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高层建筑桩筏基础优化设计

2012-03-23邵永玻

城市建设理论研究 2012年4期
关键词:优化设计

邵永玻

摘要:桩筏基础是目前高层建筑采用较多的一种基础形式,但传统桩筏设计存在诸多不合理之处,造成不必要的成本增加,本文从优化设计的角度出发,从减沉设计、布桩形式及变刚度调平设计三方面就高层建筑桩筏基础优化设计进行探讨,有一定参考价值。

关键词:桩筏基础;优化设计;减沉设计;布桩形式;变刚度调平设计

中图分类号:TU97文献标识码:A 文章编号:

Abstract: the pile raft foundation is the high building by a kind of more basic form, but traditional pile raft design has many unreasonable in, cause unnecessary costs, this paper, from the point of view of the optimization design, from minus sink design, cloth of variable stiffness of pile forms and leveling design in three high-rise building the pile raft foundation optimization design are discussed, have certain reference value.

Key words: the pile raft foundation; Optimization design; Reduce heavy design; Cloth pile forms; The variable stiffness leveling design

当前,我国高层建筑渐增,当高层筏形基础下天然地基承载力或沉降变形不能满足设计要求时,采用筏底加桩的组合基础能使上部结构荷载在平面上扩散及向深层传递,从而能使基础承载能力显著提高有效控制沉降,因此目前桩筏基础己发展为高层建筑的主要基础形式。从上世纪80年代始,国内外学者就不断地对桩筏基础进行各项研究,并取得了一定的科研成果,但因桩筏基础与地基共同作用复杂,承载机理及荷载传递机制尚未完全清楚,这就使得设计中有诸多不合理之处,在资金及材料上造成极大浪费,增加了工程成本,基于此,寻求一种经济、合理、安全的桩筏基础优化设计方法具有重要的理论意义及现实意义。

1 传统桩筏基础设计的不足

传统桩筏基础设计强调“构造为主,计算为辅”,布桩方式为“等承载力布桩”“满堂布桩”,经众多工程实践证明该设计方式不尽合理,往往在资金及材料上造成极大浪费。在当前的桩基础设计中,桩的作用有三,一是承担所有上部结构荷载,二是承担大部分上部结构荷载的同时也减小沉降变形,三桩承担小部分上部结构荷载的同时主要控制或减小沉降变形。但依照现行设计规范,桩基础设计理论对后两种情况是保守的,且在设计概念上较为模糊,而主要按第一种情况处理,即只建立在满足承载力的基础之上。对于后两种情况,在如何有效减少桩基工程费用方面仍有较大的利用及开发空间,而即便是对第一种情况也存在一些问题,比如如何合理、科学地选择布桩方式及桩数等。由于设计人员对桩筏基础与上部结构共同作用的理解上存在差异,导致桩筏基础在理论及实践上存在诸多混乱,而随着当前建筑物高度日趋增加,对应地桩也愈来愈长,基础底板厚度愈来愈大,基础造价急剧增加,浪费严重,因此有必要寻求一种经济、合理、安全的桩筏基础设计方法。

2 桩筏基础优化设计方向

地基基础与上部结构为一个统一的整体,因此,科学合理的桩筏基础设计应是在综合分析桩筏基础、上部结构及土体共同作用基础上的优化设计。基础的内力决定了基础底板的厚度,而合理布桩是减小底板内力的最佳方法,通过合理调整桩基的桩径、桩长、桩间距以及基础形式,能使基础各处沉降均匀,进而使得底板内力减小。在这一过程中,应考虑调整底板厚度,以达到底板及桩基整体造价最优的目的。综上所述,桩筏基础优化设计的方向应是在确保安全的前提下, 降低上部结构次内力、减薄筏板、减少桩数或减小桩径、桩长,从整体上降低桩基造价,从而达到技术及经济效益的双重优化。

3桩筏基础优化设计思考

3.1减沉设计

如前所述,桩的作用主要表现在三方面,从承载角度看,传统的桩基础设计方法以桩承担所有上部结构荷载为主,承台下地基土的作用只在群桩效应中计入,将承台下地基土承担的荷载计入桩的承载力,理论上这样的处理方式较为含混。基于此,许多专家学者提出了按沉降控制原则设计桩筏基础的思路:一是强调天然地基承载能力的充分利用;二是强调桩对地基沉降控制作用的充分发挥及单桩承载能力的充分利用;三是强调天然地基及桩基作用的充分发挥。经实践证明,采用沉降控制来确定的群桩桩数仅为常规设计方法桩數的30%左右,经济效益良好。

3.1.1沉降控制桩筏基础设计方法及步骤。1)桩身断面及桩长选择:为充分发挥桩身材料的承载能力,桩身断面的选择应强调桩身结构强度确定的单桩容许承载力与地基土对桩的极限承载力相匹配;选择桩长应强调尽可能穿过压缩性高的土层,桩端持力层压缩性应相对较低,在承台产生一定沉降时桩的全部极限承载力仍能充分发挥并继续保持;2)承台埋深及其地面尺寸的确定:首先按外荷载全部由承台承担时其极限承载力仍有一定安全储备的原则先对承台的埋深及其底面尺寸做初步的确定,接着明确减沉设计的用桩量,再对承台初步尺寸进行验算,并给予调整;3)不同用桩数量时桩基沉降计算:根据初定的承台埋深及其底面尺寸,原定各种不同的用桩数量方案,分别计算相应的沉降量,得出不同用桩量与桩基的关系曲线,一般减少沉降桩基础的桩距应不小于6d,桩的分布与建筑物竖向荷载相对应;4)按建筑物容许沉降量确定实际用桩数量:从桩数与沉降S的关系曲线出发,按建筑物容许沉降量确定桩基实际所需的用桩数量。在确定用桩数量后,再按已选定的桩数及初步确定的承台埋深及底面尺寸计算其极限荷载,验算安全系数或调整承台埋深及底面尺寸,以确保合理的安全度。

3.1.2 基于桩筏刚度的筏板厚度的确定。高层建筑基础的造价在总造价中的比例达15%~20%高,合理地确定桩筏基础中筏板的厚度,对基础工程中混凝土的工程量影响极大,并从基础配筋量、基坑降排水、基底标高确定、基础混凝土施工技术措施、土方开挖工程量、基础施工工期等诸多方面决定工程的综合经济效益。目前,桩筏基础的筏板厚度确定仍未有较成熟可靠的方法,基本上由设计师个人经验确定,如此往往会得到相差较大的筏板厚度,比如,高层建筑中很多筏板厚度超过 1.5m,个别厚度甚至达到 4m。为克服以上弊端,筏板厚度的确定可参照如下方法:1) 在已基本确定桩的布置及上部结构的情况下,按照自身已有的经验初选厚度;2) 采用合理的实用简化方法或采用考虑筏—桩—土共同作用的电算程序甚至采用考虑上部结构—筏—桩—土共同作用的电算程序,进行计算分析,以初步确定筏板的内力;3) 在上述基础上,对筏板进行抗剪强度、抗弯刚度及抗冲切检验及考虑配筋构造的合理性,并调整筏板的厚度,直至要求趋于合理。

3.2布桩形式

学术界及工程界中,各专家学者对布桩方式也意见不一,目前除了通常的“均匀布桩”这一形式外,还存在“外强内弱”与“外弱内强”这两种截然相反但已付诸实践的观点。“外强内弱”布桩可能在筏基中产生较大的弯矩,因此对上部结构和筏板的刚度要求较高,而“外弱内强”布桩方式能有效减小筏基中的弯矩及上部结构此生应力。在以上布桩方式中,“外强内弱”布桩的沉降量较小,但却增加了差异沉降,而“外弱内强”布桩时的沉降有时虽比“均匀布桩”时的沉降稍微大些,却减小了差异沉降,因此,布桩方式的选择应在了解各种布桩方式的特点的基础上,视具体情况而定,以便扬长避短。总体来说,布桩的“强”“弱”是一个相对的概念,它们主要是通过对桩长,桩径、桩身的刚度及桩间距等参数的调整来实现的,具体采用哪种调整方法应结合现场的施工条件及地质条件,强调在经济合理的基础上尽可能地不增加技术难度。若撇开场地施工因素及地质条件的影响,一般而言,以上几种调整方式中最为合理的是长短桩布置和刚柔桩混合布置,因为其调节沉降的效果较好,可调节的范围也较大。另外采用“外弱内强”布桩方式时,也能有效减小对筏板抗冲切的不利影响。

3.3 变刚度调平设计

依据结构力学的知识,可以对碟形沉降分布特性进行如下分析:地基沉降较大的部分是该处的支承刚度过小所致;而由超静定结构的承载性能分析,地基反力过大部分是因该处刚度过大所致。因此可以认为,造成差异沉降及跨越作用的主要原因为基础下部边角部分的支承刚度较大,中间部分支撑刚度过小。针对传统桩筏基础设计方法所带来的碟形差异沉降问题,最新修订的《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)提出变刚度调平设计新理念,其基本思路如下:在考虑地基、基础与上部结构的共同作用的基础上,调整影响沉降变形场的主导因素——桩土支承刚度分布,“抑强补弱”,促使沉降趋向均匀。具体来说,高层建筑内部的变刚度调平主导原则主要为:强化中央,弱化外围。由于核心区荷载较为集中、相互影响较大,因此可实施增大桩长或调整桩径、桩距;对于外围区,则发挥承台承载作用,少布桩或布较短桩。调平设计过程就是调整布桩,进行共同作用迭代计算的过程。对采用桩基础的建筑物,当采用复合桩基时,桩与土的荷载分担是明确的,这就可能以对基础工作有利的方式合理地布置桩基,人为地调整桩顶反力及基底土反力联合出现的反力分布,结合桩数的调整,综合优化基础设计,进而实现设计的经济合理。在具体工程实践中,变刚度调平设计的一般步骤是:1)按照建筑物的地质条件、荷载、性质等进行初始布桩并确定板厚。2) 分析上部结构、桩筏基础及地基的共同作用,绘制沉降等值线。3)分析沉降等值线,当天然地基局部沉降过大而总体沉降不大时,根据具体条件通过局部加强处理的方式对沉降过大部分进行处理。如采用筏底布桩或复合地基,应在桩基沉降较小部位抽掉一部分桩,或根据土层情况适当地减小桩径或缩短桩长。对沉降较大的部位,应适当加密布桩或根据土层情况对桩长桩径给予适当的增加,重新形成刚度体系。4)进行共同工作迭代计算,直至沉降差减到最小。在这一过程中,可以根据沉降等值线来判断主裙楼间是否设置沉降缝或后浇带,是否需对调整构造及基础板厚等。

參考文献:

【1】钱力航.高层建筑箱形与筏形基础的设计计算【M】.北京:中国建筑工业出版社,2003.

【2】中华人民共和国行业标准.建筑桩基技术规范(JGJ94—2008)【S】.北京:中国建筑工业出版社,2008.

【3】中华人民共和国行业标准.高层建筑筏形与箱形基础技术规范(JGJ6—2011)【S】.北京:中国建筑工业出版社,2011.

【4】田春灵.浅析桩筏基础的优化设计【J】.山西建筑,2009(16):112-113.

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