高層建築樁箱(筏)的基礎與地基共同作用設計

建築
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摘要：當前人們越來越重視高層建築地下空間的開發，樁箱（筏）的基礎設計也因此受到普遍歡迎。本文結合實際的設計經驗，淺談高層建築樁箱（筏）基礎與地基共同作用的設計。

關鍵詞：高層建築；樁箱（筏）基礎；設計

在地下大空間的開發日益受到人們重視、尤其是在商業繁華地帶大空間更被迫切需要的今天，地下停車場、地下商場、地下歌舞廳等需要地下空間的高層建築，樁箱（筏）的基礎設計也因此受到普遍歡迎。樁箱（筏）的基礎對高層建築上部結構荷載變化的適應能力強，基礎結構簡單，施工方便。在上部荷載大、持力層深或軟弱地基上發展的樁筏基礎，對地基及上部結構具有廣闊的適應性。從而成為高層建築最實用、最重要的基礎形式，它的優點正在被越來越多的工程技術人員認識和接受，是未來高層建築基礎的發展方向。本文結合實際的設計經驗，淺談高層建築樁箱（筏）基礎與地基共同作用的設計。

一、高層建築樁箱（筏）基礎與地基共同作用影響因素的分析

1、上部結果剛度的影響或筏的相對剛度KR的影響

我們都知道，上部結果剛度對基礎的貢獻是有限的，隨着建築物的築高、層數的增加，豎向荷載也在不斷增加，對沉降量、差異沉降和基礎內力的影響可通過單位荷載情況的比較來了解上部結構剛度的影響。

①對高層建築平均沉降的影響

層數增加（也就是荷載增加）。上部結構剛度儘管增加有限，平均沉降與層數的增加成正比，單位荷載的平均沉降幾乎是不變的，表現出線彈性的性狀。若不考慮上部結果剛度對基礎的影響，僅考慮筏板相對剛度的影響。則筏的相對剛度KR增加，使平均沉降減小。

②對差異沉降的影響

上部結構層數增加，荷載線性增加，但上部結構剛度有着有限的增加，差異沉降有些增加，但單位荷載的差異沉降卻減小。筏的相對剛度KR增加，筏板的差異沉降也是減小的。

③對樁筏分擔上部荷載的影響

層數增加，筏基分擔荷載比例變化不大，可見上部結構剛度變化對樁筏分擔荷載的比例影響甚微。

④對樁頂反力分佈的影響

隨着高層建築的築高，荷載增加，上部結構剛度有限增加，角樁反力與內樁反力的比例增加較快，邊樁反力的比例增加較慢些，樁反力分佈呈現彈性性狀，到一定層數後，這種增加速率也有所變緩。筏的相對剛度KR增加，角樁反力與平均樁頂反力的比值增加較大，邊樁反力增加平緩。

⑤對伐內最大彎矩的影響

隨着層數的增加，荷載隨着增加，所以，筏板中的`彎矩也隨着增加，但是單位荷載的最大彎矩卻是減小的，這説明上部結構剛度對基礎的貢獻，也就是上部結構分擔了基礎的彎矩。隨着筏板厚度的增加，筏的相對剛度KR也增加，筏板最大彎矩也增大。但是，當KR>1時，也就是筏板厚度達到某值時，筏板最大彎矩的增加速率開始減緩。

2、地基彈性模量Es和樁的相對剛度Kp的影響

高層建築樁箱（筏）基礎的樁間土的彈性模量Es的變化對共同作用的影響是人們感興趣的問題。由樁的相對剛度Kp的定義就可以知道，對於給定場地，地基土的彈性模量Es不變，樁的彈性模量Ep小，樁的相對剛度Kp就小。

①對高層建築平均沉降的影響，樁間土的彈性模Es大，則高層建築的平均沉降小；樁的相對剛度小，也就是樁的彈性模量小，則高層建築的平均沉降大。

②對高層建築差異沉降的影響，由於筏基剛度起了決定性的作用，Es和Kp的影響不明顯。

③對樁筏分擔上部荷載的影響，樁間土的彈性模量Es越小，筏基分擔荷載的比例就越大；樁的彈性模量Ep越小，也就是樁的相對剛度越小，則筏基分擔荷載的比例就越大。

④對樁頂反力分佈的影響，樁間土的彈性模量Es和樁的相對剛度Kp對樁頂反力分佈的影響不是主要因素，影響不大。

⑤對筏板中的最大彎矩的影響，樁間土的彈性模量Es大，則筏板最大彎矩小；樁的彈性模量小，也就是樁的相對剛度Kp小，則筏被最大彎矩小。當然，這個影響與筏板的相對剛度也有很大的關係。

3、樁長和樁間距的影響

樁對高層建築變形、樁頂反力分佈、樁筏荷載分擔的比例以及筏基內最大彎矩都有影響，這裏主要討論的影響。當然樁的不同佈置形式對它們也在影響。

①樁長的影響，第一是對高層建築平均沉降的影響，樁越長，建築物的沉降就越小，但是當長細比L/d達到某值的時候，減小沉降的作用就不明顯了，一般這個值是當L/d≥50。第二是對高層建築差異沉降的影響，樁越長，建築物的差異沉降就越小，但是樁的長細比對建築物的差異沉降的影響不是主要的因素，筏板厚度和上部結構剛度是主要因素。第三是對樁筏分擔荷載的影響，樁越長，筏基分擔荷載的比例就越小，樁長細比例越大，則筏基分擔荷載的比例越小。樁的長度變化對樁頂反力分佈以及筏基內力大小的影響不明顯。

②樁間距的影響

第一是對高層建築平均沉降和差異沉降的影響，s/d在10以內，高層建築的平均沉降和差異沉降均稍有增加，説明影響不是急劇的。

第二是對樁筏分擔上部荷載的影響，樁間距增大，對樁筏分擔上部荷載具明顯的影響。S/d增大，樁分擔上部荷載的比例大大減小，而筏板分擔上部荷載的比例將大大增加。如果樁間土有較高的承載力，那麼可通過增大樁間距來充分發揮樁間土的承載力。

第三是對樁頂反力分佈的影響樁間距增大，對樁頂反力分佈的影響也是明顯的。樁間距增大，角樁反力和邊樁反力明顯減小；當s/d達到某值時，樁頂反力分佈趨於均勻，即角樁反力、邊樁反力均等於內部樁反力。

第四是對筏板內最大彎矩的影響樁間距增大，若筏板的最大彎矩明顯增加，則適當減少樁數，充分利用樁間土的承載力就不可能。通過計算分析，得到筏板最大彎矩與樁間距的關係曲線。樁間距增大，筏板的最大彎矩並不急劇地增加，而是比較乎緩地增大。共同作用分析結果為充分利用樁間上的承載力提供理論依據，為設計人員擔心疏樁設汁是否會使基礎板（樑）彎矩大增，引起上部結構開裂作出解答，使設計人員抽樁有了理論保障。

4、抽樁對基礎沉降及筏基分擔上部荷載的影響

樁間距的適當增大，可以充分利用樁間土的承載力，其實質是減少樁數，在抽樁過程中，抽筏基下什麼部位的樁對基礎沉降及筏基分擔上部荷載的影響少一點呢？通過實際經驗得知，抽去同樣數日的內部樁對基礎沉降和筏基分擔荷載的影響甚微。而抽去同樣數目的角樁和邊樁，這個影響將增大、充分顯示，在樁筏基礎設計中合理布樁的重要性，角樁和邊樁密一些，內部樁疏一些，可以達到充分發揮樁筏基礎的效果和節省的目的。

5、高層建築樁箱（筏）基礎與地基共同作用對上部結構的影響

二、高層建築樁箱（筏）基礎與地基共同作用的設計建議

通過高層建築樁箱（筏）基礎與地基共同作用的理論和實測研究，共同作用的設計方法正在逐步形成，在工程中可以使用，有的已經在使用。為此，提出如下建議：

①對於非嵌巖端承樁，加大樁間距，減少樁數，充分發揮筏（或箱）底的地基承載力是可行的。具體設計時，地基承載力控制在小於fk/2或fu/4；樁基承載力採用εpPu，樁承擔的荷載可減少為Pp=（P-PwA）（1-εsφ）。目前出現的減少沉降樁或樁間距大於6倍樁徑的疏樁即符合樁基均是共同作用實踐的例子。

②若採用常規設計，樁承擔的荷載可適當減少為：

Pp=P-PwA-（5?10）%P=（95-95）%P-Pw?A

在上面的算是中，P表示的是上部總荷載（包括箱（筏）基），Pp是表示樁承擔的荷載，Pw是表示浮力，A是箱（筏）基礎平面面積。

③高層建築樁（筏）基礎的容許沉降可適當加大，可採用[S]=20?30cm。

④一般的高層住宅或賓館，當標準層的平面面積與箱（筏）平面相同時，從省樁角度，內樁可排得稀疏些，但從筏板沉降均勻內力角度，內樁應排得密些，而邊角樁應排得稀疏些。當標準層平面面積遠小於裙樓箱（筏）基礎面積時，邊角樁可排得稀疏些。

⑤高層建築樁箱基礎儘可能採用軸線樁，高層建築樁筏基礎儘可能採用柱對柱的排列方法。

⑥高層建築樁箱基礎底板設計時只計局部彎矩，整體彎矩可略。根據實測，可用26%的總荷載或地下水浮力作為地基反力來設計樁箱基礎的箱基底板。

⑦軟土地基高層建築樁筏基礎筏板厚度的確定方法建議採用以下算式：