高层建筑地下室结构设计中的若干问题

 
时间日期:2009-5-5        已被阅读次:[2499]
 
佛山南方建筑设计院有限企业 陈伟明 卢传香

  [摘 要] 本文简要先容高层建筑大底盘地下室结构以及大面积地下室结构设计中常见
       的一些问题,从4个方面展开叙述,提出了相应的解决方案,浅述笔者在地下
       室工程设计中的一点体会。
  [关键词] 抗浮设计 不均匀沉降 结构超长 基础型式

  前言:随着城市发展的需求,现代高层建筑由于技术、经济、使用等各方面的因素,一般都设有大底盘地下室,通常为1~2层,随着建筑物高度的不断增加,地下室的层数也随之增加。人们对地下空间需求的不断增长,致使裙房的底盘面积在增加。地下工程在整个建设项目中所占的比重越来越大。由于地下工程材料消耗大、建造周期长、施工难度大,因此结构设计的好坏将会对整个项目的设计周期、施工工期以及建造费用产生巨大的影响。另外,地下室结构的设计也比较复杂,主要技术问题有:地基承载力及变形问题、抗浮问题、不均匀沉降问题、结构超长问题、基础型式的选取和计算方法问题、人防设计等等;这里仅对地下室设计中遇到的常见问题进行分析,并给出对策措施,简要分析地下室结构设计中的技术、经济问题及其相互关系。
  1、抗浮问题
  南方地区地下水位一般比较浅,雨水较多,对于地下室层数在1~2层的高层建筑而言,一般在使用阶段应该考虑存在抗浮问题。裙房及纯地下室部分可能会有抗浮不满足要求的问题。针对此种情况,应采取以下措施:
  (1)在设计允许的情况下,尽可能提高基坑坑底的设计标高,间接降低抗浮设防水位。高层建筑的基础底板多采用平板式筏板基础和梁板式筏板基础。一般而言,平板式筏板基础的重量与梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当,但后者的基础高度一般要比前者高,在保证基顶标高不变的情况下,后者的基础埋深要大于前者。从而相对提高了抗浮水位,故采用平板式筏板基础更有利于降低抗浮水位。
  (2)楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的1/22~1/16,宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高,从而相对降低了抗浮设防水位。
  (3)增加地下室的自重是解决地下室抗浮问题的一个直接有效的方法,此种方法大致有以下3种情况:增加地下室顶板压载、基板加载、边墙加载等方法增加地下结构物自身重量(即恒载)。这种方法的优点是施工及设计较简单;缺点是当结构物需要抵抗浮力较大时,由于需大量增加混凝土或相关配重材料用量,费用增加较多。在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的置深度,从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度,因此它不是一种效率最高的方法。
  (4)延伸基板法。此种方法是将地下结构物的基板向外延伸而形成翼板,由翼板承托覆土以抵抗上浮力。这种抗浮力可能有两种:一种是垂直压力和侧翼压力之和;另一种是为垂直压力与土间摩擦力之和,要取这两种力量中的较小者。但是,为了要延伸基板而成翼板,开挖的范围将因而加宽,土方及使用土地面积也将因而加大,其所增加的抗浮力变大。此法一般适用于不受场地限制的规模较小地下结构物的抗浮,否则,不宜采用。在实际工程中,对规模较大的地下结构物的抗浮,很少采用此法作抗浮措施。
  (5)设置抗拔桩。抗拔桩是抗浮设计中常用的方案之一,只要条件允许,抗拔桩一般均嵌入坚硬而埋藏较浅的基岩中。由于造价及施工条件的限制,抗拔桩一般入岩不深,需要对入岩桩段部分进行桩端灌浆处理。如果上覆土层较厚,桩无法埋入基岩,那就只能全靠桩侧土的表面摩擦阻力抗拔,此摩擦阻力较小,抗浮效果不佳;若在桩端设置扩大头,则能大大提高桩的抗拔能力。
  这对于抗拔桩的承载力设计而言,相对于受压桩存在两个突出的特点:
  ①受压桩的承载力组成中有端承力部分,而抗拔桩则无。
  ②受压桩的桩身弹性压缩引起桩身侧向膨胀使桩土界面的摩阻力趋向于增加,摩阻力的增加则随桩身位移由上而下逐步发挥;而抗拔桩在拉伸荷载作用下桩身断面有收缩的趋向,使桩土界面摩阻力减小。而由于拉伸荷载是作用于桩顶,摩阻力的发挥同样系由上而下逐步发生。在设计抗拔桩时,在单位面积桩身摩阻力的选用上自然比受压桩要低。
  2、不均匀沉降问题
  解决不均匀沉降问题大致有以下几种方法:
  (1)裙房和高层建筑之间设沉降缝,让各部分自由沉降,互不影响,避免由于不均匀沉降产生的内力,但实际上这样做,给建筑的立面处理、地下室的防渗漏、基础的埋置深度和整体稳定等带来很多困难。
  (2)裙房和高层建筑之间不设沉降缝,采用端承桩,将桩端置于坚硬的基岩或砂卵石层上。这样,既满足了地基承载力要求,又避免了明显的沉降差。但这种方法基础材料用量多,不经济,一般用于超高层建筑或地基持力层较差的情况。
  (3)在设计中不设沉降缝,而采取一定的措施,调整地基反力,尽量减少不同部分的地基反力差,从而减少沉降差。如:裙房部分采用天然地基,主楼部分采用复合地基或桩基。裙房和主楼部分采用不同的基础形式,主楼采用筏基或箱基,裙房采用独立基础或条形基础。
  (4)在主裙楼之间设置沉降后浇带,钢筋不断,先施工主楼,待主楼封顶完成大部分沉降后,再施工裙房。两部分沉降基本稳定后再浇筑后浇带。这样,用调时间差的办法解决了沉降差,同时又避免了设置沉降缝带来的麻烦。
  3、地下室结构超长问题
  由于建筑布局的要求,有时地下室结构超长,多数情况下都超过了40~60m。地下结构虽然受温度变化的影响较地上结构小,但周边约束作用较强,防止裂缝开展,应采取相应措施,目前比较成熟的做有以下几种:
  (1)设置伸缩后浇带。作为混凝土早期短时期释放约束力的一种技术措施,较长久性变形缝已有很大的改进并被广泛应用。地下结构一般在结构长度大于40~60m时宜设置一道伸缩后浇带,普通的伸缩后浇带宽度约为800~1000mm,钢筋贯通不切断。对于平面尺寸特别长的地下结构,应设置钢筋断开的伸缩后浇带,后浇带的宽度按钢筋搭接所需最小尺寸和必要的操作空间确定。
  (2)不设置伸缩后浇带,采取其它相应措施。主要有:①补偿收缩混凝土,即在混凝土中渗入微膨胀剂。以混凝土的膨胀值减去混凝土的最终收缩值的差值大于或等于混凝土的极限拉伸即可控制裂缝;②膨胀带,由于混凝土中膨胀剂的膨胀变形不会与混凝土的早期收缩变形完全补偿,为了实现混凝土连续浇注无缝施工而设置的补偿收缩混凝土带,根据一些工程实践,一般超过60m设置膨胀加强带;③提高钢筋混凝土的抗拉能力,混凝土应考虑增加抗变形钢筋,对于侧壁,增加水平温度筋,在混凝土面层起强化作用。侧壁受底板和顶板的约束,混凝土胀缩不一致,可在墙体中部设一道水平暗梁抵抗拉力。事实上,目前已建成的许多建筑结构,由于采取了上述措施,并进行了合理的施工,伸缩缝间距已超过了规范规定的数值。
  (3)以上两种方法结合使用。
  4、基础型式的选取及基础设计时应注意的问题
  现代高层建筑多为大底盘多塔楼式建筑群,由于上部结构荷载差异巨大,导致基底反力相差很大,因此,对基础而言,应根据不同的上部结构型式、荷载大小、地基的承载力及刚度等采用不同的基础型式。目前高层建筑中比较常用的基础型式有:筏板基础、箱型基础和桩基础等。在南方地区桩基础是应用最多的一种基础型式,因此,就桩基础的有关问题进行讨论。
  (1)桩基设计中静载荷试验的重要性
  目前的桩基础设计过程,往往受到时间的约束首先根据地质报告提供的参数确定单桩承载力设计值,根据这个估算的单桩承载力直接进行桩基础设计并施工,等工程桩施工结束后再挑选试桩进行静载荷试验。这个过程具有相当的不科学性,结果符合估算要求,则皆大欢喜,否则因工程已施工完毕补桩也会很困难,且有时因地质报告有出入会给施工中带来相当的不便。这里主要有两个问题,其一是根据地质报告提供的桩周土摩擦力标准值及桩端土承载力标准值由规范GB50007-2002计算的场区单桩承载力标准值,这是一个经验数值,设计人员还应根据具体情况合理取值。近几年来笔者通过各类桩基础中试桩及工程桩的检测,发现绝大多数桩的实际承载力均大于计算值,有些相差幅度较大,因此按试桩获得的实际承载力将会比按勘察报告估算的承载力来布置基础将产生巨大的经济效益。其二是当场地不均匀或地质报告数值有偏差的情况下,不进行试桩而直接按地质报告进行工程桩施工将给施工带来巨大的困难且造成不必要的浪费。因此桩基础设计过程中静载荷试验是一个十分重要的环节。因为此项工作质量直接影响到桩基形式、桩规格和桩入土深度的确定,同时也对施工难易有密切影响。通过科学试验,取得准确数据,能使设计方案更加合理、可行和经济,远远超过缩短工期所获得的效益。
  (2)桩基设计中桩型、桩长设计的重要性
  桩基础设计中对桩型及桩长的合理选择均会对基础设计产生重大的影响,合理的桩型、桩长选择将产生巨大的经济效益。
  (3)关于桩偏差的控制和处理
  桩基施工中对桩的偏差必须严格控制,特别是对于承台桩及条形桩,桩位的偏差都将产生很大的附加内力,而使基础设计处于不安全状态。对于桩位偏差大家主要控制两个方面,其一是竖向偏差,根据JGJ94-94第7.4.12条大家控制桩顶标高的允许偏差为-50~+100mm,其二则是桩位的水平偏差。根据JGJ94-94第7.4.11条控制各桩位偏差,施工过程中发现桩位偏差较大则应及时补桩处理。
5、结语
  地下室的结构设计是一个综合性很强的问题,涉及内容繁多且复杂,有些问题至今尚未得到很好的解决,如:地基与基础的相互作用问题、上部结构刚度对地基基础的影响等等。现代高层建筑由于地下工程庞大,建设工程在地下的投资已经接近甚至超过了地上,因此无论是从技术还是从经济的角度讲都需要大家更深入地研究地下室结构设计的技术问题,提高设计水平,真正做到技术与经济同步、安全与适用协调。
  参考文献
  [1]GB50010-2002《混凝土结构设计规范》
  [2]GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》
  [3]JGJ94-94《建筑桩基技术规范》
     
 
 
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