筏板基础选型和设计探讨

关键词：高层建筑；筏板基础 承载力；变形计算；抗浮锚杆；裙房基础 

　　目前筏板基础的应用越来越广泛,因此本文以实际参与及设计的工程为参考，对筏板基础选型和设计方法进行分析。 

　　筏板基础是指柱、墙下连续的钢筋混凝土底板基础，其设计包括天然地基处理和筏板基础设计计算两部分，一般可归纳为以下个方面的内容。 

　　1 筏板基础埋深及承载力的确定 

　　地下室，并由其使用功能要求决定地下室的层高和层数，这就基本确定了基础底板的埋置深度。其此地基的确定有两种方法：一是地基承载力设计值的直接确定法。它是根据地基承载力标准值按照有关规范通过深度和宽度的修正得到承载力设计值，并采用原位试验与室内土工试验相结台的综台判断法来确定岩土的特性。二是按照补偿性基础分析地基承载力。例如：某栋地上28层、地下2层(底板埋深10m)的高层建筑，由于将原地面下lOm厚的原土挖去建造地下室，则卸土土压力达180kpa，约相当于1l层楼的荷载重量；如果地下水位为地面下2m，则水的浮托力为80kpa，约相当于5层楼的荷载重量，因此实际需要的地基承载力为14层楼的荷载,即当地基承载力标准值ƒ≥ 250kpa时就能满足设计要求，如果筏基底板适当向外挑出，则有更大的可靠度。 

　　2 天然筏板基础的变形计算 

　　地基的验算应包括地基承载力和变形两个方面，尤其对于高层或超高层建筑，变形往往起着决定性的控制作用。 

　　采用各向同性均质线性变形体计算模型，用分层总和法计算出的自由沉降量往往同实测的地基变形量不同，这是受多种因素的影响造成的。 

　　(1)这种理论的假定条件遵循虎克定律，即应力一应变呈直线关系，土体任何一点都不能产生塑性变形，与土体的实际应力一应变状态不相一致； 

　　 (2)利用公式计算的建筑物沉降量只与基础尺寸有关，而实测沉降量已受到上部结构与基础刚度的调整。 

　　采用箱型基础或筏板基础的高层建筑物，由于其荷载大、基础宽， 因而压缩层深度大，地基不是均一持力层。因此在地基变形计算的公式中引入了一个沉降计算经验系数。 

　　计算高层建筑的地基变形时，由于基坑开挖较深，卸土较厚往往引起地基的回弹变形而使地基微量隆起。在实际施工中回弹再压缩模量较难测定和计算，从经验上回弹量约为公式计算变形量10％ ～30％，因此高层建筑的实际沉降观测结果将是上述计算值的1．1～1 3倍左右。 

　　建筑物沉降观测结果和理论研究表明 ，按平面布置规则，立面沿高度大体一致的单幢建筑物，当基底压缩土层范围内沿竖向和水平方向土层较均匀时，基础的纵向挠曲曲线的形状呈盆状形，即“U”状在研究建筑物荷载的水平分布规律时：对于筏板基础，可将筏板划分为许多小单元，如果不考虑各小单元之间的相互影响，单位面积承受的荷载重量与基础的纵向挠曲曲线的形状相吻合，即也呈“U”状。这说明建筑物四周各点沉降量受到其它各点荷载的影响较小，中部各点沉降量受到其它各点荷载的影响较大；若将基础设计成整片筏板基础，势必造成在相同的地基承载力下，中部沉降量大，而四周沉降量较小，基底土变形不相协调。 

　　试验表明 ：刚性筏板在试验荷载下主要是整体沉降，挠曲变形极小，最大也未超过3‰ ；而有限刚度筏板基础则除了整体沉降外还产生挠曲变形，筏板刚度不同，挠曲程度也不同。 

　　在筏板厚度相同的情况下，随着长×宽的增加，筏板的刚度随之降低因此设计中可选取“板式筏基+独立柱基”相结合的基础形式，即中部(电梯井等剪力墙集中处)用筏基，四周柱基础采用独立基础或联合基础。 

　　在基础选型设计中，应结合工程的具体情况，考虑多方面的因素影响，充分利用天然地基的承载能力，通过比较“整片筏基”与“板式筏基+独立柱基”的工程造价。以上2种不同基础形式，后者较前者节省约30％ ～40％ 的费用，经济效益显著。 

　　3 筏板基础的结构设计 

　　筏板基础的主要结构形式有平板式筏基和肋粱式筏基，包括等厚度或变厚度底板和纵横向肋梁。在具体筏基设计时应着重考虑如下问题： 

　　(1)应尽量使上部结构的荷载合力重心与筏基形心相重合，从而确定底板的形状和尺寸。 

　　(2)底板厚度由抗冲切和抗剪强度验算确定。柱网间距较大时可在柱间设置加强板带(暗粱加配箍筋)来提高抗冲切强度以减少板厚。 

　　(3)无肋梁筏板基础的配筋可近似按无梁楼盖设柱上板带和跨中板带(倒楼盖法)的计算方法进行，精确计算可用有限元法。 

　　4 筏板基础抗浮锚杆的设置 

　　地下水位较高，当底板埋深较大时，不少设计人员担心地下水位对底板的浮托力而设置抗拔锚杆，在这里作如下分析和讨论。 

　　(1)施工过程中浮托力的产生是由于基坑内积水所致；浮托力的大小与地下室的体积和基坑内积水高度有关。因此，只要能在地下室施工过程中有序排水或限制水位就不会产生浮托力。 

　　(2)地下室上浮是因为地下室结构及上部结构的荷载重量不足以克服地下水的浮力，当筏板基础底板上的结构重量大于实际上浮力后，整个基础结构就能稳定。因此在地下室和地面上相应有限几层的结构完成后，就可以克服地下水的上浮力。 

　　(3)在计算地下水的浮托力时因注意：筏基底板所承受的浮托压力只是底板与地基岩土的缝隙水压力、孔隙水压力，板承受的浮托力与地基岩土的缝隙发育程度、孔隙率有关，其实际压力强度小于静水压强。其次，底板的水承压面积并非全部由于底板与地基岩土已粘结成整体，因而能提供一定的粘结(抗拔)力。有关试验资料认为有效粘结面积占底板面积最小比率为K=50％，而粘结强度最低为250kpa。K 值是一重要因素，应通过试验确定。 

　　浮托力的估算：当K =50％ ～100％时，如地下水位为-2.0m 的l0m深地下2层的基坑，当底板厚度1 600mm，顶板单位荷重为l 600kg，则单位面积的浮托力T 和地下室结构重量w 分别为： 

　　T =8Ox(50％ ～lOO％) 

　　=40.0 kpa～8O.0kpa 

　　W =1．6×25+16×2=72．0kpa 

　　从以上分析和讨论可见，即使按K =l计算使浮托力T最大，T与w 的差值也只有8．0kpa，待地面上再施工l～2层后．就能保持整体平衡，因此只要在地下室施工过程中能保持基坑干燥，基础和地下室结构及地上2层结构施工完成后，就可放弃对地下水位的监测，无需设置抗浮锚杆。 

　　对于一些地下室较大、较深而地面以上结构层数不多的建筑，则应根据上述总体平衡的原则计算确定抗浮锚杆。对于地下室面积较大而主体塔楼面积较小的建筑，应验算裙房部位的浮托力能否与结构自重相平衡，否则也应设置抗浮锚杆。在底板配筋设计时应注意到由于水的浮托力使底板产生的弯矩，当板下不设置抗浮锚杆时应全面考虑浮托力产生的弯矩，当底板设置抗浮锚杆后则可适量减少底板的配筋量。 

　　5 裙房基础的设计 

　　由于裙房的单柱荷载与高层主楼相比要小的多，因此无需采用厚筏基础，采用薄板配柱下独立扩展基础即可。这里需要强调的是，裙楼独立柱基的沉降与主楼筏板基础的沉降要相协调，即控制沉降差在允许值范围内。应根据公式计算主楼沉降量S，再按各柱的荷载N 值和S值反算出各独立柱基础的面积A(尚应验选地基承载力)。 

　　6 结论 

　　高层建筑的基础选型应因地制宜，除基础应满足现行规范允许的沉降量和沉降差的限值外，整体结构应符合规范对强度、刚度和延性的要求，选用桩基或筏基都不是绝对的，而安全可靠、经济合理才是基础选型的标准。