基于差异沉降控制的基础设计方法研究

朱兵见，温高原

（台州学院 建筑工程学院，浙江 台州 318000）

基于差异沉降控制的基础设计方法研究

朱兵见，温高原

（台州学院 建筑工程学院，浙江 台州 318000）

沉降缝、后浇带和整体连接是控制建筑物各部分之间发生差异沉降的主要做法。参照工程实例，总结了三种现行方法的构造、特点及其应用。分析表明：沉降缝安全合理，但后续施工中对缝隙的盖缝处理较难；后浇带是建筑与结构设计中针对差异沉降采用的折中方案，在一定范围内能起到较好的效果；整体连接方式通过基础及结构的刚度来调整不均匀沉降，施工方便，但对基础的要求较高，有待进一步的理论研究分析和工程实践检验。伴随着计算机数值分析技术的发展，整体连接方式必将得到广泛应用。

差异沉降；基础设计；沉降缝；后浇带；整体连接

1 引言

地基基础设计是建筑设计的重要组成部分，必须根据建筑物的用途和安全等级，场地的工程地质和水文地质条件，以及上部结构形式和施工技术条件等方面的要求，综合考虑后进行。为防止建筑物各部分由于不均匀沉降引起房屋破坏所设置的垂直缝称为沉降缝。当一幢建筑物建造在不同土质且性质差别较大的地基上，或建筑物相邻两部分的结构形式、荷载和高度差别较大，以及相邻墙体基础埋深相差悬殊时，为防止建筑物出现不均匀沉降而导致墙体发生错动开裂，应在沉降差异处设置贯通的垂直缝隙，将建筑物划分成若干个可自由沉降的独立单元。按现行规范要求，在高层建筑与裙房间必须设置沉降缝或后浇带。［1］沉降缝是从建筑物基础到屋顶全部贯通，沉降缝宽度与地基性质和建筑高度有关。沉降缝的构造与伸缩缝基本相同，但盖缝的作法，必须保证相邻的两个独立单元能够自由沉降。沉降缝因其基础也要断开的特殊性为建筑物特别是高层建筑物的基础处理带来了很大的困难，而不同的结构所采取的沉降缝基础处理方式也就有了不同。这里就设置沉降缝和不设置沉降缝这两种常用结构的基础处理方式做简要的阐述。

2 设置沉降缝

2.1 挑梁基础

基于砌体结构层数少，荷载小的特点，工程中可采用悬挑基础来处理，即在沉降缝一侧墙的基础按正常设置，另一侧的墙体由悬挑的挑梁承担，挑梁梁端另设基础梁和轻质隔墙。形式可参考图1，具体计算方法可参照悬挑梁基础验算。［2］

当框架结构层数较少，且地基承载力较大时，可以对挑梁基础做进一步的改进及采用悬挑式基础，与砖混结构相比，不同的是承重墙被承重柱所代替，因此对柱下基础的抗冲切能力和对悬挑梁的抗倾覆能力有了更高的要求。悬挑基础计算可分为两部分：一部分为悬挑梁的计算，另一部分为悬挑梁下基础宽度的计算。悬挑梁可按钢筋混凝土构件计算，悬挑梁伸入墙内长度应不少于1～2个开间。此伸入长度不能仅满足抗倾覆要求，而主要由基础底部反力而定，具体计算这里不再叙述。

悬挑梁下基础宽度的计算，我们可假设认为悬挑部分的竖向力沿开间方向传至1～2个开间（即悬挑梁伸入基础的长度），进行计算。依这样的假设，悬挑基础边缘基础底部反力较大，悬挑梁尾部基底反力趋近为零。显然此假设与实际并不吻合。实际上，悬挑梁具有相当大的刚度而与建筑物已形成一体，已不在是一单独构件。不管是砌体结构还是框架结构，我们在设计的时候都会尽量增大其整体性，所以考虑整个房屋结构的共同作用，我们的假设计算是偏于安全的。悬挑梁下基础宽度计算参数见图1.

根据上述剖面图中的F1、F2、q即可求出上部荷载作用的合力F及其形心位置，根据力的平衡及Pmax≤1.2f即可求出基础宽度。在实际工程中，根据Pmax≤1.2f求得的基础宽度是Pmax处最大宽度，这个宽度可近似取1个开间，其他部位基础宽度可按无挑梁情况下计算宽度配筋即可［5］。

从理论上讲，悬挑板基础相对于悬挑梁基础来说，受力更加合理一些。其计算依据等同于悬挑梁。从悬臂梁的外形可以看出，该处理方案非常适用于对建筑物的改造，特别对那些原有建筑物基础埋深较深时，采用该形式基础相对方便。因该基础形式基底反力不均匀，受力较复杂，所以在施工悬挑基础中，拆模时同样必须拆除悬挑下所有模板支撑，以确保基础间相互独立，互不影响。

图2 双墙基础示意图Fig.2 Schematic diagram of the foundation of double-wall

图1 挑梁基础示意图Fig.1 Schematic diagram of the foundation of cantilever beam

2.2 双墙方案

即在沉降缝两侧都设承重墙，以保证每个独立单元都有纵横墙封闭联结，结构整体性好。在两承重墙间距较小时，为克服基础的偏心受力，可采用在平面布置上为两排交错设置的独立基础，上放承重墙的基础梁。

2.3 偏心基础

当荷载较小，地基承载力又相对较高，可在双墙的基础上进一步对基础进行改动，即可采用偏心基础设置沉降缝（假设沉降缝两侧墙体为240mm），将交错布置的独立基础并排布置在承重墙的下面。偏心式基础设计模型明确，计算过程和普通基础相比只是多了组合偏心距的计算，因为荷载的较大偏心作用，基础的冲切作用面积将增加，基础的高度和基础底部的配筋将随之增大。［3］但实际施工并不复杂，其缺陷是所建的建筑物相对层数较少（一般三层左右）。基础简图如图2所示。［4］

2.4 跨越式基础

框架结构另外一种沉降缝地基处理方法便是跨越式基础，特别是对新建建筑物。该方案基底反力分布比较均匀，概念清楚，并且相互独立，自由沉降，从目前来看是最合理的。其计算依据为将条形基础分割为若干独立基础，各独立基础的面积根据各独立基础上的竖向荷载设计值确定。沉降缝两侧墙体分别砌筑在各自独立基础上的连续梁上。施工时应注意拆模时必须拆除连续梁底模板，沉降缝处侧模可用聚苯板，以确保基础能相互独立，自由沉降，见图3。

图3 跨越式基础分析图Fig.3 Schematic diagram of the leaping foundation

但此基础形式设计不易表达清楚，施工也较复杂，在工程中运用也比较广泛。如某小区经济适用住宅楼的沉降缝基础处理实例，见图4。该沉降缝两侧，一侧为桩基，桩端落在基岩上，一侧为钢筋混凝土条形基础。因为两侧结构差异沉降过大，最终将方案做了以下改进：将33轴钢筋混凝土条形基础分为几个板块并伸入到32轴桩基之间，板块犹如桥墩来支承上部荷载。在设计时根据地基承载力特征值，适当考虑经验系数来确定板底面积。此方法使山墙的荷载由悬挑承载转变为轴心承载，解决了原设计的弊端。从理论上看，该设计变更受力明确合理，并且构造清晰明了，缩小了沉降量，而且施工方便，降低了工程造价，确保了结构安全可靠性。根据后来对主体结构的相关观察，沉降缝两侧主体结构的竖向沉降和水平伸缩互不影响，达到了预期效果。［6］

图4 跨越式基础实例图Fig.4 Example diagram of the leaping foundation

3 不设置沉降缝

3.1 后浇带处理

从上述沉降缝的处理方案上我们可以看出这些变形缝处往往出现双梁、双桩、双墙，因而使结构变的复杂化，施工也麻烦，有时甚至为建筑功能所不允许。一般当裙房伸出长度不大于底部长度的15%（或10米）时，由于应力扩散作用，裙房和主楼基底附加应力相差不大，可以不设沉降缝。若桩的持力层是基本上是不可压缩的岩石，且建筑沉降完成较快，也就是说所留后浇带补浇混凝土后，连成整体的结构完全可以承受剩余沉降差产生的结构内力，则可以设临时变形缝，即后浇带。设置后浇带需要对裙房相应的梁板加强配筋。钢筋连通，先施工主楼，待主楼封顶，再施工裙房，待两步分沉降基本稳定后再浇后浇带。对高压缩性土地基，建筑物在今后的使用阶段所产生的最终沉降量仍有可能产生结构难以承受的内力和变形，从而造成结构的过大的裂缝，因此还是不容忽视的。要解决地基的沉降差异问题，仅靠设后浇带这一项措施有时也是不可靠的。所以要根据设计条件计算基础沉降和沉降差，确定是否可以采用后浇带的处理方法。［7］

底板后浇带是地下防水工程中的薄弱环节。工程中常用的处理做法如图5，6所示。

图5 地下室底板后浇带详图Fig.5 Example diagram of the construction post-cast strip in the floor of basement

图6 地下室墙体后浇带详图Fig.6 Example diagram of the construction post-cast strip in the roof of basement

3.2 主楼和裙房整体连接

主楼和裙房整体连接，就是主楼与裙房之间既不设置沉降缝也不设置沉降后浇带，而是施工时直接连接成一个整体，通过基础及结构的刚度来调整不均匀沉降。由于整体连接方式施工方便、施工质量容易保证，且已施工的结构可以随时投入使用，节约了施工成本，建造成本的回收时间提前，因此主楼和裙房基础连接也是大部分主裙楼结构连接的发展方向。大底盘高层建筑随着主楼外裙房面积的增大，厚筏基础的变形特征逐渐由刚性、半刚性特征表现为柔性特征，裙房结构以及厚筏基础起到一定的扩散荷载及调整不均匀沉降的作用。通过合理的设计，当主楼和裙房的差异沉降控制在规范许可的范围内时，可以实现主楼和裙房基础的整体连接。但是主楼和裙房一体又会牵涉到一系列的问题，比如是否有足够的刚度抵抗不均匀沉降引起的剪力，偏心受压时基础设计需要注意哪些特殊的问题，实际运用中是否可以简化等等。所以尽管现在有很多类似的工程案例，但大多都是根据经验计算，精确的结果仍需要进一步验证。［8］

3.3 主楼和裙房采取不同基础形式

主楼与裙房基础相连设计可考虑采用协调二者基础沉降的方法，即采取可靠措施将高层主楼部分的沉降减至最小，低层裙房部分的沉降在保证基础承载能力和稳定性的前提下适当增大，以减小二者之间的沉降差。当主楼层数多或地质条件差时，需要采用桩箱或者桩筏基础，层数小时也可以考虑采用刚性桩复合地基。裙房部分基础可采用天然地基上的独立基础、条形基础或者格式基础。水位高时，格式梁之间增设抗水板，也可以在梁板式筏型基础的中间板下敷设苯板、炉渣等材料以增加局部沉降量。这些都是裙房的增沉、减小主裙沉降差异的有效措施。另一方面，设计中要考虑基坑开挖时地基土回弹再压缩对减小主裙差异沉降的效应。高层建筑一般均设地下室，裙房多数设计为天然地基，建造完成以后产生回弹再压缩，因此使得主裙差异沉降减小，基坑开挖深度愈大、裙房荷载越大，主裙差异沉降也就越小。设计时，应综合分析上述因素，考虑主楼与裙房的相互作用决定是否需要以及采取何种减小主裙差异沉降的措施。［10］

4 结语

常规的处理基础沉降缝的做法，经过长时间的实践都具有很大的可行性，但在沉降缝具体设计时需针对具体情况灵活处理。总的来说各种处理方式有一下优缺点：

（1）设置沉降缝的双墙方案、悬挑方案以及跨越式基础相对比较安全合理，但后续施工中对缝隙的盖缝处理麻烦，不适用于一些对建筑立面有较高要求的建筑，其次也容易出现渗水漏水问题。同时会给采暖通风电气管线的设置带来不便，从抗震性能来看，震害表明，设缝的建筑大多发生由于或轻或重的碰撞造成的局部破坏。

（2）不设置沉降缝的后浇带方案满足了建筑立面的整体性，是处理建筑与结构在沉降缝方面矛盾的折中方案，在一定长度范围呢能起到较好的效果，但其最大弊病就是施工处理的麻烦，对工期也有很大的影响，所以后浇带的设置部位应更多考虑施工方便，后浇带的成本增加主要体现在整个工程工期的拖长，以及给地下室防水工作，管道安置带来了一定的麻烦。

（3）主裙楼整体连接方案施工方便，最大程度上节约了施工时间，但对基础的要求较高，且目前这方面的理论研究尚不完善，有待进一步的理论分析和工程实践检验。

［1］陈祥福，邵伟，薛庆峰，申明亮.高层建筑与裙房间无沉降缝设计与工程实例［J］.地下空间与工程学报，2010，6（4），815-820.

［2］李小峰，陈质文.关于悬挑式基础沉降缝结构设计若干问题的探讨［J］.林业科技情报，2008，40（2），46-47.

［3］Randoph M F.Wroth C P.An analysis of the vertical deformation of pile groups ［J］.Geotechnique，1979，29（4）：423-439.

［4］建筑制图标准（GB/T 50104—2001）.中华人民共和国国家标准［S］.北京：中国计划出版社，2007.

［5］明华.土力学与基础工程［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2003.

［6］胡佳泉，汪一鸣.黄山市天都小区经济实用住宅楼沉降缝基础处理工程实例［J］.安徽建筑，2006，（5）：125-126.

［7］沈励操，郑永强，仲崇民，鲁宁.高层建筑与裙房基础连为整体时的沉降观测及分析［J］.建筑结构，2007，37（10）：78-81.

［8］王曙光，滕延京.大底盘建筑主裙楼基础整体连接的可行性与适用性研究［J］.土木工程学报，2010，43（2）：95-99.

［9］楼晓明，刘建航.建筑物沉降缝宽度的确定方法［J］.同济大学学报(自然科学版)，2004，32（2）：147-151.

［10］王涛.带裙房高层建筑桩基优化设计与桩土相互作用影响系数的试验研究［D］.北京：中国建筑科学研究院博士学位论文，2007.

Study on Foundation Design Based on Differential Settlement Control

ZHU Bing-jian，WEN Gao-yuan
(School of Civil Engineering and Architecture,Taizhou University,Taizhou 318000,China)

Settlement joint,post-cast strip and integral connection are the three major methods to control differential settlement in foundation design. The construction practices, characteristics and application of different methods in current foundation design are summarized according to engineering examples. It shows that settlement joint is safety and reasonable while seam processing is difficult in the following construction. Post-cast strip is a compromise solution to deal with differential settlement in the design of architecture and structure.It is effective in a certain range.The mode of integral connection has the advantages of convenient construction.The differential settlement can be controlled by adjusting the foundation rigidity and structure rigidity. Because of the high requirements of foundation,it needs further theoretical research and engineering practice.The mode of integral connection will be widely used with the development of computer numerical analysis.

differential settlement;foundation design;settlement joint;post-cast strip;integral connection

周小莉）

TU470+.1

A

1672-3708（2011）06-0057-06

2011-03-20；

2011-10-17

浙江省教育厅项目（Y200906988）资助

朱兵见（1 9 7 4- ），女，山东费县人，硕士，讲师，主要从事基础工程教学和研究。