关于二期槐底村旧村改造二期地下商业与车库基础设计如何

[提要]本工程地下四层，基础埋深较大。由于抗浮要求需设计抗拔桩，而该桩在水位较低时兼做为抗压桩使用，故本工程基础按复合桩基进行设计。本文通过对不同工况的基础有限元分析，得出筏板基础配筋需按桩承压及抗拔包络设计的结论。
[关键词] 复合桩基 承载力筏板基础配筋 包络设计

1、工程概况

本工程为石家庄市槐底村旧村改造项目。建筑用地纵横向均近400m。地下四层，地上有13栋32层高层住宅及附属综合楼、临街商业等形成大底盘结构。仅地下部分建筑面积近60万m2。地下一、二层为商业，层高分别为6.2m、5.8m，地下三、四层为立体停车库，层高分别为5.2m、5.0m。地下一层顶覆土厚2.8m。工程场地位于滹沱河冲洪积扇中上部，属Ⅱ级阶地。地下可见水位距地表40米以下。
因本工程地下四层，且层高较高，埋深达27m多。经充分与业主沟通并预估未来地下水位上涨可能对结构造成的危害，本工程考虑抗浮设计，综合各种因素后抗浮设防水位标高定为-9.450m。因压重无法满足抗浮要求，故需采用设置抗拔桩方式解决。

2、基础方案

本工程进行抗浮设防，经验算，除高层住宅采用桩筏基础不存在整体抗浮问题外，其余纯地下商业及车库、带附属综合楼及商业裙楼处均需设抗拔桩抗浮。本工程场地自基底持力层以下土层分布如下：中砂层厚9.9～14.9m、粉质黏土层厚2.8～7.3m、圆砾层厚13.5～20.7 m、黏土层厚6.2～13.3m、卵石层未穿透。结合本地施工条件及地质条件，经计算采用桩径1.2m，桩长20m，桩侧后注浆的砼灌注桩。桩端座落在卵石层上。在抗拔桩的布置方案上有两种选择：方案一为在柱下设单桩抗拔；方案二为在基础筏板的板跨中部设单桩抗拔，见图1。若单纯考虑抗浮似

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乎方案二更合理，因在组合水浮力工况下，筏板的计算跨度及筏板的内力小了，相比较方案一在筏板厚度及配筋均更经济。然考虑水位上涨是未来30～50年后的预估，目前正常使用工况为非浮力组合。在此工况下，抗拔桩的受力状态为抗压桩，如采用方案二则跨中桩受压，传力不直接，筏板的内力、筏板厚度和配筋均比方案一明显增加，综合两种方案比较，最终确定抗拔桩布置方案为方案一。既兼顾未来抗拔作用，在现阶段又能直接承受竖向荷载减小变形，更为合理。


方案

一、方案二

图1
经计算抗拔桩在柱下设单桩即可满足抗浮要求。个别商业抽柱、无覆土处及大跨等需在跨中增设部分抗拔桩。
抗拔桩在地下水位较低时的正常使用工况下首先是抗压桩，但单桩的竖向受压承载力远不满足设计要求。如设计成桩基础，则柱下需做成多桩基础，且承台间还需设整体防水底板，工程造价将大大增加。考虑经济性及反复方案比较，确定采用首先利用抗拔桩的受压能力，不足部分通过变形协调由天然地基承载的复合疏桩基础方案。
确定基础方案后，根据各柱轴向力大小做了一次抗浮方案的补充调整，即同时考虑抗拔桩抗压受力，并偏于保守地将单桩抗压承载力特征值作为桩受压控制轴力，轴力较大的柱下将桩直径由1.2m增至1.6m，同时将抗拔桩由原来的仅桩侧注浆改为桩端、桩侧复式注浆，以提高桩的抗压承载力及减小变形值。

3、复合桩基筏板基础计算

3.1、地基承载力计算

桩基的设计原则要满足两种工况：a、按抗浮设计的抗拔桩，b、满足桩基在目前水位低，无浮力作用时的受压能力，同时为确保柱下单桩能承受比其特征值大很多的荷载作用，并与地基土协调工作需进行桩身极限强度验算，以保证桩基安全可靠。
基础设计采用桩基与筏板协同工作受力的有限元方法。在PKPM的JCCAD模块输入桩基筏板进行整体基础计算。桩基共两种桩型，直径1.2m及1.6m，桩长均为20m，桩侧及桩端复式注浆。抗拔承载力特征值分别为5000kN和6500kN，受压承载力特征值分别为9000kN和13000kN。
复合桩基承载力计算中关键的是怎样确定天然地基的基床系数和桩的刚度，使之在桩和天然地基土上力的分配符合实际受力状态，也是设计的控制原则。根据抗压桩静载检测报告，按直径1.2m单桩抗压Q-s曲线的斜率先求初步桩刚度（桩竖向刚度=桩承载力特征值/对应桩顶沉降）取为1.5 x106kN/m，基床系数按持力层土层取中值为20000 kN/m3。经计算沉降量在1mm以下，与试桩结果（试桩沉降为4～8mm）相差较大，说明桩刚度和基床系数取值偏大。同时单桩计算反力均大于桩基承载力特征值。在实际受力时，桩基首先承压，在桩基有一定沉降量后通过变形协调与天然地基共同承载。所以在计算时应控制桩基的沉降量要与试桩沉降量相当，同时满足桩基分配的轴向力不大于桩基承载力特征值。经反复试算取直径1.2m桩刚度为1.0x106kN/m，直径1.6m桩刚度为1.5x106kN/m，基床系数为15000kN/m3。最终计算结果见图2。桩反力标准值1.2m桩在5300～9600kN之间，天然地基反力在80～160kPa之间。满足桩基和天然地基承载力要求。此时的桩基和天然地基沉降量见图3。桩基和天然地基沉降量为4～10mm，与按地勘报告提供各土层的压缩模量计算地基在125KPa压力下沉降量为8mm相当。
按此确定的桩基刚度和基床系数进行设计筏板厚800mm，配筋为φ20@200双层双向，柱下及跨中不足处附加。
图2标准组合下最大反力图
桩最大反力(kN) 土最大反力(kPa)

图3 板 沉 降 图(mm)
SATWE永久组合:

1.00*恒+0.50*活

3.2、基础配筋计算

基础配筋按桩筏有限元考虑与不考虑水浮力分别组合计算。经计算比较发现：在大跨度跨中、跨中补加抗拔桩部位、地下一二层商业抽柱位置（示意图见图4），基础筏板上皮钢筋由不考虑水浮力工况计算控制，而柱墩下支座配筋由考虑水浮力工况计算

地下

一、二层抽柱跨中补加抗拔桩

图4
控制。如下图5、图6所示（纵向中柱在地下一、二层商业抽掉改为大跨），图中填充斜线的柱下配筋为组合水浮力的工况控制，填充斜向网格线的跨中配筋为不组合水浮力工况控制。原因如下：在不组合水浮力工况下，大跨度跨中地基反力偏小即跨中筏板的沉降量偏小；跨中补加抗拔桩的位置因在不组合水浮力工况下，此桩基相比较于柱下桩基受压沉降量小很多；地下一、二层商业抽柱位置的柱轴力较小，即此柱下桩基受压沉降要小于正常柱下桩基。三种情况最终均有桩基与相邻桩基间的沉降差异，导致此位置的桩基筏板形成倒锅底形变形，因此筏板上皮配筋比组合水浮力的工况大很多。
由此可见，在北方地区按预估水位进行抗浮设计时应注意两种工况的包络设计。

图5 不组合水浮力工况筏板配筋（mm2）

图6 组合水浮力工况筏板配筋（mm2）
4、结语
本工程因抗浮需要做抗拔桩，为充分利用该桩的抗压能力，达到优化基础方案，降低工程造价的目的，通过多种基础方案比较，最终确定为疏桩筏板基础。
基础设计中地基参数的准确是地基和基础计算的前提。本工程的试桩结果和地基勘察报告为合理选用基床系数和桩基刚度提供了依据。本工程因埋深深需进行抗浮设计，但在地下水位上浮至基底以上前，是非抗浮组合控制，基础筏板有限元配筋计算时应取抗浮和不抗浮两种工况包络设计。