结构百问13-地基基础设计小结

~ 1、地基基础选型

地基与基础既相互独立又紧密相连。基础放置于地基上，对地基有荷载作用，基底压力又反作用于基础底板。因而地基与基础选型应结合考虑。对于上部结构较轻，地基土质较好的情况，可以直接采用天然地基上的浅基础，包括独立基础、条形基础。对于高层结构，一般使用筏板基础和箱型基础，再加上地基处理。超高层或者土质太差就要用到桩基了。

对于基础选型，还有一项需要重点考虑的是费用问题。目前正在做的一个高60m，地上17层地下3层的高层项目，进行了平板筏基和梁板筏基的设计对比。考虑到梁板式筏基增加室内房心土回填一道施工工序、基坑深度增加约半米（基坑支护费用相应增加），故采用平板式筏基方案。

2、地基计算

地基设计和地上结构设计一样，都要满足强度、刚度和稳定性的要求。强度就是要满足地基承载力要求，刚度是要满足基础沉降和倾斜的变形要求，稳定性包括抗滑移稳定性和抗浮稳定性。

当天然地基承载力不满足基底压力要求时，就需要进行地基处理。地基处理方法包括换填垫层法、强夯法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法和挤密桩法等，其中CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）因其可对地基承载力有较大提高而且经济性良好而得到广泛应用。针对塔楼、纯地下室等不同区域基底压力的不同，可以调整CFG桩的面积置换率达到承载力满足设计要求的目的。

3、基础设计

基础设计是个反复迭代的过程，目的是得到一个经济合理的结果，包括基底压力均匀，筏板厚度适宜，柱墩尺寸满足冲切要求等。基础设计前需要详细阅读地质勘察报告，明确持力层位置、土层承载力、压缩模量和地下水位情况。

（1）筏板厚度宜变化：塔楼下部筏板厚度可大些，纯地下室部分筏板可减薄，核心筒区域筏板局部加厚。

（2）柱墩尺寸增加更经济：对于柱下冲切和柱墩冲切不满足要求时，增大柱墩尺寸比增大一整片的筏板厚度更经济。

（3）筏板挑出：当地下室相对于塔楼外扩面积不大时，可能出现基地压力过大的情形。此时可以通过将筏板挑出增大基底面积来达到减小基底压力的目的。一般挑出长度不超过跨度的1/4，同时外挑筏板需要考虑覆土荷载。

（4）倒楼盖法与弹性地基梁法：倒楼盖法为刚性板假定，基底反力呈直线分布，概念清晰计算简单；弹性地基梁法为有限元算法，结果更准确但计算较繁琐。《建筑地基基础设计规范》8.4.14条，当地基土比较均匀，上部结构刚度较好，柱网和荷载分布均匀，且梁板式筏基梁的高跨比或平板式筏基板的厚跨比不小于1/6时，可按倒楼盖法计算。当不满足上述要求时，筏基内力须按弹性地基梁法进行分析计算。

（5）根据地勘报告给出的抗浮设防水位进行抗浮计算，不满足抗浮要求时可以采取增加配重、设置抗拔锚杆、抗拔桩等措施。

4、基床系数与压缩模量

基床系数其实是文克尔在1867年提出的文克勒地基模型（弹性地基梁）中的基床反力系数，就是把地基土体划分成许多的土柱，然后用一根独立的弹簧来代替，K就是弹簧刚度。其定义是从原位平板载荷试验得到的, 即K =P /s 式中, P 为作用在荷载板上单位面积的压力 ( MPa);s 为荷载板的下沉量 ( m) ;K 为基床系数 ( MPa/m)。

基床反力系数K是基础设计中非常重要的一个参数，因为它的大小直接影响到地基反力的大小和基础内力。因此，合理地确定此参数的大小就显得至关重要。基床反力系数K值的计算方法包括静载试验法、按基础平均沉降Sm反算法、经验值法。

土的压缩模量相当于土层的弹模，可用来计算地基沉降。

正常的计算过程是根据上部结构和基床系数得到基底压力，根据基底压力和土的压缩模量计算地基沉降。

两者之间也有关系。

《地下铁道、 轻轨交通岩土工程勘察规范》 给出了固结试验模量与基床系数之间的换算关系，k≈50E。周宏磊，张在明在《基床系数的试验方法与取值》中提出，北京地区基床系数与压缩模量比值的平均值在5左右。

基床系数理论计算结果如果比较小，只能取经验值，可以参照承载力的50~100倍取值；或者根据地基特性与土的种类取值；或者根据当地同位置地区的沉降经验值估算。

5、基础埋深

基础埋深包含两个概念，一是基础的实际埋置深度，二是地基承载力深宽修正时的计算埋深，两者不完全一致。《建筑地基基础设计规范》和《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》均有类似规定：在确定高层建筑箱形或筏形基础埋深时，应考虑高层建筑外围裙房或纯地下室对高层建筑基础侧限的削弱影响，宜根据外围裙房或纯地下室基础宽度与主楼基础宽度之比，将裙房或纯地下室的平均荷载折算为土层厚度作为基础埋深。

6、消防车荷载

消防车荷载数值很大，设计时应考虑可能的折减。

《荷载规范》5.1.2条：“设计楼面梁时，对单向板楼盖的次梁和槽型板的纵肋应取0.8，对单向板楼盖的主梁应取0.6，对双向板楼盖的梁应取0.8；”设计墙、柱时可按实际情况考虑；设计基础时可不考虑消防车荷载。

可见对消防车荷载折减幅度比一般活荷载大很多。而且，地震计算可不考虑消防车荷载，消防车荷载的重力荷载代表值系数可填为0，这样可大大减少地下室的地震作用。反之，如果把消防车荷载按照一般的活荷载输入，软件按照默认的0.5的重力代表值系数计算，地震效应要大得多。

YJK的解决方案是把消防车荷载按照自定义荷载工况输入，并在自定义工况的荷载类型中专门设置“消防车”荷载类型，以进行专项处理。用户在属性框中首先可将重力荷载代表值系数填为0，再根据情况填入次梁、主梁和柱、墙的折减系数。

软件将自动识别主梁、次梁。对于次梁，取用次梁折减系数。对于主梁，软件自动识别2种情况的主梁，第一种是双向板楼盖主梁，采用0.8的折减系数；第二是单向板楼盖主梁，对这种布置了次梁的主梁识别为“单向板楼盖的主梁”并取活荷载折减系数0.6。

在基础设计时对各种自定义荷载是由用户选择导入的。对于消防车荷载，基础软件在读取荷载时自动过滤。这样的处理方案可以避免基础设计时需要修改荷载重新计算的问题。

对消防车的各分项系数填1，可有效减少设计弯矩。

消防车荷载作为自定义荷载计算后，原来把消防车荷载当活荷载输入时，相应位置应输入一般的活荷载。消防车荷载与其他活荷载的组合关系应为“包络”，不应“叠加”。

-2016年8月18日

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