建筑结构分区

基于变形控制的地基基础方案优化设计

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本文基于变形控制的原则,应用“PSFIA”专业分析软件,在对北京海淀某工程地基基础设计方案充分分析的基础上,从多方面优化了初始地基基础方案,较大程度的节约了工程造价,创造了较大的经济效益。 2 建筑概况 本文分析的项目位于北京市海淀区中关村永丰高新技术产业基地内。由A区、B区两个建筑群的7栋主楼及与其相连的裙房、纯地下部分组成,总建筑面积为204281m2。基础形式拟采用平板式筏基,各建筑部分均位于同一基础底板上。建筑设计条件详见表1。

本文基于变形控制的原则,应用“PSFIA”专业分析软件,在对北京海淀某工程地基基础设计方案充分分析的基础上,从多方面优化了初始地基基础方案,较大程度的节约了工程造价,创造了较大的经济效益。

2 建筑概况

本文分析的项目位于北京市海淀区中关村永丰高新技术产业基地内。由A区、B区两个建筑群的7栋主楼及与其相连的裙房、纯地下部分组成,总建筑面积为204281m2。基础形式拟采用平板式筏基,各建筑部分均位于同一基础底板上。建筑设计条件详见表1。


表1 建筑基本设计条件一览表

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3 地层概况
根据岩土工程勘察资料,拟建场地平均自然地面标高为44.28m(43.44~45.17m)。基底以下18~25m持力层土质为第四纪沉积的的深厚粘性土层,其下为砂土与粘性土互层。基底以下地层岩性及分布详细情况见表2。

表2 基底以下地层岩性及分布


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注:1.层厚中< >内为基底以下层厚;

2.表中压缩模量Es为附加压力为100kPa时的压缩模量,( )的数据为经验值。


该场地共测得三层地下水:第一层地下水类型为潜水,静止水位绝对标高为33.55~40.57m;第二层地下水类型为层间水,静止水位绝对标高为18.18~29.97m;第三层地下水类型为层间水,静止水位绝对标高为9.97~12.80m。


4 地基基础设计方案优化思路


该工程因高层建筑部分荷载大,且各建筑部分荷载差异较大,基底粘性土层较厚且压缩性较高,差异沉降问题突出。


同时因基础埋置较深,低层裙房及纯地下车库基础处于超补偿状态,造成与其相邻主楼结构部分基础的侧限约束条件被永久性削弱;场区地下水水位较高,结构荷载较小的建筑部位设置抗拔桩会导致该建筑部位沉降量减小。这些因素会进一步加剧工程差异沉降。


因此,地基承载力和地基沉降、差异沉降能否控制在设计允许的范围之内,是本工程基础设计的重点。


4.1 初始地基基础方案


该工程拟在A4楼、裙房及纯地下部分采用抗拔桩方案,其余各主楼采用钻孔灌注桩方案。其中,A4楼、裙房及纯地下部分抗拔桩桩长25m,桩径80mm,桩间距4.2m×4.2m;A1、A2、A3及B1楼核心筒部位由于荷载较大采用后注浆钻孔灌注桩抗压桩方案,有效桩长40m,桩径80mm,桩间距2.4 m×2.4m~2.7 m×2.7m;在A1、A2、A3、B1楼的核心筒外框及B2楼、B3楼基础采用钻孔灌注桩抗压桩方案,桩长30~40m,桩间距2.7m×2.7m~2.8 m×2.8m。


拟建项目拟采用平板式筏基,A1、 A2、A3、A4、B1、B2及B3楼及其荷载外扩范围板厚分别为2.5m、2.2m、2.2m、1.2m、2.2m、1.6m及1.8m;纯地下部分板厚为0.8~1.0m。基桩布置及板厚分界详见“图1 初始桩位及筏板分界示意”。


为了减少高低层之间的差异沉降,在主楼与裙房、纯地下部分之间设置了沉降后浇带(由于场地位置限制,局部主楼与裙房、地下车库之间的位置未能设置沉降后浇带)。


4.2 地基基础方案优化目标


地基基础优化设计与普通的地基基础设计采用的是相同的基本理论,使用的是相同的计算公式,遵守的是同样的设计规范和施工技术、构造要求或验收规程,因而具有相同的安全度。所不同的是,传统设计在安全性、经济性方面缺乏衡量标准,而优化设计是用一个或多个明确特定的指标(如造价最低、工期最短、环境影响最小、施工最方便等)来衡量[2]。


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图1 初始桩位及筏板分界示意


分析该项目的初始地基基础方案,B区的B2、B3楼均可调整桩基方案为CFG桩复合地基方案,而A区A3楼及B区的B1楼也有可能实现CFG桩复合地基。


因此,优化分析的目标为以下几个方面:1、进行CFG桩地基处理设计,调整桩长、桩间距,优化CFG桩设计方案;2、调整钻孔灌注桩方案,从桩长、桩间距等方面进行优化;3、优化基础筏板方案,调整厚板的范围及板厚;4、进行后浇带的优化,调整后浇带位置。


最终通过地基与基础协同计算分析,计算各种地基基础方案的沉降量,比选地基基础方案,为基础设计提供依据。


4.3 地基基础方案优化的控制依据


如前所述,差异沉降问题是本工程的核心问题,因此,本工程地基基础方案优化应该在满足承载力要求的前提下,以变形控制为依据[3]。


本文将采用“PSFIA”分析软件,通过地基与基础协同计算分析,对该地块采用地基形式、地基处理方式、基础形式、基础优化方案等有深入分析和论证,提供有利于节约成本,缩减工期的最终地基基础方案。


5 地基基础设计方案优化工具


PSFIA方法是以大量实测资料为背景,采用桩—土—基础共同作用原理,引入桩端刺入变形概念,并提供定量计算刺入变形的参数经验公式,是一种既有先进理论为基础,又融进了地区经验的实用分析方法。该方法不仅可用于天然地基工程沉降分析、桩基工程沉降分析,还可用来分析部分采用桩基、部分采用天然地基的高低层建筑的沉降和差异沉降分布情况[4]。


5.1 PSFIA方法的简单原理


PSFIA方法是根据建筑物基础形式,采用梁板有限元法建立反映基础作用荷载和位移关系的基础刚度矩阵,根据各计算节点的地层情况。按照布辛奈斯克(Boussinesq)和明德林(Mindlin)应力假设,采用分层总和法建立起地基柔度矩阵,从而列出地基沉降与基底反力的关系式。按照地基与基础共同作用的原理,假设在各节点处基础与地基的变形协调一致,由此获得以节点位移为未知数的协同方程,采用非耦合逐次逼近法求解节点位移,然后计算出各单元节点内力及基底反力。


5.2 PSFIA方法的特点


PSFIA方法在现场足尺试验与测试的基础上,进行了分析模型的研究、数值方法的应用和大量工程实测检验,提出了一种实用简便的分析桩基工程的变形方法。该方法采用共同作用的分析原理,考虑桩—土—基础(承台)的变形协调以及桩的非线性刺入变形,可以充分地反映荷载分布、地基土层变化、基础刚度调整、桩间土荷载分担、桩端刺入变形、群桩效应等诸多因素的影响。采用增量法分多个荷载阶段计算,可拟合施工过程,反映在不同荷载阶段时地基土的变形差异;还能模拟高层主楼与周围裙房之间所设置的施工后浇缝浇灌前后基础刚度的变化,反映后浇缝对高低层建筑变形与整体内力的影响,从而可判断设置施工后浇缝的必要性以及浇灌时间;采用基底总压力计算建筑物总沉降,可用于补偿或超补偿的低层或纯地下建筑的沉降估算。由于用大量工程实测沉降资料进行“反演”,获取相关的经验参数,估算的沉降分布情况与实际较为接近,具有较高的可靠性。


6 地基基础设计方案优化过程


6.1 计算模型及计算工况


建筑物范围内按主要的平面轴网布置计算网格,共设置节点406个;采用4节点矩形和3节点的三角形板单元模拟基础底板,设置板单元376个,梁单元226个;在拟建建筑物范围内地层划分为84个区,每个区根据土质随深度变化的情况,将基底以下的土层分为35层,每层土质参数除按勘察报告提供的土试与现场测试指标确定外,经CFG桩处理的土层按复合模量计算,其它所缺的非线性参数根据经验确定。


分两个阶段加荷:第一加荷阶段为沉降后浇带尚未浇灌,沉降后浇带两侧的结构相互脱离,各主楼及裙房、纯地下部分取总荷载的70%作为计算荷载计算沉降;第二加荷阶段为沉降后浇带已浇灌,沉降后浇带两侧的结构连在一起,各主楼及裙房、纯地下部分取总荷载的70%作为计算荷载计算沉降。将第一和第二加荷阶段计算所得的沉降累加,获得最后结果。


6.2 地基基础方案调整


本工程地基基础方案优化设计分为三次进行。


首次分析是在初步优化原地基基础方案(A1~A3楼、B1~B3楼均采用抗压桩方案、A4楼及地下车库部分采用抗拔桩方案)的基础上进行协同计算,计算结果表明,A1楼采用钻孔灌注桩抗压桩方案、A2、A3、B1~B3楼均采用CFG桩复合地基方案、A4楼及地下车库部分采用抗拔桩方案基本可行;建议对A1楼钻孔灌注桩抗压桩方案进行优化设计(桩长、桩间距)并对CFG桩方案进行深化设计,调整后浇带位置。


根据优化后的地基基础方案进行了第二次计算,计算结果表明:A2、A3楼采用CFG桩复合地基方案,虽然承载力可以满足设计要求,局部高低层差异沉降不能满足相关规范的规定。


进一步调整设计方案,A2、A3楼采用钻孔灌注桩抗压桩方案,同时对基础底板尺寸进行优化,板厚由2.0m调整为1.8m且厚板范围相应减小,设计方案优化完成之后,进行第三次计算分析并进行了经济分析,结果表明,最终优化的设计方案是合理且经济的。最终优化的地基基础方案见“图2 最终桩位及筏板分界示意”,协同分析成果见“图3 总沉降分布示意”。

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图2 最终桩位及筏板分界示意

7 地基基础设计方案优化的经济成果


拟建工程主楼与裙房、纯地下车库置于同一基础底板之上,虽然荷载相差较大,且地下水位较高,但由于采用了天然地基+抗压桩+CFG桩+抗拔桩+筏板基础,不仅减少了拟建建筑物自身的沉降量,而且使主楼与裙房、地下车库之间的差异沉降得到有效控制。

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图3 总沉降分布示意


表3、表4分别给出了拟建工程基础方案及地基方案优化前后的经济对比。通过对比数据可以看出,最终优化的桩基及CFG桩地基方案较初始桩基方案节约混凝土方量11846.65m3,为初始地基方案混凝土量的34.6%;最终优化的基础筏板方案较初始基础筏板方案节约混凝土量8326.11m3,为初始基础方案所耗混凝土量的20.1%。节约工程总造价约3000万余元。


截止本文发稿,该工程已施工至结构到顶。施工过程中沉降观测资料表明,沉降分布趋势与沉降量与本文预测基本吻合,同时表明本文优化设计的地基基础方案是安全可靠的。


表3 基础方案优化分析表

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8 结语


本文基于变形控制,应用“PSFIA”分析软件,对北京市海淀区某工程的初始地基基础设计方案在地基形式、地基处理方式、基础形式等方面多次调整、深入分析和论证,在满足设计和规范要求的前提下,实现了部分钻孔灌注桩方案到CFG桩地基处理方案的优化、部分钻孔灌注桩布桩的优化、高层筏板变薄的优化、高层厚板范围缩小的优化等多方面的优化成果。最终采用的天然地基+抗压桩+CFG桩+抗拔桩+筏板基础方案既安全可靠,又取得了较大的经济效益。本文地基基础优化设计以期对以后类似工程的设计有借鉴意义。  


表4 地基方案优化分析表
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注:1、表中钻孔灌注桩及CFG桩方量计算均未考虑保护桩长;


      2、优化的地基方案将CFG桩方量和混凝土方量合并统计。

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