住宅小区结构基础设计分析

住宅小区结构基础设计分析

迟安道

迟安道

深圳市建筑设计研究总院有限公司广东深圳518031

摘要：本文根据工程实例的结构特点结合地勘报告中相关场地土层分布状况，详细论述了某住宅小区结构基础的设计分析过程，以供类似建筑结构设计借鉴参考。

关键词：住宅小区；基础设计；CFG桩；沉降

1、工程概况

1.1本工程为项目的二期工程，位于河南省漯河市，总建筑面积约9.04万m2，共3栋塔楼，局部2层裙楼。工程设计相对标高+0.00相当于1985黄海高程59.60；其中16、17栋地下一层，地上19层，结构主体高度58.000；12栋地下一层，地上12层，结构主体高度36.600；裙楼地下一层，地上2层，结构主体高度7.400；12、16、17栋为剪力墙结构，裙楼及纯地下室为框架结构；地下室顶板相对结构标高为-1.30，底板结构相对标高为-6.100；

1.2本工程抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度0.05g，抗震等级四级，建筑场地类别Ⅲ类，50年一遇的基本风压0.40kN/m2，地面粗糙度类别B类；风荷载体型系数1.3，基本雪压0.40kN/m2，基础混凝土强度等级C35，钢筋采用HRB400。抗浮设防水位按1.5m（高程55.93m）。设计荷载均按相应现行荷载规范进行取值。

1.3人防工程防常规武器抗力等级常5，防核武器抗力等级核5，地下室防水等级二级，耐火等级一级。

2、场地地质情况

根据岩土工程勘察报告，场地主要土（岩）层由上至下主要为：第①工程地质单元层：粉质粘土（Q4al），平均厚度2.39m，层底标高54.75-55.45m；第②工程地质单元层：粉质粘土（Q4al），平均厚度2.64m，层底标高51.79-53.20m；第③工程地质单元层：粉质粘土（Q4al），平均厚度5.13m，层底标高45.40-49.41m；第④工程地质单元层：粉质粘土（Q4al），平均厚度2.85m，层底标高43.10-47.01m；第⑤工程地质单元层：粉质粘土（Q4al），平均厚度4.55m，层底标高38.95-40.95m；第⑥工程地质单元层：粉质粘土（Q4al），平均厚度11.40m，层底标高27.76-29.35m；第⑦工程地质单元层：粉质粘土（Q4al）该层未穿透。各层土承载力特征值及压缩性评价详见下表：

表1各层土承载力特征值及压缩性评价一览表

图1基础及地下室底板结构平面图

3.1塔楼基础设计

经过上部结构计算，根据《建筑地基基础设计规范》（GB5007—2002）第5.2.4条的规定，对该项目各子工程天然地基基础形式进行了初步计算，持力层暂时按第③粉质粘土层，并对持力层承载力特征值进行修正，计算结果见表2。

表2天然地基承载力估算表

注：1、按公式进行修正；

2、修正系数取值：=0.3、=1.6、γ=19.1、=18.9，地下水位以下取浮重度。

根据以上初步计算场地内裙楼地下室可采用天然地基独立基础；12、16、17栋住宅楼天然地基不能满足要求，应进行地基处理或采用桩基。

3.1.1基础对比选型

a.地基处理

地基处理的形式有很多种，而且现在还有一些新的处理方法不断涌现，相对比较成熟的方法主要有以下几类：注浆加固法，排水固结法，置换法，挤密法等。

根据岩土工程勘察报告，开挖深度内土层主要为可塑和硬塑状粉质粘土，土质条件相对较好，各层分布比较均匀，场地内没发现暗浜、暗塘等不利埋藏物和不良地质现象；结合当地的施工条件初步拟定这样几种基础处理形式：强夯挤密法，CFG桩。

强夯挤密法是利用重锤（约80～300kN）从高处落下产生的冲击能，夯击地基土，在地基土中产生冲击波和很大的动应力，从而使地基土密实。这种方法的特点是适用土层范围相对比较广，除了某些膨胀土或高饱和性土之外，其他土层一般都可以处理，处理深度也比较大，最大能达到40m。

CFG桩又称是利用振动打桩机将直径300～400mm的桩管打入土中，然后在管内填入一些配合材料（水、碎石、粉煤灰、水泥和按一定比例配合）形成半刚性的桩体，桩管取出后，桩体与原有地基土形成复合地基，从而提高地基承载力。CFG桩主要适用于淤泥质土、素填土、粉土、粉质粘土，地下水位以上及以下均可使用。

b.桩基

与地基处理方法一样，桩基的种类也很多，分类方法也非常多，一般按制作方法分为灌注桩和预制桩。基础选型阶段初步选定了预应力管桩这种基础形式。

c.对比选型

针对本工程的特点，强夯挤密法施工简单，成本较低，不过施工过程中产生的震动较大。施工现场周围一定距离内已有部分建筑，虽然施工时可以采取减震沟等措施，但仍然不能完消除对周围建筑的影响，综合考虑后排除了该种方法。

作为一种地基处理方法，CFG桩本身桩体不配筋，同时桩体材料造价较低，可以利用工业废料粉煤灰作为掺和料，成本优势明显。

预应力管桩施工方法成熟，可靠性很高，施工速度较快。但是，由于本工程场地勘察范围内无明显的岩层，桩端阻力较小，如选用预应力管桩，桩长较长，对比测算工程造价相对较高。

因此，经过综合对比考虑，本工程塔楼地基采用CFG桩基，

3.1.2CFG桩计算

根据建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002），水泥粉煤灰碎石桩（以下称CFG）复合地基承载力特征值按下式估算：

同理计算，12栋面积置换率为5.5%，复合地基承载力特征值为260kPa；

本工程CFG桩采用长螺旋钻孔灌注成桩。基础垫层底面、桩顶间设250mm厚级配砂石褥垫层，范围为筏板外扩300mm，最大粒径不大于30mm。褥垫层铺设宜采用静力压实法，夯填度（夯实后的褥垫层厚度与虚铺厚度的比值）不得大于0.9；成桩过程中，抽样做混合料试块，每台机械一天应做一组（3块）试块（边长为150mm的立方体），标准养护条件下其立方体抗压强度fcu不小于20MPa。

工程施工前进行了试桩，CFG桩单桩承载力特征值满足设计要求。复合地基验收时，经过载荷试验检测复合地基承载力也满足设计要求。

3.1.3塔楼筏板基础设计

根据地勘资料及结构形式和受力情况，本工程塔楼采用筏板基础，筏板基础的形式主要有这样几种：平板式等厚筏板，柱（墙）下局部加厚筏板，带肋梁的筏板，其中肋梁可以向上或向下。因为本工程为剪力墙结构，结构墙布置间距较小，同时建筑高度相对不是很高，上部结构荷载不大，所以采用平板式筏板即可以满足要求。

图2塔楼基础剖面图

本工程筏板基础兼做地下室底板，其顶面相对标高为-6.100（图2）。《建筑地基基础设计规范》要求，在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱型和筏板形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；桩箱或桩筏基础的埋置深度不宜小于建筑物高度的1/18~1/20。16、17栋结构主体高度58.000，结构主体高度33.600，因此基础埋置深度满足要求。经验初步估算16、17栋筏板厚1400mm，12栋筏板厚1000mm。

筏板基础计算采用JCCAD软件进行计算分析，主要计算筏板的内力和配筋，验算地基的强度和变形。

软件计算主要跟计算参数有关，本软件的主要计算参数主要包括筏板计算模型、上部结构刚度影响、有限元网格划分等。

本工程计算选择弹性地基梁板模型（桩和土按WINKLER模型），这种模型为简化计算模型，将土与桩假设为独立的弹簧，其虽然简单，但受力明确，再考虑上部结构刚度的影响时，这种模型也比较符合实际情况。

平板式筏板平面外刚度相对很弱，在上部结构不均匀荷载作用下容易产生较大的变形，导致的后果是筏板计算配筋增加，增加工程造价。考虑上部结构刚度的影响时，上部结构刚度叠加到基础筏板上，从而增大了筏板基础的平面外刚度，提高了筏板抵抗上部荷载的能力，使筏板变形减小，内力和配筋也同样减小。

有限元单元网格的划分有时对计算结果的影响非常巨大，实际计算时先按照程序默认值2m计算，发现有计算结果异常的情况时再适当调整控制边长，或局部调整网格划分，直至结算结果经济合理。

经过计算，平均基底反力小于复合地基承载力，筏板冲切满足要求，配筋率合理。

3.2裙楼地下室基础设计

裙楼地下室竖向荷载较小，抗浮设防水位较低，综合考虑选择独立基础加防水板基础。相对于局部加厚筏板，独立基础加防水板传力简单，施工过方便，造价较低。计算软件仍然采用JCCAD，程序计算时按柱（或墙）为不动支座，不考虑竖向变形。

计算防水板时考虑的荷载为：防水板自重、水浮力、板面荷载，不考虑上部结构荷载。计算独立基础时，同时考虑上部结构荷载和水浮力。

经过计算，本工程选用500mm厚防水板，独立基础高度800~1100mm，防水板底在独立基础周围设聚苯板，这种做法可以使防水板尽量不承担地基反力，保证了结构的受力状况与设计相符合（详见图3）。

因为场地内抗浮水位不高，设计时，增加了地下室顶板和裙楼屋面的覆土厚度，通过增加建筑自重来平衡水浮力，同时满足了建筑绿化、防冻等要求。经过验算，本工程不需要采用其他抗浮措施，大大减低了工程造价。

图3独立基础加防水板基础大样

3.3基础沉降计算

本建筑为塔楼裙楼一体的建筑物，塔楼与裙楼地下室的上部荷载差别巨大，设计时应尽量减少二者之间的沉降差。首先，增大塔楼筏板基底面积，减小裙楼地下室独立基础基底面积，通过减小主楼沉降，适当增大裙楼地下室沉降，减小了差异沉降。其次，在塔楼与裙楼地下室基础之间设置1m宽沉降后浇带。沉降后浇带需在主体结构顶板浇筑14天后，根据沉降观测数据，经设计验算后再浇筑。

根据计算16、17栋的整体倾斜值为0.0004，平均沉降量为12mm，12栋整体倾斜值为0.0002，平均沉降量为10mm，独立基础平均沉降量约为8mm，均满足规范要求。

图416栋塔楼筏板沉降图（mm）

4、结束语

对各种不良地基，适当的选择地基处理形式，不但能满足建筑承载力要求，而且相对其他基础形式有一定的成本优势。本住宅小区塔楼与裙楼地下室上部结构荷载相差巨大，设计时合理的选择基础形式，并采取相应的技术措施，适当减少塔楼沉降增加裙楼地下室沉降，从而减小二者的沉降差异。本文的基础设计思路可供同类建筑参考。

参考文献：

[1]建筑地基基础设计规范GB5007—2002

[2]建筑地基处理技术规范JGJ79-2002

[3]建筑地基基础设计方法及实例分析（第二版）2012

[4]地基基础工程283问2002