基礎變剛度調平基本原理及工程優(yōu)化
張帆
摘要：在建筑物中間部分較按承載力計算的結果增加樁數,使中間局部區(qū)域樁的受荷水平低于平均值,來降低中部樁的受荷水平;框架—核心筒結構的外圍區(qū)實施少布樁、布較短樁,發(fā)揮承臺承載作用;還可通過調整樁長、樁徑、布樁方式的方式實現(xiàn)變剛度調平設計。最終目的是控制不均勻沉降，減小平板式筏板基礎的內力以控制配筋。
關鍵詞：變剛度調平 基礎調整 沉降控制
一、概述
高層建筑有相當比例的上部結構為剛度相對較弱、荷載不均的框剪、框筒結構，其基礎采用樁筏、樁箱基礎，建成后其沉降呈蝶形分布，樁頂反力呈馬鞍形分布。這些工程的基礎設計多數沿用傳統(tǒng)理念，采用均勻布樁與厚筏(或箱形承臺)。
這種傳統(tǒng)理念可以概括為四點：
1、基樁的總承載力不小于總荷載，樁群形心與荷載重心重合或接近;即滿足力和力矩的平衡。
2、樁的布置大體均勻，有的還主張在角部和邊部適當加密;因為實測樁頂反力角部最大，邊部次之，中部最小;
3、沉降量和整體傾斜滿足規(guī)范要求;
4、筏板厚度在滿足抗沖切的前提下隨建筑物層數和高度成正比增大，厚度達3-4m者鮮見，或為增加剛度而采用箱形承臺;
常規(guī)設計計算方法只考慮靜力平衡條件，而沒有考慮上部結構、筏板、樁土的共同作用。而實際情況中，群樁效應將導致樁的支承剛度由外向內遞減;對于框剪、框筒結構，荷載集度是內大外小，而其上部結構的剛度對變形的制約能力相對較弱。若采用傳統(tǒng)設計方法，則碟形差異沉降較明顯，易引起開裂，影響正常使用的要求。
而采用變剛度調平設計理論調整樁基布置，使得基底反力分布模式與上部結構的荷載分布一致，可減小筏板內力，實現(xiàn)差異沉降、承臺(基礎)內力和資源消耗的最小化。
二、變剛度調平設計原理與原則
對于高層建筑地基計算，規(guī)范要求要求將上部結構——基礎——地基的變形作為一個體系進行整體計算，其沉降受到三者的共同制約，總體平衡方程是：
Ksl+KF+Ksρ,sU={F}sl+{F}F
式中：
[K]sl——上部結構剛度矩陣;
[K]F——基礎結構剛度矩陣;
Ks(ρ,s)——地基土(樁土)支承剛度矩陣;
{U}——基礎節(jié)點位移向量;
{F}sl、{F}F——上部結構、基礎的荷載向量。
顯然，對于某一特定的結構，其[K]sl、[K]F、[K]s(ρ,s)是確定的，相對應的荷載，位移向量{F}sl、{F}F、{U}也隨之確定。要使沉降趨于均勻，必須對其剛度進行調整。其中上部結構的剛度[K]sl不容易調整，花費代價巨大;而工程實踐表明對于非堅硬地基，荷載大且不均勻的情況，調整基礎剛度[K]F對不均勻沉降的影響很小。因而唯有調整地基土(樁土)支承剛度Ks(ρ,s)使之與荷載分布和相互作用效應匹配，才能有效減少沉降差。
三、實際工程概況及地基基礎方案
本項目位于北京市，由2座高層主樓及相連的裙房以及純地下室組成，整個工程地下三層，位于同一整體大底盤基礎上，基礎平面尺寸262m*76m。主樓平面尺寸約55.6m*35.4m，地上28層，高度99.5m，框筒結構樁筏基礎。裙房地上6層，框架結構筏板基礎。建筑基礎標高-15.45~-16.15m，建筑面積17萬m2。
基底絕對標高21.5~20.8m，基礎位于第5層粉質粘土，基底以下土層詳見下表，地質剖面圖如下圖。
基底以下土層情況
地層序號巖性各層層頂標高稠度壓縮性
�、煞圪|粘土、粘質粉土21.25~24.05可塑~硬塑中-中低壓縮性
�、史圪|粘土、粘質粉土17.40~19.30可塑~硬塑中-中低壓縮性
�、撕袡C質黏土、含有機質重粉質粘土9.45~11.00可塑~硬塑中-中低壓縮性
⑻細砂、中砂7.45~11.40/低壓縮性
�、秃袡C質黏土、含有機質重粉質粘土-5.05~-2.45可塑~硬塑中-中低壓縮性
�、新咽A礫-16.30~-13.75/低壓縮性
�、褕A礫、卵石-20.35~-18.60/低壓縮性
�、曳圪|粘土、粘質粉土-29.55~-28.95硬塑~可塑低壓縮性
本工程上部結構計算的豎向荷載現(xiàn)實，高層主樓與裙房基底壓力差異較大，高層基底平均壓力為500kPa，裙房基底平均壓力為65~110kPa。在高層內部，內筒剛度非常大，豎向荷載高度集中，水平投影面積僅占主樓面積的15~20%，但它負擔的豎向荷載占總荷載的40%上下。因此，位于同一整體大底盤基礎上的高低層之間以及高層內部荷載分布差異很大，顯然各建筑部位沉降差異也很大，本工程基礎差異沉降的控制是地基基礎設計中重點考慮的問題。
根據場地巖土條件，在設計基底標高一下分布的持力層主要是5、6、7層粘性土、粉土層，這一組別的地基持力層與砂、卵石層相比較承載力更低、壓縮性更高。考慮項目高層部分實際基礎側限埋深，結合驗算分析，高層部分采用天然地基的承載力行不通。
綜合以上各種復雜多樣的地基基礎問題，以安全、實用、先進、合理為原則，該工程高層部分采用后注漿灌注樁基礎方案，裙房及純地下室部分采用天然地基方案。
四、結論
具體實際工程設計中，要實現(xiàn)整體布樁的合理性，采用哪種調整方法必須與現(xiàn)場地質條件和施工條件結合，在經濟合理的前提下盡量降低技術難度。而共同作用的變剛度調平優(yōu)化設計方法，通過本文案例，可節(jié)省樁基投入、減小差異沉降和筏板內力，減小配筋。尤其控制基礎變形設計，對于有限剛度和柔性建筑基礎效果更加突出。
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