高层建筑地下室补偿基础设计研究

张志勇 张晔 李艳芳

摘要：现阶段随着高层建筑的不断增多，但是在对其地下室桩基础设计时，很少考虑桩间土对上层建筑的负荷，设计员在地下室补偿基础设计时，一般为了降低地下室基础的沉降，通常会按照规范所规定的桩距来分布桩基，同时认为桩基越多越密就越安全，这与实际情况并不相符并且增大了工程不必要的投入。本文以福州某地的某高层建筑为例，详细说明了高层建筑中地下室补偿基础设计中的各种应该注意和避免的问题。

关键字:地下室；桩筏基础；桩间土；补偿作用

引言

随着城市建筑的规模在日益增大，高层建筑越来越普遍，对其地下室的补偿基础设计的研究也越来越多。传统的地下室补偿基础通常采用的是摩擦桩和端成桩，桩基具有承载力高、沉降量小而较均匀的特点，几乎可以应用于各种工程地质条件和各种类型的工程，尤其是适用于建筑在软弱地基上的重型建（构）筑物，但是在地下室补偿基础设计中，设计员的设计完全由桩本身承重，没有考虑到实际情况下桩间土体也承受了部分负荷的情况。在地下室补偿基础设计时，一般为了降低地下室基础的沉降，通常会按照规范所规定的桩距来分布桩基，同时认为桩基越多越密就越安全。然而事实并非如此。

1 桩筏基础桩—土反力实测结果分析

筏型基础又叫笩板型基础，即满堂基础，是把柱下独立基础或者条形基础全部用联系梁联系起来，下面再整体浇注底板。由底板、梁等整体组成。建筑物荷载较大，地基承载力较弱，常采用砼底板，承受建筑物荷载，形成筏基，其整体性好，能很好的抵抗地基不均匀沉降。筏板基础分为平板式筏基和梁板式筏基，平板式筏基支持局部加厚筏板类型；梁板式筏基支持肋梁上平及下平两种形式。一般说来地基承载力不均匀或者地基软弱的时候用筏板型基础。而且筏板型基础埋深比较浅，甚至可以做不埋深式基础。

根据桩筏基础实际测量结果分析结果可知，对于一般的非欠固结土桩基土，无论是摩擦桩还是端承桩，客观上桩间土反力是存在的，并且能稳定分担15%—35%的上部荷载。这样看来，桩间土承载力发挥着不可忽视的作用，如果不考虑其影响在增加工程耗费的同时也降低了工程的效率。

以福州某地的某高层建筑为例，该建筑结构为23层，地下负一层，建筑物高83m，筏板由358根钢筋混凝土预制桩组成，该桩厚1.25m，直径为5dm。由结果（表1）可知，桩的承载力发挥效率为43.7%—59.9%，桩间土分担的比例为15.4—32.5%，也就是说桩间土承载了接近四层的负荷。而设计人员进行设计时完全没有考虑桩间土的承重。桩间土承重的原因主要是因为桩在上部荷载压力下，发生了变形和沉降，这样就使得它也承受了一部分荷载。

表1 桩—土反力计算值与实测结果

２ 现行桩筏基础设计存在的问题

现行桩筏基础的设计已经全面考虑建筑上部結构和地基基础的相互作用，但是还存在着若干问题：

① 现阶段我国关于高层建筑上部结构与地基基础的相互作用的理论模型，但是，需要通过许多假设的理论模型尚不能完全反映实际情况。例如通过很多实际测量的结果可知，桩筏基础和箱筏基础底板的整体弯曲率都非常小，比如甘肃地区的一些高层建筑的箱筏底板钢筋应力为20—30MPa，这个数字是预设钢筋强度的十分之一，即便少数钢筋应力很大的工程其数值也小于70MPa。

② 很多有关设计人员考虑不够周全，比如说地下室深基坑的开挖，会对原本建筑地基起到卸荷和补偿作用，这样可以降低原本建筑地基的负荷，以致降低了地基的附加应力。并且在地下室设计时，地下水对桩筏基础的浮力作用并没有予以考虑，而是仅仅片面的考虑了局部作用力，造成工程的不必要支出。

③ 地下室外墙和回填间的摩擦力影响到了建筑物的沉降，同时补偿地基基础，但是这点在相关文献中都没有提及。

３混凝土收缩应力对地下室底板钢筋应力的影响

在高层建筑构建桩筏基础的视乎，由于底部筏板没有受到出自身重力之外的其他竖直方向的应力，这样就使得混凝土在硬化的过程中能够自由收缩，收缩应变为：

其中，t为天数， 为任意天数使混凝土的收缩应变（mm/mm）, 为混凝土基本收缩方程， 分别为混凝土强度、温度、养护方法、构件尺寸和配筋率影响系数。

地下室的混凝土强度为C40，即 =1，配筋率约为0.26%，则 为0.863，常温条件下， 约为1.143，养护为自然养护，则 为1.3，底板厚0.6m，则 为1.2。此时，当t分别为7天、14天、28天时，混凝土的收缩应变则分别为0.115/1000、0.152/1000、0.181/1000，当t区域无穷大时，收缩应变为0.223/1000。

现假设，钢筋与混凝土没有相对位移，则混凝土收缩就会使钢筋出现 的预压应力，此时，当t分别为7天、14天、28天时， 分别为23.0MPa、30.4MPa、36.2MPa，并且当t趋于无穷大时，钢筋产生的预应压力为44.6MPa。

由于其他约束条件的存在，实际情况下钢筋预应力并不可能达到44.6MPa.

４ 桩筏基础地下室受力特征

４．１ 地下室底板与桩及桩间土体的相互作用

地下室底板的上部荷载越大，则底板沉降越大，反作用力也就越大，桩间土摩擦阻力也越大，从而对桩的约束就越强。

４．２ 地下室外墙回填土的摩擦力作用

由于在对地下室进行必要的回填的时候，回填土经过层层夯实，这样回填土与地下室外墙的摩擦力使得外墙不易水平移动，从而增加了建筑基础的牢固性。由日本计算桩基抗震方法可知，当地下室周边土受标准锤击进入土体深度为20时，单层地下室承担的地震剪力降低至30%，两层地下室则可以忽略抗震中地震剪力问题。并且，外墙和回填土的摩擦力，可补偿地基基础。陕西省电信网管中心大楼的外墙摩擦力平均值大于100KPa。

４．３ 地下室对地基或桩基的补偿潜力

地下室的开挖，降低了原本地基的承载力，减轻了地基的负荷，从而对建筑地基或桩基的要求也会随之有所下降。

４．４ 上部结构对桩筏基础变形的约束作用

在施工开始阶段，完成不超过5层得时候，上层负荷比较小，尚不能使桩挤压变形，因此主要的荷载体是桩间土。当楼层层数超过5层时，楼层上部负荷逐渐增大，并且上部结构整体刚性逐渐形成并且增大，随着上部压力的增大，对桩的挤压也越来越大，桩基开始承重，并且5层以上的负荷基本上是有桩基承担。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。