筏板

　　簡介

　　筏板基礎：由底板、梁等整體組成。建筑物荷載較大，地基承載力較弱，常采用砼底板，承受建筑物荷載，形成筏基，其整體性好，能很好的抵抗建筑物不均勻沉降。

　　概述

　　建筑物采用何種基礎型式，與地基土類別及土層分布情況密切相關。工程設計中，常遇到這樣的地質情況，地下室底板下的巖土層為風化殘積土層、全風化巖層、強風化巖層或中風化軟巖層，因此，有可能采用天然基礎。高層建筑地下室通常作為地下停車庫，建筑上不允許設置過多的內墻，因而限制了箱型基礎的使用;筏板基礎既能充分發揮地基承載力，調整不均勻沉降，又能滿足停車庫的空間使用要求，因而就成為較理想的基礎型式。筏板基礎主要構造型式有平板式筏板基礎和梁板式筏板基礎，平板式筏板基礎由于施工簡單，在高層建筑中得到廣泛的應用。本文以廣州白云區某住宅樓的基礎設計為例，擬對高層建筑基礎的選型和筏板基礎的設計方法進行介紹。

　　基礎選型

　　2.1工程地質概況

　　本工程設地下室1層，塔樓地上20層，采用剪力墻結構。根據巖土工程勘察報告，場地土層分布自上而下分別為：①人工填土層，厚度0.5m~3.0m;②沖洪積土層，厚度0.60m;③可塑狀殘積土層，厚度1.6m~8.30m，標貫擊數為8~16擊;④硬塑狀殘積土層，厚度2.2m~12.0m，標貫擊數為18~29擊;⑤巖石全風化帶，厚度2.40m~8.60m，標貫擊數為30~46擊;⑥巖石強風化帶，厚度0.60m~12.0m，標貫擊數為50~65擊;⑦巖石中風化帶，厚度1.10m~2.13m，天然單軸極限抗壓強度24.55MPa~49.55MPa;⑧巖石微風化帶，厚度1.0m~1.60m，天然單軸極限抗壓強度43MPa~120MPa。

　　2.2基礎結構方案選擇

　　高層建筑常用的基礎結構型式為樁基礎，本工程巖土工程勘察報告中建議基礎型式采用預應力管樁基礎或人工挖孔樁基礎。①采用預應力管樁基礎，以強風化花崗巖為樁端持力層，由于場地基巖埋深相對較淺，地下室開挖后，最短有效樁長僅為2m左右，且場地局部地段在殘積層中存在中風化巖孤石，對預應力管樁施工帶來困難。②采用人工挖孔樁基礎，以中微風化花崗巖為樁端持力層，人工挖孔樁成孔時要穿過堅硬土層進入穩定、完整的基巖需要降水和爆破，且要等到齡期后才能進行樁的檢測和驗收，施工周期長，工程投資高，同時，人工挖孔樁還存在施工危險性高，容易對周邊建筑物造成影響等缺點。

　　本工程塔樓基礎占地面積2230m2，塔樓總荷載重量為530260kN，即要求地基平均承載力為238kPa。從地層剖面及巖土性質分析，地下室開挖后板底標高下的巖土層為硬塑狀殘積土，標貫擊數為18~29擊，經深度及寬度修正后，地基承載力特征值fa≥ 300kPa，可滿足要求。地基的驗算包括地基承載力和變形兩個方面，對于高層建筑，變形往往起著決定性的控制作用。本工程初步分析結果表明，建筑物沉降也可滿足要求，因此，決定采用天然地基的片筏基礎。采用片筏基礎既可以避免因打樁引起的試樁、排污等問題，又可以加快施工進度，還能適當降低工程造價。

　　結構設計

　　3.1 筏板基礎的平面布置

　　盡量使建筑物重心與筏基平面的形心重合。筏基邊緣宜外挑，挑出寬度應由地基條件、建筑物場地條件、柱距及柱荷載大小、使地基反力與建筑物重心重合或盡量減少偏心等因素綜合確定，一般情況下，挑出寬度為邊跨柱距的1/4～1/3。

　　3.2 筏板基礎的地基承載力驗算

　　假定地基均勻，筏板為剛性板，基底反力按直線分布，在豎向荷載作用下，基礎底面壓應力標準值按下式計算：

　　Pvkmax=++

　　Pvkmin=--

　　其中：ex、ey── 豎向構件合力作用點的偏心距

　　Wx、Wy ── 基底截面抵抗矩

　　豎向荷載作用下，基礎底面應力按下式控制：

　　≤1.2

　　Pvkmax≤fa

　　其中：fa ──修正后的地基承載力特征值

　　風荷載或地震荷載組合下，基礎底面應力按下式控制：

　　Pmax=Pvkmax+≤1.2fa(1.2faE)

　　Pmin=Pvkmin-≥0

　　其中：faE──調整后的地基抗震承載力

　　3.3筏板基礎厚度的確定

　　筏板基礎的厚度由抗沖切和抗剪強度確定，同時要滿足抗滲要求，局部柱距及柱荷載較大時，可在柱下板底加墩或設置暗梁且配置抗沖切箍筋，來增加板的局部抗剪切能力，避免因少數柱而將整個筏板加厚。除強度驗算控制外，還要求筏板基礎有較強的整體剛度。一般經驗是筏板的厚度按地面上樓層數估算，每層約需板厚50mm~80mm。本工程塔樓地上21層，筏板厚度為1100mm;部分軸力較大的柱，柱下板底加墩，柱墩厚度為1600mm。

　　3.4筏板基礎的內力分析

　　筏板基礎的內力分析常用簡化計算方法，其最基本的特點是將由上部結構、基礎和地基3部分構成的一個完整的靜力平衡體系，分割成3個部分，獨立求解。倒樓蓋法是應用得最廣泛的一種簡化計算方法。倒樓蓋法適用于地基比較均勻、筏板基礎和上部結構剛度相對較大、柱軸力及柱距相差不大;其缺點是完全不能考慮基礎的整體作用，也無法計算撓曲變形，夸大上部結構剛度的影響。

　　上部結構、基礎和地基三者的關系是相互影響、相互制約的關系。把上部結構、基礎和地基三者作為一個共同工作的整體的計算方法，其最基本的假定是上部結構與基礎、基礎與地基連接界面處變形協調，整個體系符合靜力平衡。對于基礎，由于考慮了上部結構的貢獻，使其整體彎曲變形和內力減小，而取得較為經濟的效果;對于上部結構，由于考慮了因基礎變形引起的變形，這種變形將使上部結構產生次應力，考慮了這種次應力，結構將更安全。

　　上部結構、基礎和地基共同作用分析法在筏板基礎內力計算中得到廣泛運用，該分析法基礎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，常用數值分析方法為有限元法、有限差分法等，其中有限元法較為常用。

　　根據共同作用的分析原理，由節點平衡條件有如下方程：

　　( [ Kb ] + [ Ks ] ) {δ} = { F }

　　其中：[ Kb ] ── 整個結構(包括基礎)的剛度矩陣

　　[ Ks ] ──地基剛度矩陣

　　{δ}──節點位移列向量

　　{ F }──荷載列向量

　　求解上述方程，得到節點位移，由節點位移求得筏板基礎基底反力和內力。根據計算結果，按有關規范可驗算筏板基礎的地基承載力、變形及計算構件的配筋。

　　運用上述設計原理，計算筏板基礎的內力及驗算地基變形，關鍵在于選擇合理的地基基床系數。地基基床系數與土的類型及下臥土層類別、基礎面積的大小和形狀、基礎的埋置深度等因素有關。

　　有關資料和工程經驗表明，地基壓縮層為風化殘積土層、全風化和強風化巖層時，采用傳統的分層總和法計算地基的最終沉降量，由于土樣的擾動使測得的土壓縮模量偏小，計算結果往往偏大;而采用土的變形模量作為計算參數，計算結果則與實測結果接近。本工程筏板基礎設計，采用有限元法，將筏板基礎劃分為許多小塊，采用土的變形模量計算各小塊的地基基床系數Ki：

　　Ki=

　　式中：aibi──第i小塊筏板基礎的面積

　　αi──地基應力影響系數

　　hi──第i小塊土層厚度

　　E0i──第i小塊土變形模量

　　土的變形模量E0可由現場壓板載荷試驗得到。當無條件試驗時，對于殘積土、全風化巖及強風化巖，可用標準貫入擊數N'按下式估算：

　　E0=(2.0~3.0)N'

　　本工程筏板基礎的內力分析，將筏板基礎劃分為1m×1m的板單元，筏板基礎底面地基土變形模量E0i=36MPa，計算得地基基床系數為5000kN/m，同時，考慮五層上部結構的影響，采用通用有限元程序SAP2000進行內力分析，結構計算模型詳圖如下。

　　計算結果：本工程筏板配筋為雙層雙向Φ25@200拉通，局部內力較大處加密至Φ25@100 ;建筑物地基沉降變形均勻，最大值為50mm。

　　3.5筏板基礎的配筋構造

　　筏板板筋宜雙向雙層配置，局部柱距較大及內力較大處鋼筋間距可局部加密，配筋率≥0.15%。筏板厚度變化處或標高變化處，宜采用放斜角平滑過渡，避免應力集中。

　　結語

　　高層建筑基礎設計是整個結構設計的重要一環，其設計合理與否，關系到建筑物的安全和使用及施工工期和投資額度。本文通過工程實例，對高層建筑基礎的選型進行探討，并著重介紹平板式筏板基礎的結構設計，對考慮上部結構、基礎和地基共同作用，運用有限元法分析筏板基礎內力進行全面闡述，希望得到進一步的總結和修正。