某住宅樓的基礎(chǔ)設(shè)計為例，擬對高層建筑基礎(chǔ)的選型和筏板基礎(chǔ)的設(shè)計方法進行介紹。

　　基礎(chǔ)選型

　　2.1工程地質(zhì)概況

　　本工程設(shè)地下室1層，塔樓地上20層，采用剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)巖土工程勘察報告，場地土層分布自上而下分別為：①人工填土層，厚度0.5m~3.0m;②沖洪積土層，厚度0.60m;③可塑狀殘積土層，厚度1.6m~8.30m，標貫擊數(shù)為8~16擊;④硬塑狀殘積土層，厚度2.2m~12.0m，標貫擊數(shù)為18~29擊;⑤巖石全風化帶，厚度2.40m~8.60m，標貫擊數(shù)為30~46擊;⑥巖石強風化帶，厚度0.60m~12.0m，標貫擊數(shù)為50~65擊;⑦巖石中風化帶，厚度1.10m~2.13m，天然單軸極限抗壓強度24.55MPa~49.55MPa;⑧巖石微風化帶，厚度1.0m~1.60m，天然單軸極限抗壓強度43MPa~120MPa。

　　2.2基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案選擇

　　高層建筑常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式為樁基礎(chǔ)，本工程巖土工程勘察報告中建議基礎(chǔ)型式采用預應力管樁基礎(chǔ)或人工挖孔樁基礎(chǔ)。①采用預應力管樁基礎(chǔ)，以強風化花崗巖為樁端持力層，由于場地基巖埋深相對較淺，地下室開挖后，最短有效樁長僅為2m左右，且場地局部地段在殘積層中存在中風化巖孤石，對預應力管樁施工帶來困難。②采用人工挖孔樁基礎(chǔ)，以中微風化花崗巖為樁端持力層，人工挖孔樁成孔時要穿過堅硬土層進入穩(wěn)定、完整的基巖需要降水和爆破，且要等到齡期后才能進行樁的檢測和驗收，施工周期長，工程投資高，同時，人工挖孔樁還存在施工危險性高，容易對周邊建筑物造成影響等缺點。

　　本工程塔樓基礎(chǔ)占地面積2230m2，塔樓總荷載重量為530260kN，即要求地基平均承載力為238kPa。從地層剖面及巖土性質(zhì)分析，地下室開挖后板底標高下的巖土層為硬塑狀殘積土，標貫擊數(shù)為18~29擊，經(jīng)深度及寬度修正后，地基承載力特征值fa≥ 300kPa，可滿足要求。地基的驗算包括地基承載力和變形兩個方面，對于高層建筑，變形往往起著決定性的控制作用。本工程初步分析結(jié)果表明，建筑物沉降也可滿足要求，因此，決定采用天然地基的片筏基礎(chǔ)。采用片筏基礎(chǔ)既可以避免因打樁引起的試樁、排污等問題，又可以加快施工進度，還能適當降低工程造價。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　3.1 筏板基礎(chǔ)的平面布置

　　盡量使建筑物重心與筏基平面的形心重合。筏基邊緣宜外挑，挑出寬度應由地基條件、建筑物場地條件、柱距及柱荷載大小、使地基反力與建筑物重心重合或盡量減少偏心等因素綜合確定，一般情況下，挑出寬度為邊跨柱距的1/4～1/3。

　　3.2 筏板基礎(chǔ)的地基承載力驗算

　　假定地基均勻，筏板為剛性板，基底反力按直線分布，在豎向荷載作用下，基礎(chǔ)底面壓應力標準值按下式計算：

　　Pvkmax=++

　　Pvkmin=--

　　其中：ex、ey── 豎向構(gòu)件合力作用點的偏心距

　　Wx、Wy ── 基底截面抵抗矩

　　豎向荷載作用下，基礎(chǔ)底面應力按下式控制：

　　≤1.2

　　Pvkmax≤fa

　　其中：fa ──修正后的地基承載力特征值

　　風荷載或地震荷載組合下，基礎(chǔ)底面應力按下式控制：

　　Pmax=Pvkmax+≤1.2fa(1.2faE)

　　Pmin=Pvkmin-≥0

　　其中：faE──調(diào)整后的地基抗震承載力

　　3.3筏板基礎(chǔ)厚度的確定

　　筏板基礎(chǔ)的厚度由抗沖切和抗剪強度確定，同時要滿足抗?jié)B要求，局部柱距及柱荷載較大時，可在柱下板底加墩或設(shè)置暗梁且配置抗沖切箍筋，來增加板的局部抗剪切能力，避免因少數(shù)柱而將整個筏板加厚。除強度驗算控制外，還要求筏板基礎(chǔ)有較強的整體剛度。一般經(jīng)驗是筏板的厚度按地面上樓層數(shù)估算，每層約需板厚50mm~80mm。本工程塔樓地上21層，筏板厚度為1100mm;部分軸力較大的柱，柱下板底加墩，柱墩厚度為1600mm。

　　3.4筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力分析

　　筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力分析常用簡化計算方法，其最基本的特點是將由上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基3部分構(gòu)成的一個完整的靜力平衡體系，分割成3個部分，獨立求解。倒樓蓋法是應用得最廣泛的一種簡化計算方法。倒樓蓋法適用于地基比較均勻、筏板基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)剛度相對較大、柱軸力及柱距相差不大;其缺點是完全不能考慮基礎(chǔ)的整體作用，也無法計算撓曲變形，夸大上部結(jié)構(gòu)剛度的影響。

　　上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基三者的關(guān)系是相互影響、相互制約的關(guān)系。把上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基三者作為一個共同工作的整體的計算方法，其最基本的假定是上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與地基連接界面處變形協(xié)調(diào)，整個體系符合靜力平衡。對于基礎(chǔ)，由于考慮了上部結(jié)構(gòu)的貢獻，使其整體彎曲變形和內(nèi)力減小，而取得較為經(jīng)濟的效果;對于上部結(jié)構(gòu)，由于考慮了因基礎(chǔ)變形引起的變形，這種變形將使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應力，考慮了這種次應力，結(jié)構(gòu)將更安全。

　　上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基共同作用分析法在筏板基礎(chǔ)內(nèi)力計算中得到廣泛運用，該分析法基礎(chǔ)按彈性地基上板考慮，地基模型一般采用文克爾地基、彈性半空間地基和壓縮層地基等地基模型，常用數(shù)值分析方法為有限元法、有限差分法等，其中有限元法較為常用。

　　根據(jù)共同作用的分析原理，由節(jié)點平衡條件有如下方程：

　　( [ Kb ] + [ Ks ] ) {δ} = { F }

　　其中：[ Kb ] ── 整個結(jié)構(gòu)(包括基礎(chǔ))的剛度矩陣

　　[ Ks ] ──地基剛度矩陣

　　{δ}──節(jié)點位移列向量

　　{ F }──荷載列向量

　　求解上述方程，得到節(jié)點位移，由節(jié)點位移求得筏板基礎(chǔ)基底反力和內(nèi)力。根據(jù)計算結(jié)果，按有關(guān)規(guī)范可驗算筏板基礎(chǔ)的地基承載力、變形及計算構(gòu)件的配筋。

　　運用上述設(shè)計原理，計算筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力及驗算地基變形，關(guān)鍵在于選擇合理的地基基床系數(shù)。地基基床系數(shù)與土的類型及下臥土層類別、基礎(chǔ)面積的大小和形狀、基礎(chǔ)的埋置深度等因素有關(guān)。

　　有關(guān)資料和工程經(jīng)驗表明，地基壓縮層為風化殘積土層、全風化和強風化巖層時，采用傳統(tǒng)的分層總和法計算地基的最終沉降量，由于土樣的擾動使測得的土壓縮模量偏小，計算結(jié)果往往偏大;而采用土的變形模量作為計算參數(shù)，計算結(jié)果則與實測結(jié)果接近。本工程筏板基礎(chǔ)設(shè)計，采用有限元法，將筏板基礎(chǔ)劃分為許多小塊，采用土的變形模量計算各小塊的地基基床系數(shù)Ki：

　　Ki=

　　式中：aibi──第i小塊筏板基礎(chǔ)的面積

　　αi──地基應力影響系數(shù)

　　hi──第i小塊土層厚度

　　E0i──第i小塊土變形模量

　　土的變形模量E0可由現(xiàn)場壓板載荷試驗得到。當無條件試驗時，對于殘積土、全風化巖及強風化巖，可用標準貫入擊數(shù)N'按下式估算：

　　E0=(2.0~3.0)N'

　　本工程筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力分析，將筏板基礎(chǔ)劃分為1m×1m的板單元，筏板基礎(chǔ)底面地基土變形模量E0i=36MPa，計算得地基基床系數(shù)為5000kN/m，同時，考慮五層上部結(jié)構(gòu)的影響，采用通用有限元程序SAP2000進行內(nèi)力分析，結(jié)構(gòu)計算模型詳圖如下。

　　計算結(jié)果：本工程筏板配筋為雙層雙向Φ25@200拉通，局部內(nèi)力較大處加密至Φ25@100 ;建筑物地基沉降變形均勻，最大值為50mm。

　　3.5筏板基礎(chǔ)的配筋構(gòu)造

　　筏板板筋宜雙向雙層配置，局部柱距較大及內(nèi)力較大處鋼筋間距可局部加密，配筋率≥0.15%。筏板厚度變化處或標高變化處，宜采用放斜角平滑過渡，避免應力集中。

　　結(jié)語

　　高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要一環(huán)，其設(shè)計合理與否，關(guān)系到建筑物的安全和使用及施工工期和投資額度。本文通過工程實例，對高層建筑基礎(chǔ)的選型進行探討，并著重介紹平板式筏板基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基共同作用，運用有限元法分析筏板基礎(chǔ)內(nèi)力進行全面闡述，希望得到進一步的總結(jié)和修正。