沉降控制理論在某高層建筑中的運(yùn)用和探討

1、沉降控制理論在某高層建筑中的運(yùn)用和探討 摘要：沉降控制理論在某高層建筑中的運(yùn)用和探討. 關(guān)鍵詞：沉降 高層建筑 結(jié)構(gòu)理論 1 工程概況 樂清市煙草公司綜合樓工程的原設(shè)計(jì)單位是國內(nèi)某建筑設(shè)計(jì)院，主樓地下1層(層高4.45m) ，地上16層(總高59.1m)，裙房3層，框剪結(jié)構(gòu)，柱下承臺(tái)基礎(chǔ)。樁采用450mm450mm的空心預(yù)制樁，樁身混凝土c30，樁端進(jìn)入-2層(砂礫石混粘性土)持力層500mm，要求單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值800kn。由于在樁基的施工過程中，樁沉至-1層(砂礫石混粘性土，厚度0.53.4m )時(shí)出現(xiàn)不能穿透到達(dá)原設(shè)計(jì)的-2層，故工程建設(shè)單位邀請(qǐng)國內(nèi)另一家建筑設(shè)計(jì)研究院的有關(guān)專家在對(duì)地質(zhì)

2、資料分析基礎(chǔ)上，提出工程樁基的修改和處理辦法：樁持力層為-1層(砂礫石混粘性土)，主樓基礎(chǔ)改為樁筏基礎(chǔ)(樁距1800mm1800mm)，要求單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值600kn (后經(jīng)靜載試驗(yàn)已達(dá)到要求)。 建設(shè)單位考慮到基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)要統(tǒng)一及便于現(xiàn)場(chǎng)施工服務(wù)，決定由本院統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制施工圖。根據(jù)原上部結(jié)構(gòu)布置與另一家建筑設(shè)計(jì)院提供的樁位圖，經(jīng)本院的計(jì)算分析 ，結(jié)果是：持力層下臥層(層淤泥質(zhì)粘土)的強(qiáng)度仍然不夠。 2 工程地質(zhì)及場(chǎng)地 地基土分布及工程特征為：場(chǎng)地地形平坦，地貌類型屬河海相沖積-淤積平原。根據(jù)勘察揭露情況，將地基土劃分為： 層表部粘土：全場(chǎng)分布，直接出露地表，厚0.901.10m。

3、 飽和，軟可塑狀，高中壓縮性。上部0.3m為耕植土。屬地表氧化殼，分布穩(wěn)定，具有一 定力學(xué)強(qiáng)度，但厚度小，經(jīng)回填嚴(yán)實(shí)處理后可作為一般低層建筑物的天然淺基礎(chǔ)支承持力層，其fk70kpa,es3.5mpa,qs13.0kpa。 -1層淤泥：全場(chǎng)分布，厚22.0022.10，飽和，流塑狀，高壓縮性，高靈敏度，其 fk40kpa,es1.00mpa,qs5.0kpa；-2層淤泥質(zhì)粘土：全場(chǎng)分布，厚4.705.80m ，流軟塑狀，高壓縮性，局部為軟粘土，其fk70kpa,es3.00mpa,qs10.0kpa。該兩土層為低抗剪強(qiáng)度軟弱土層，力學(xué)強(qiáng)度很差，是受荷后的主要壓縮層，僅可作為樁周摩擦層使用。 -

4、1層粘性土混砂礫石：厚0.503.40m，飽和，稍密，低壓縮性，其fk200kpa, qs24.0kpa，qp1300kpa； -a層粉質(zhì)粘土或粘性土混砂：為不良軟弱夾層，呈透鏡體狀不穩(wěn)定分布，厚0.501.10m。飽和，軟塑狀，高壓縮性。往下漸變?yōu)檎承酝粱熘屑?xì)砂，其fk80kpa,es2.7mpa, qs140kpa，qp500kpa；-2 層砂礫石混粘性土：厚1.00 4.20m，飽和，稍密，低壓縮性，其fk250kpa,qs35.0kpa，qp2000kpa。-1和-2 層，兩者呈漸變過渡關(guān)系，力學(xué)強(qiáng)度較好，但礫、卵石含量變化大，力學(xué)強(qiáng)度均一性差，而且有不穩(wěn)定分布的-a軟弱夾層存在，大幅

5、度降低了層的總體力學(xué)強(qiáng)度，不是理想的樁尖持力層。如果作為相對(duì)持力層，樁端承載力標(biāo)準(zhǔn)值要適當(dāng)降低使用，同時(shí)須對(duì)下臥軟弱層進(jìn)行強(qiáng)度和沉降驗(yàn)算。 層粘土：厚0.8m，飽和，軟塑可塑狀，高中壓縮性。不穩(wěn)定分布，厚度小，力學(xué)強(qiáng)度一般，不宜作為樁尖持力層，其fk100kpa,es3.20mpa,qs20.0kpa，qp700kpa。 層淤泥質(zhì)粘土：全場(chǎng)分布，厚3.104.0m，飽和，軟塑性，高壓縮性，底部有不穩(wěn)定分布的可塑狀粘土。低抗剪強(qiáng)度軟弱土層，力學(xué)強(qiáng)度較差，一般宜作為樁周摩擦層使用，其fk75kpa,es2.8mpa,qs12.0kpa，qp400kpa。 -1層粘性土混砂礫石：厚1.80m，飽和，

6、稍密，低壓縮性，力學(xué)強(qiáng)度好，其fk210kpa,qs26 .0kpa，qp1400kpa。-2層砂礫石混粘性土：厚2.30 3.70m，飽和，稍密中密，低壓縮性，力學(xué)強(qiáng)度較好，其fk250kpa,qs35.0kpa，qp2000kpa。該兩土層合并可作為擬建建筑物的樁尖持力層，但總厚僅2.703.70m，當(dāng)選作樁尖持力層時(shí)要注意其厚度較小的特征。 -1層粘性土含砂礫石：厚1.11.4m，飽和，高壓縮性，礫卵石含量較少，力學(xué)強(qiáng)度較差，僅作為樁周摩擦層使用，其fk100k pa,es4.0,qs18.0kpa ，qp800kpa；-2層粘性土混砂礫石：厚0.501.60m， 飽和，礫卵石、砂含量較

7、高，力學(xué)強(qiáng)度較好，但厚度小，分布不穩(wěn)定，不宜作為樁端持力層，其fk210kpa,qs26.0，qp1400kpa。 層粘土：控制厚度1.103.50m，未穿，控制深度40.544.5m，飽和，軟塑狀，高中壓縮性，力學(xué)強(qiáng)度不均一，承載能力較低，為相對(duì)較弱下臥層，局部含礫砂，其fk90kpa,es3.0mpa,qs18kpa，qp800kpa。 場(chǎng)內(nèi)地下水主要為孔隙水，屬潛水類型，受季節(jié)大氣降水和人工排水等因素影響而變化，一般地下水位在自然地面下0.30.9m。 本場(chǎng)地未進(jìn)行巖土波速測(cè)試，地基土上部為巨厚的高壓縮性、高靈敏度淤積軟土，對(duì)地震波有放大作用，其抗震性能差。該場(chǎng)地為軟弱場(chǎng)地土，建筑場(chǎng)地類

8、別為類。按全國地震帶劃分，樂清市位于東南沿海 地震帶東北段，為少震、弱震區(qū)，遠(yuǎn)程地震波的波及影響是本地區(qū)的主要震害特征，基本地震烈度6度。擬建為一類高層，其建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)按現(xiàn)行建筑抗震設(shè) 計(jì)規(guī)范(gbj 11-89)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。 3 設(shè)計(jì)理論及方法 針對(duì)以上工程條件和現(xiàn)狀，采取了四種措施，以滿足建筑物的沉降變形和下臥層強(qiáng)度要求。 3.1 應(yīng)用沉降變形控制設(shè)計(jì)理論 先將樁一承臺(tái)基礎(chǔ)改為樁筏基礎(chǔ)，充分發(fā)揮筏板和地基間、樁間土的承載能力。按沉降變形控制設(shè)計(jì)的樁基礎(chǔ)(也稱減少沉降樁基礎(chǔ)、沉降控制復(fù)合樁基或疏樁基礎(chǔ)，國外叫creeppile，friction piled foundation，pile

9、d raft foundation等)是按控制地基沉降的原則設(shè)計(jì)的樁基礎(chǔ)，也即在設(shè)計(jì)時(shí)由基礎(chǔ)的沉降控制值來確定樁數(shù)和樁長(zhǎng)。樁在基礎(chǔ)中除承擔(dān)部分荷載外主要起減少和控制沉降的作用，樁可視為減少沉降的措施，或作為減少沉降的構(gòu)件來使用。它是現(xiàn)代樁土相互作用理論研究的重要成果之一。在實(shí)際工程中采用樁基礎(chǔ)的原因主要有兩個(gè)：一是因?yàn)榈鼗休d力不夠，需要采用樁將上部結(jié)構(gòu)荷載傳到深層土或支撐于堅(jiān)硬持力層，二是因?yàn)榈赝翆?huì)發(fā)生較大的沉降變形，需要采用樁來減少沉降。因此，合理和恰當(dāng)?shù)臉痘A(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)采用樁基的目的不同而分三種不同的情況處理：?所有荷載由樁承擔(dān);?樁和筏板基礎(chǔ)分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，樁既承擔(dān)荷載，同時(shí)也起到

10、減少沉降變形的作用：?樁用于減少或控制沉降，基礎(chǔ)的承載力主要由基礎(chǔ)板(梁)承擔(dān)。目前的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論都是建立在滿足承載力的基礎(chǔ)上，也即在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)均按上述第一種情況處理，完全由上部結(jié)構(gòu)荷載來確定樁數(shù)和樁長(zhǎng)。顯然，對(duì)于沉降過大而采用樁基礎(chǔ)的情況來說，這種傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法是過于保守的并且在設(shè)計(jì)目的上也不明確。以沉降控制的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，目前主要應(yīng)用于層數(shù)小于8層的多層建筑，且多使用直徑小于25cm的預(yù)制鋼筋混凝士微型樁。某10層辦公樓樁筏基礎(chǔ)按變形控制設(shè)計(jì)理論，成功地將原設(shè)計(jì)的110根650鉆孔灌注樁減少到76根。在國外，1986年，此理論已應(yīng)用于11層的建筑物樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，但尚未見樁箱(筏)

11、基礎(chǔ)與地基共同作用應(yīng)用于超過18層的高層建筑樁箱(筏)基礎(chǔ)的報(bào)道。高層建筑樁筏基礎(chǔ)按變形控制設(shè)計(jì)理論的核心是認(rèn)為高層建筑樁箱(筏)基礎(chǔ)能否正常安全工作，主要是讓建筑物的實(shí)際沉降量小于允許沉降量。對(duì)樁的承載能力沒有很嚴(yán)格的要求，只要單樁荷載小于單樁極限承載力即可，并對(duì)24層的高層住宅作了加層的嘗試，獲得成功。 采用樁、筏共同作用的優(yōu)點(diǎn)是：充分利用和發(fā)揮了樁對(duì)控制基礎(chǔ)沉降的能力，并使筏板底地基也充分發(fā)揮承載能力，大大降低了工程造價(jià)。本工程提出的計(jì)算公式：fgd(npuafu) 式中f作用于樁基承臺(tái)頂面的豎向荷載設(shè)計(jì)值； g樁基承臺(tái)和承臺(tái)上土自重設(shè)計(jì)值； pu單樁極限承載力; d綜合承載力系數(shù)，一般

12、取0.50.6; a承臺(tái)基礎(chǔ)面積； fu基底土的極限承載力。 3.2 措施 (1)通過將樁-承臺(tái)基礎(chǔ)改為樁筏基礎(chǔ)和運(yùn)用沉降變形控制理論設(shè)計(jì)方法，使d(npuafu)項(xiàng)比原來的設(shè)計(jì)(所有荷載由樁承擔(dān))值增大，充分發(fā)揮單樁和地基土的極限承載力。 (2)減少f:采用減輕上部結(jié)構(gòu)重量方法,將框剪結(jié)構(gòu)改為框架結(jié)構(gòu)，將部分磚墻改為輕質(zhì)隔墻。 (3)減少g:采用增加一層地下室，減少土體自重，增大地下水浮托力的辦法，減少基底的壓應(yīng)力。這是本工程樁基設(shè)計(jì)中的重要一個(gè)環(huán)節(jié)，也是本文的創(chuàng)新點(diǎn)。為安全起見，g的減少量?jī)H取0.8倍地下室有效土體重。 經(jīng)過以上(1)、(2)和(3)三項(xiàng)措施處理后，經(jīng)驗(yàn)算房屋的整體沉降、局

13、部沉降及樁端下軟弱下臥層的強(qiáng)度均可滿足要求。 (4)運(yùn)用實(shí)時(shí)調(diào)控的方法和技術(shù)進(jìn)行半逆作法施工,為了防止出現(xiàn)不均勻沉降或整體沉降量過大，本工程還采用了預(yù)留的安全措施,即后補(bǔ)預(yù)制樁技術(shù)，使地基、樁筏和由于計(jì)算模型、計(jì)算方法及各種參數(shù)的不確定性因素也得到解決和檢驗(yàn)，具有實(shí)時(shí)檢驗(yàn)和控制作用。在建筑物的四角和對(duì)沉降控制敏感的區(qū)域，巧妙合理地預(yù)設(shè)倒錐形孔位，為將來需要時(shí)補(bǔ)壓預(yù)制樁，預(yù)先作好考慮和準(zhǔn)備，做到萬無一失。 4 展望 本文介紹的設(shè)計(jì)方法，雖屬于為了工程處理目的，但經(jīng)過進(jìn)一步深入研究和實(shí)踐考驗(yàn)，相信可以推廣應(yīng)用。目前該工程已進(jìn)入基礎(chǔ)開挖階段。 但由于某些計(jì)算理論的不成熟和缺乏實(shí)際工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為了較詳細(xì)地了解其真實(shí)受力、變形過程，與設(shè)計(jì)計(jì)算值比較，并為研究同類問題提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)，在施工和使用的規(guī)定時(shí)期內(nèi)除了常規(guī)的檢測(cè)外，有意識(shí)地設(shè)置了部分儀器和測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行沉降觀察和壓力測(cè)試。最后的結(jié)果要等到大樓結(jié)頂和投入使用一段時(shí)期后才能得到和驗(yàn)證。 通過這一工程的設(shè)計(jì)和處理