某工程筏板基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計

某工程筏板基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計工程概況某工程位于江蘇省揚(yáng)州市區(qū)，共有六棟十五至十八層不等高的小高層建筑，一層地下室，四層裙房。塔樓為落地剪力墻結(jié)構(gòu)，裙房及地下室為框架結(jié)構(gòu)。該工程原已完成設(shè)計，由于受市場銷售的影響，在保證原有層高、層數(shù)及總面積不變的前提下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平面調(diào)整。現(xiàn)以其中一棟塔樓為例，對其筏板的設(shè)計作詳細(xì)分析。該塔樓設(shè)有地下室一層，塔樓地面上18層，原設(shè)計筏板厚度為1.5m，鋼筋配置為25＠150，雙層雙向拉通，混凝土標(biāo)號C35，筏板底面標(biāo)高-7.3m，地下水位-1.0m?，F(xiàn)設(shè)計筏板厚1.3m，鋼筋配置22＠150，雙層雙向拉通，局部受力較大的位置配置了25＠110，混凝土標(biāo)號仍為C35。由于樁基礎(chǔ)已施工完畢，筏板底面標(biāo)高保持不變，仍為-7.3m。建筑剖面圖如附圖一：基礎(chǔ)選型：工程地質(zhì)概況：本工程設(shè)有地下室一層，塔樓地面上18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布為：表一層號層號層厚（m）壓縮模量（Mppa）重度(Kn/mm3)（1）雜填土1.651017..9（2）粉土2.4313..718..5（3）粉土夾粉沙4.8216..918..8（4）粉沙夾粉土6.6715..418..5（5）粉沙夾粉土2.5614..818..1（6）粉質(zhì)粘土（1）3.308.5519..4（7）粉質(zhì)粘土（2）30.0611..319..6樁筏基礎(chǔ)方案的選定：塔樓部分采用￠600鉆孔灌注樁，樁長約20m，樁端落在第七層（粉質(zhì)粘土層2）上，單樁承載力特征值為4000kN。該工程地上十八層，地下一層（底板埋深-7.3m），相當(dāng)于將原地面下7.3m厚的原土挖去建造地下室，卸土土重達(dá)7.3x18=131.4Kpa，約相當(dāng)于八層樓的荷載重量(每層樓重量按16Kpa考慮)，揚(yáng)州地區(qū)地下水位較高，考慮為地面下1m，則水的浮托力為6.3x10=63Kpa，相當(dāng)于四層樓的重量，因此實際需要的承載力僅為七層樓荷載、筏板重量及其上2.8m覆土重量，當(dāng)?shù)鼗休d力f≧7x16+1.3x25+2.8x18=195kPa時，就能滿足地下一層，地面上18層的設(shè)計要求。由于筏板底板標(biāo)高為-7.3m，相當(dāng)于在第三層（粉土夾粉砂），該層地基承載力修正后可達(dá)f≧200Kpa，強(qiáng)度即可滿足要求。但地基驗算應(yīng)包括地基承載力和變形兩個方面，尤其是高層，變形往往起決定性的控制作用，故本工程雖然地基承載力能滿足要求，但變形不能滿足規(guī)范要求。且土體經(jīng)過卸載后，地基土?xí)霈F(xiàn)上隆現(xiàn)象，故要求將基礎(chǔ)設(shè)計為筏板具有一定剛度的樁筏基礎(chǔ)，使得上部荷載通過筏板傳至樁基，以滿足沉降變形的需求及解決卸載后土體上隆現(xiàn)象。建筑物各鉆孔的沉降及傾斜見表二，鉆孔平面位置見附圖二表二孔號平均沉降（mmm）X向基礎(chǔ)傾斜Y向基礎(chǔ)傾斜134.334234.228334.556434.112筏板基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計：3.1筏板基礎(chǔ)的主要結(jié)構(gòu)形式有平板式筏板和肋梁式筏板，由于本工程抗浮設(shè)防水位較高，考慮離地面一米，故在保證基底標(biāo)高不變的情況下，后者基礎(chǔ)埋深大于前者，從而相應(yīng)提高了抗浮水位，再者二次設(shè)計時樁基礎(chǔ)已施工完畢，樁頂標(biāo)高已完成（-7.25m），故選擇平板式筏板優(yōu)于肋梁式筏板。在具體設(shè)計筏板時，盡量使上部結(jié)構(gòu)的荷載合力重心與筏板形心相重合，從而確定底板的形狀和尺寸，筏板邊外挑1.5m，得以均衡和降低基底壓力，同時減少基礎(chǔ)端部基底反力過大而對基礎(chǔ)彎矩的影響。筏板平面布置圖詳附圖三3.2筏板基礎(chǔ)厚度的確定：筏板厚度由抗沖切和抗剪強(qiáng)度驗算決定，主要由抗沖切決定，同時需滿足抗?jié)B要求。除強(qiáng)度控制外，還要求筏板基礎(chǔ)有較強(qiáng)的整體剛度。一般，筏板厚度按地面上樓層數(shù)估算，每層厚50~100mm，本工程塔樓以上16層，筏板厚度按1.2m考慮，由于上部剪力墻布置均勻，故無須局部加厚，僅局部加強(qiáng)鋼筋即可滿足筏板強(qiáng)度要求。筏板基礎(chǔ)的荷載取值（底板考慮六級人防）帶樁基的防空地下室，結(jié)構(gòu)的自重荷載和地下室頂板的人防荷載，可以認(rèn)為由樁的作用直接傳至深層的土層中，本工程底板考慮六級人防，人防荷載與水壓力共同組合成為底板反力。3.4筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力分析筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力分析常用簡化方法，其最基本的特點是由上部結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)和地基三部分構(gòu)成的一個完整靜力平衡體系。倒樓蓋法是應(yīng)用得最廣泛的一種簡化計算方法，但倒樓蓋法適僅用于地基較均勻，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的建筑物。特點是僅考慮整體沉降，撓曲變形較小，夸大上部結(jié)構(gòu)的剛度。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，對于筏板基礎(chǔ)，由于考慮了上部結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，除了整體沉降外還產(chǎn)生撓曲變形，使其整體彎曲變形和內(nèi)力減少，而取得較為經(jīng)濟(jì)的效果。筏板剛度不同，撓曲程度也不同，對于上部結(jié)構(gòu)，由于考慮了因基礎(chǔ)變形引起的變形，將使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力，考慮了這種次應(yīng)力，上部結(jié)構(gòu)將變得更加安全。隨著軟件的開發(fā)，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)力計算中得到廣泛應(yīng)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，其中有限元法最為普遍。根據(jù)共同作用的分析原理，由節(jié)點平衡條件有如下方法：（［Kb］+［Ks］）ｘ｛﹠｝=｛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；｛﹠｝：節(jié)點位移列向量；｛F｝：荷載列向量；求解上述方程，得節(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，再根據(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。因此，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)，取法常見有兩種:一種與地基土的類別有關(guān)，另一種根據(jù)沉降計算或?qū)崪y進(jìn)行反推，前者遠(yuǎn)大于后者，前者沒有考慮壓縮層內(nèi)土的厚度，通常用于鐵路路基等壓縮層小的基礎(chǔ)計算，后者用于民用建筑時同時考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度。本工程筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力分析軟件：采用中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部新近完成的用于Windows95以上操作系統(tǒng)下的基礎(chǔ)CAD軟件—JCCAD。結(jié)構(gòu)采用的計算模型：土與樁按彈性假設(shè)，采用彈性地基板（梁）模型（Winkler模型）將筏板基礎(chǔ)劃分為1mx1m的板單元，筏板基礎(chǔ)底面樁的剛度按地質(zhì)條件由程序自行計算，詳見附圖四。同時Satwe程序自動考慮上部結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)行沉降試算，并由沉降試算結(jié)果修改群樁放大系數(shù)。現(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)算得建筑物的平均沉降約為34mm，當(dāng)群樁的放大系數(shù)為30時，所得沉降為34mm。筏板沉降圖詳見附圖四,樁反力圖詳見附圖五。由沉降圖可以看出：當(dāng)樁數(shù)越多，群樁中樁的剛度遠(yuǎn)小于單樁的剛度，群樁中心沉降大于基礎(chǔ)邊緣沉降。計算結(jié)果顯示為：本工程筏板基礎(chǔ)的配筋為雙層雙向22＠150拉通，局部內(nèi)力較大處加密至25＠110，建筑地基沉降變形均勻，最大值34mm。筏板彎矩圖詳見附圖六，筏板剪力圖詳見附圖七，筏板配筋量圖詳見附圖八3.5水浮浮力對筏板板基礎(chǔ)的影影響：施工過程中浮托托力的產(chǎn)生生是由于基基坑內(nèi)積水水所致，因因此，筏板板及整個地下室施工過程程中應(yīng)有序序排水或限限制水位，當(dāng)當(dāng)?shù)叵率液秃偷孛嫔舷嘞鄳?yīng)有限幾幾層的結(jié)構(gòu)構(gòu)完成后，就就可以克服服地下水的的水浮力，而而無須在整整個施工過過程中對水水位保持警警惕。筏板基礎(chǔ)的配筋筋構(gòu)造要求求：本工工程筏板雙雙層雙向配配置，配筋筋率為0.211‰，大于構(gòu)構(gòu)造配筋率率0.2‰，由于于本工程筏筏板厚度無無變化，故故無須考慮慮應(yīng)力集中中，但在懸懸挑板四個個角部均設(shè)置了522的放放射狀附加加鋼筋。3.7筏板板基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)濟(jì)效益比較較：由于考慮了筏板板基礎(chǔ)與上上部結(jié)構(gòu)，地地基的共同同作用，運(yùn)運(yùn)用有限元元法分析筏筏板基礎(chǔ)內(nèi)內(nèi)力，取得得較佳經(jīng)濟(jì)濟(jì)效益。以以本塔樓為為例：混凝凝土量比原原有設(shè)計減減少了約25%,鋼筋含量量約減少了了28%。僅筏板基基礎(chǔ)一項，就就為業(yè)主取取得良好的的經(jīng)濟(jì)效益益。新舊設(shè)計計混凝土量量及鋼筋含含量（僅本本塔樓）比比較見表三三表三三新設(shè)計原有設(shè)計板厚(m)1.211.5面積(m2)55435543混凝土含量（mm3）6551.68814.55鋼筋配置22@150((雙層雙向向頂，底)25@110((X向局部部底)22@150((雙層雙向向頂，底)鋼筋含量（kgg）4430233.0244550088.888混凝土節(jié)約百分分比25%%鋼筋節(jié)約百分比比28%%四結(jié)語：高層建筑基礎(chǔ)選選型是整個個結(jié)構(gòu)設(shè)計計中的一個個重要組成成部分，直直接關(guān)系到到工程造價價，施工難難度和工期期。本文通通過工程實實例，