1、筏板基礎設計分析 - 高層結構 - 結構設計 - 土木在線社區    筏板基礎設計分析 1筏板基礎埋深及承載力的確定天然筏板基礎屬于補償性基礎, 因此地基的確定有兩種方法. 一是地基承載力設計值的直接確定法. 它是根據地基承載力標準值按照有關規范通過深度和寬度的修正得到承載力設計值, 并采用原位試驗(如標慣試驗、壓板試驗等) 與室內土工試驗相結合的綜合判斷法來確定巖土的特性. 二是按照補償性基礎分析地基承載力. 例如: 某棟地上28 層、地下2 層(底板埋深10m ) 的高層建筑, 由于將原地面下10m 厚的原土挖去建造地下室, 則卸土土壓力達180kp

2、a, 約相當于11 層樓的荷載重量;如果地下水位為地面下2m , 則水的浮托力為80kpa, 約相當于5 層樓的荷載重量, 因此實際需要的地基承載力為14 層樓的荷載. 即當地基承載力標準值f 250kpa 時就能滿足設計要求, 如果筏基底板適當向外挑出, 則有更大的可靠度.2天然筏板基礎的變形計算地基的驗算應包括地基承載力和變形兩個方面, 尤其對于高層或超高層建筑, 變形往往起著決定性的控制作用. 目前的理論水平可以說對地基變形的精確計算還比較困難, 計算結果誤差較大, 往往使工程設計人員難以把握, 有時由于計算沉降量偏大, 導致原來可以采用天然地基的高層建筑, 不適當地采用了樁基礎, 使基

3、礎設計過于保守, 造價提高, 造成浪費.采用各向同性均質線性變形體計算模型,用分層總和法計算出的自由沉降量往往同實測的地基變形量不同, 這是受多種因素的影響造成的.(1) 這種理論的假定條件遵循虎克定律, 即應力應變呈直線關系, 土體任何一點都不能產生塑性變形, 與土體的實際應力應變狀態不相一致;(2) 公式中S = 7S6 z iAi- z i- 1Ai- 1ES i 2 采用的計算參數系室內有側限固結試驗測得的壓縮模量ESi , 試驗條件與基礎底面壓縮層不同深度處的實際側限條件不同;(3) 利用公式計算的建筑物沉降量只與基礎尺寸有關, 而實測沉降量已受到上部結構與基礎剛度的調整.采用箱型基

4、礎或筏板基礎的高層建筑物,由于其荷載大、基礎寬, 因而壓縮層深度大,與一般多層建筑物不同, 地基不是均一持力層. 因此在地基變形計算的公式中引入了一個沉降計算經驗系數7S. 通過實際沉降觀測與計算沉降量的比較, 適應高層建筑物箱型基礎與筏板基礎的沉降計算經驗系數, 主要與壓力和地層條件相關, 尤其與附加壓力和主要壓縮層中(0. 5 倍基礎寬度的深度以內) 砂、卵石所占的百分比密切相關. 由于該系數7S 僅用于對附加壓力產生的地基固結沉降變形部分進行調整, 所以建筑地基基礎設計規范規定可根據地區沉降觀測資料及經驗確定.計算高層建筑的地基變形時, 由于基坑開挖較深, 卸土較厚往往引起地基的回彈變形

5、而使地基微量隆起. 在實際施工中回彈再壓縮模量較難測定和計算, 從經驗上回彈量約為公式計算變形量10% 30% , 因此高層建筑的實際沉降觀測結果將是上述計算值的1. 1 1. 3 倍左右. 應該指出高層建筑基礎由于埋置太深,地基回彈再壓縮變形往往在總沉降中占重要地位, 有些高層建筑若設置3 4 層(甚至更多層) 地下室時, 總荷載有可能等于或小于卸土荷載重量, 這樣的高層建筑地基沉降變形將僅由地基回彈再壓縮變形決定. 由此看來, 對于高層建筑在計算地基沉降變形中, 地基回彈再壓縮變形不但不應忽略, 而應予以重視和考慮.高層建筑箱型基礎與筏板基礎的計算與一般中小型建筑的基礎有所不同, 如前所述

6、, 高層建筑除具有基礎面積大、埋置深, 尚有地基回彈等影響. 有時將基礎做成補償基礎, 在這種情況下, 將附加壓力視為很小或等于零, 這與實際不符. 由于基坑面積大, 基坑開挖造成坑底回彈,建筑物荷重增加到一定程度時, 基礎仍然有沉降變形, 即回彈再壓縮變形. 為了使沉降計算與實際變形接近, 采用總荷載作為地基沉降計算壓力比用附加壓力P 0 計算更趨合理, 且對大基礎是適宜的. 這一方面近似考慮了深埋基礎(或補償基礎) 計算中的復雜問題, 另一方面也解決了大面積開挖基坑坑底的回彈再壓縮問題. 因此高層建筑箱形與筏形基礎技術規范(JGJ 699) 除規定采用室內壓縮模量ES 計算沉降量外, 又規

7、定了按壓縮模量E 0 (采用野外載荷試驗資料算得壓縮模量E 0, 基本上解決了試驗土樣擾動的問題, 土中應力狀態在載荷板下與實際情況比較接近) 計算沉降量的方法. 設計人員可以根據工程的具體情況選擇其中一種方法進行沉降計算.按平面布置規則, 立面沿高度大體一致的單幢建筑物, 當基底壓縮土層范圍內沿豎向和水平方向土層較均勻時, 基礎的縱向撓曲曲線的形狀呈盆狀形, 即“”狀. 在研究建筑物荷載的水平分布規律時: 對于筏板基礎, 可將筏板劃分為許多小單元, 如果不考慮各小單元之間的相互影響, 單位面積承受的荷載重量(基底應力曲線) 與基礎的縱向撓曲曲線的形狀相吻合, 即也呈“”狀. 這說明建筑物四周

8、各點沉降量受到其它各點荷載的影響較小, 中部各點沉降量受到其它各點荷載的影響較大; 若將基礎設計成整片筏板基礎, 勢必造成在相同的地基承載力下, 中部沉降量大, 而四周沉降量較小, 基底土變形不相協調.試驗表明 4 : 剛性筏板在試驗荷載下主要是整體沉降, 撓曲變形極小, 最大也未超過3; 而有限剛度筏板基礎則除了整體沉降外還產生撓曲變形, 筏板剛度不同, 撓曲程度也不同.在筏板厚度相同的情況下, 隨著長×寬(以矩形為例) 的增加, 筏板的剛度隨之降低.因此設計中可選取“板式筏基+ 獨立柱基”相結合的基礎形式, 即中部(電梯井等剪力墻集中處) 用筏基, 四周柱基礎采用獨立基礎或聯合基

9、礎. 使筏板的長×寬尺寸減小、剛度增大,這不僅降低沉降變形的撓曲程度, 提高筏板的抗沖切能力, 同時, 減低了板中鋼筋應力, 減少筏基的配筋量. 為協調各部分的變形, 使其趨于一致, 還可通過變形驗算調整獨立柱基的面積.既滿足結構使用要求, 又達到相當可觀的經濟效益.在基礎選型設計中, 應結合工程的具體情況, 考慮多方面的因素影響, 充分利用天然地基的承載能力, 通過比較“整片筏基”與“板式筏基+ 獨立柱基”的工程造價. 以上2 種不同基礎形式, 后者較前者節省約30% 40% 的費用, 經濟效益顯著.當由于地層分布不均勻、上部結構荷載在筏板基礎上分布不均勻而引起筏板基礎各部分的差異

10、沉降較大時, 可綜合考慮采用以下處理措施:(1) 將出露地質較差的土層挖出一部分, 換填低強度等級的素混凝土形成素混凝土厚墊塊, 以改變和調整地基的不均勻變形. 也可以采用“換填法”, 墊層采用碎石、卵石等材料, 經碾壓或振密處理, 提高基礎的承載能力;(2) 調整上部結構荷載或柱網間距, 減小基底壓力差;(3) 調整筏板基礎形狀和面積, 適當設置懸臂板, 均衡和降低基底壓力;(4) 加強底板的剛度和強度, 在大跨度柱間設置加強板帶或暗梁等.3筏板基礎的結構設計筏板基礎的主要結構形式有平板式筏基和肋梁式筏基, 包括等厚度或變厚度底板和縱橫向肋梁. 一般情況下宜將基礎肋梁置于底板上面, 如果地基

11、不均勻或有使用要求時, 可將肋梁置于板下, 框架柱位于肋梁交點處. 在具體筏基設計時應著重考慮如下問題:(1) 應盡量使上部結構的荷載合力重心與筏基形心相重合, 從而確定底板的形狀和尺寸.當需要將底板設計成懸挑板時, 要綜合考慮上述多方面因素以減小基礎端部基底反力過大而對基礎彎距的影響;(2) 底板厚度由抗沖切和抗剪強度驗算確定. 柱網間距較大時可在柱間設置加強板帶(暗梁加配箍筋) 來提高抗沖切強度以減少板厚, 也可采用后張預應力鋼筋法來減少混凝土用量和造價. 決定板厚的關鍵因素是沖切, 應對筏基進行詳細的沖切驗算;(3) 無肋梁筏板基礎的配筋可近似按無梁樓蓋設柱上板帶和跨中板帶(倒樓蓋法)

12、的計算方法進行, 精確計算可用有限元法;對肋梁式筏基, 當肋梁高度比板厚大得較多時, 可分別計算底板和肋梁的配筋, 即底板以肋梁為固定支座按雙向板計算跨中和支座彎矩, 并適當調整板跨中和支座的配筋;(4) 構造配筋要求: 筏板受力筋應滿足規范中0. 15%的配筋率要求, 懸挑板角處應設置放射狀附加鋼筋等. 設計人員往往配置受力鋼筋有余, 構造鋼筋卻配置不足.4筏板基礎抗浮錨桿的設置不少設計人員擔心地下水位對底板的浮托力而設置抗拔錨桿, 在這里作如下分析和討論.(1) 施工過程中浮托力的產生是由于基坑內積水(雨水和施工用水或地下水滲透) 所致;浮托力的大小與地下室的體積和基坑內積水高度有關. 因

13、此, 只要能在地下室施工過程中有序排水或限制水位, 在基礎底板底以下就不會產生浮托力.(2) 地下室上浮是因為地下室結構及上部結構的荷載重量不足以克服地下水的浮力, 當筏板基礎底板上的結構重量大于實際上浮力后, 整個基礎結構就能穩定. 因此在地下室和地面上相應有限幾層的結構完成后, 就可以克服地下水的上浮力, 不需要在整個施工過程中對水位保持警惕.(3) 在計算地下水的浮托力時因注意: 筏基底板所承受的浮托壓力只是底板與地基巖土的縫隙水壓力、孔隙水壓力, 板承受的浮托力與地基巖土的縫隙發育程度、孔隙率有關, 其實際壓力強度小于靜水壓強. 其次, 底板的水承壓面積并非全部. 由于底板與地基巖土已

14、粘結成整體,因而能提供一定的粘結(抗拔) 力. 有關試驗資料認為有效粘結面積占底板面積最小比率為K = 50% , 而粘結強度最低為250kpa (相當于毛石砌體與M 10 沙漿間的抗拉力). K 值是一重要因素, 應通過試驗確定.浮托力的估算: 當K = 50% 100% 時,如地下水位為- 2. 0m 的10m 深地下2 層的基坑, 當底板厚度1 600mm , 頂板單位荷重為1 600kg, 則單位面積的浮托力T 和地下室結構重量W 分別為:T = 80×(50% 100% )= 40. 0 kpa 80. 0kpaW = 1. 6×25+ 16×2= 72

15、. 0kpa從以上分析和討論可見, 即使按K = 1 計算使浮托力T 最大, T 與W 的差值也只有8. 0kpa, 待地面上再施工1 2 層后, 就能保持整體平衡, 因此只要在地下室施工過程中能保持基坑干燥, 基礎和地下室結構及地上2 層結構施工完成后, 就可放棄對地下水位的監測, 從施工過程來看是無需設置抗浮錨桿的.對于一些地下室較大、較深而地面以上結構層數不多的建筑, 則應根據上述總體平衡的原則計算確定抗浮錨桿. 對于地下室面積較大而主體塔樓面積較小的建筑, 應驗算裙房部位的浮托力能否與結構自重相平衡, 否則也應設置抗浮錨桿.在底板配筋設計時應注意到由于水的浮托力使底板產生的彎矩, 當板下不設置抗浮錨桿時應全面考慮浮托力產生的彎矩, 當底板設置抗浮錨桿后則可適量減少底板的配筋量.5裙房基礎的設計由于裙房的單柱荷載與高層主樓相比要小的多, 因此無需采用厚筏基礎, 采用薄板配柱下獨立擴展基礎即可. 這里需要強調的是, 裙樓獨立柱基的沉降與主樓筏板基礎的沉降要相協調, 即控制沉降差在允許值范