【摘要】 本文結(jié)合工程實(shí)例對地基持力層埋藏較深，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)底部不能置于持力層上時(shí)，通過方案比較，提出可通過增設(shè)擴(kuò)大短柱或柱側(cè)增設(shè)短墻肢的方法加大基礎(chǔ)埋深，把基礎(chǔ)置于地基持力層上，即滿足工期要求又不改變上部結(jié)構(gòu)底層柱的計(jì)算高度。

關(guān)鍵詞：埋深、嵌固面、短柱、短墻肢
一、     工程概況
   某工程為單層工業(yè)廠房，上部結(jié)構(gòu)為框排架，無吊車，屋蓋為網(wǎng)架，上弦支承，跨度36米，現(xiàn)澆框架柱間距為6米，柱凈高8.5米，地震設(shè)防烈度6度，基本風(fēng)壓為0.55KN/m2，建筑場地類別為Ⅱ類，地基持力層為圓礫，承載力特征值為200kPa，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深-2.5m，持力層深度-2.5米至-4.0米，擬建場地現(xiàn)狀標(biāo)高-2米至-3.5米，設(shè)計(jì)要求先進(jìn)行場地平整，再進(jìn)行基礎(chǔ)施工，基底持力層超挖部分采用砂石換填處理，室外地面標(biāo)高-0.3m，底層計(jì)算嵌固面為-0.90m。為滿足施工工期要求，場地暫不平整，先施工基礎(chǔ)，再進(jìn)行場地土回填，為此須對原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整。
二、     處理方法
方法一：維持原設(shè)計(jì)，基底超挖部分仍采用砂石換填，壓實(shí)系數(shù) ≥0.94，此方法對施工質(zhì)量控制較高，工期較長，不能滿足要求。
方法二：基底超挖換填材料采用C15毛石混凝土，方便快捷，工期相對較短，但因超挖較多，換填量大，投資較高。
方法三：加大基礎(chǔ)埋深，基底降低置于持力層上，調(diào)整上部結(jié)構(gòu)底層計(jì)算高度，此方法施工工期最短，但設(shè)計(jì)修改工作量大，同樣不能滿足工期要求。
方法四：在方法三基礎(chǔ)上增設(shè)擴(kuò)大短柱或短墻肢，對擴(kuò)大短柱或短墻肢進(jìn)行受力分析配筋，滿足原設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)底層排架柱計(jì)算高度的要求，即底層排架柱計(jì)算高度不變，嵌固面置于擴(kuò)大短柱或短墻肢頂部。本方法設(shè)計(jì)修改量小，施工期較短，投資增加不多。
綜合分析，采用方法四進(jìn)行處理，但須對擴(kuò)大短柱或短墻肢進(jìn)行受力分析，并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施加以保證。
三、     擴(kuò)大短柱設(shè)計(jì)
（一）計(jì)算假定
排架柱為大偏心受壓構(gòu)件，排架柱的變形特征為彎曲變形，擴(kuò)大短柱頂能否作排架柱柱腳的嵌固面，取決于短柱的抗彎剛度，即短柱抗彎剛度愈大，其約束排架柱柱腳轉(zhuǎn)動的能力越強(qiáng)，當(dāng)短柱抗彎剛度遠(yuǎn)大于排架柱的抗彎剛度時(shí)，即認(rèn)為短柱頂為為排架柱的嵌固面，假定短柱頂作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。
（二）設(shè)計(jì)依據(jù)
根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007-2002 中第8.2.6條：“預(yù)制鋼筋混凝土柱（包括雙肢柱）與高杯口基礎(chǔ)的連接（圖8.2.6-1），應(yīng)符合本規(guī)范第8.2.5條插入深度的規(guī)定。杯壁厚度符合表8.2.6的規(guī)定且符合下列條件時(shí)，杯壁和短柱配筋，可按圖8.2.6-2的構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。         
1、起重機(jī)起重量小于或等于75t，軌頂標(biāo)高小于或等于14m，基本風(fēng)壓小于0.5kPa的工業(yè)廠房，且基礎(chǔ)短柱的高度不大于5m；
2、起重機(jī)起重量大于75t，基本風(fēng)壓大于0.5kPa，且符合下列表達(dá)式E2I2／E1I1≥10（8.2.6-1）；
3、當(dāng)基礎(chǔ)短柱的高度大于5m，并符合下列表達(dá)式：
△2/△1≤1.1
式中 △1——單位水平力作用在以高杯口基礎(chǔ)頂面為固定端的柱頂時(shí)，柱頂?shù)乃轿灰疲?/div>
△2——單位水平力作用在以短柱底面為固定端的柱頂時(shí)，柱頂?shù)乃轿灰疲?hellip;…”
工程所在地基本風(fēng)壓為0.55kPa，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土排架柱，短柱與排架柱間連接采用現(xiàn)澆，二者間的連接好于高杯口基礎(chǔ)與預(yù)制鋼筋混凝土柱的連接，因此參照此條第2小條的要求進(jìn)行短柱的設(shè)計(jì)是可行的。
（三）              短柱的計(jì)算
1、計(jì)算簡圖：
                                
2、計(jì)算參數(shù)：擴(kuò)大短柱平面圖見圖2示。
 
排架柱axb=600x800，擴(kuò)大短柱a’xb’=800x1600，h1=9m，h2=3m，C30，fc=14.3N/mm2，fy=360 N/mm2，E1=E2，M=150KN-m，F(xiàn)=35KN，N=550KN。

 

 

3、內(nèi)力計(jì)算：
MC=Fxh2+M=255 KN-m，VC=35 KN， NC=550KN
4、截面驗(yàn)算：
E2I2/ E1I1=(800X16003)/(600X8003)=10.67>10 滿足。
5、配筋計(jì)算
    1）. 計(jì)算截面有效高度
        ho=h-as=1600-35=1565mm
    2）. 計(jì)算相對界限受壓區(qū)高度
        ξb=β1/(1+fy/(Es*εcu))=0.80/(1+360/(2.0*105*0.0033))=0.518
    3）. 確定計(jì)算系數(shù)
        αs=γo*M/(α1*fc*b*ho*ho)=1.0*255.000*106/(1.0*14.3*800*1565*1565)=0.009
    4）. 計(jì)算相對受壓區(qū)高度
        ξ=1-sqrt(1-2αs)=1-sqrt(1-2*0.009)=0.009≤ξb=0.518 滿足要求。
        為充分發(fā)揮混凝土材料的受壓能力，取ξ=ξb=0.518。
    5）. 計(jì)算縱向受壓鋼筋面積
        A's=(γo*M-α1*fc*b*ho*ho*ξb*(1-0.5*ξb))/(fy'*(ho-as'))           =(1.0*255.000*106-1.0*14.3*800*1565*1565*0.518*(1-0.5*0.518))/(360*(1565-35))
 =-19054mm2
        由于A's≤0，因此按構(gòu)造配筋
        A's=ρ'min*b*h=0.200％*800*1600=2560mm2
    6）. 計(jì)算縱向受拉筋面積
        As＝α1*fc*b*ho*ξ/fy=1.0*14.3*800*1565*0.009/360=455mm2
    7）. 驗(yàn)算受拉鋼筋最小配筋率
        ρ=As/(b*h)=455/(800*1600)=0.036％
5、新增混凝土用量
Q=(800x1600-600x800)x3000x10-9=24m3
四、     短墻肢設(shè)計(jì)
從擴(kuò)大短柱計(jì)算可看出，滿足抗彎剛度要求的前提下，擴(kuò)大短柱斷面混凝土用量很大，現(xiàn)改用短墻肢代替擴(kuò)大短柱方案，作比較分析，計(jì)算簡圖同前，平面布置見圖3所示。
                                             1、短墻肢斷面取值
根據(jù)剪力墻定義，墻肢的長度不小于5倍墻厚，墻厚取上柱寬的b/2，即300mm，根據(jù)8.2.6-1公式，反算短墻肢所需長度：
L≥【（10x600x8003）/300】1/3=2172取2200mm。
L=2200≥5x300=1500mm，
2、短墻肢配筋計(jì)算，按受彎構(gòu)件計(jì)算：
    1）. 計(jì)算截面有效高度
        ho=h-as=2200-35=2165mm
    2）. 計(jì)算相對界限受壓區(qū)高度
        ξb=β1/(1+fy/(Es*εcu))=0.80/(1+360/(2.0*105*0.0033))=0.518
    3）. 確定計(jì)算系數(shù)
        αs=γo*M/(α1*fc*b*ho*ho)=1.0*255.000*106/(1.0*14.3*300*2165*2165)=0.013
    4）. 計(jì)算相對受壓區(qū)高度
        ξ=1-sqrt(1-2αs)=1-sqrt(1-2*0.013)=0.013≤ξb=0.518 滿足要求。
        為充分發(fā)揮混凝土材料的受壓能力，取ξ=ξb=0.518。
    5）. 計(jì)算縱向受壓鋼筋面積
        A's=(γo*M-α1*fc*b*ho*ho*ξb*(1-0.5*ξb))/(fy'*(ho-as'))           =(1.0*255.000*106-1.0*14.3*300*2165*2165*0.518*(1-0.5*0.518))/(360*(2165-35))
    =-9729mm2
        由于A's≤0，因此按構(gòu)造配筋
        A's=ρ'min*b*h=0.200％*300*2200=1320mm2
    6）. 計(jì)算縱向受拉筋面積
        As＝α1*fc*b*ho*ξ/fy=1.0*14.3*300*2165*0.013/360=329mm2
    7）. 驗(yàn)算受拉鋼筋最小配筋率
        ρ=As/(b*h)=329/(300*2200)=0.050％
        ρ=0.050％<ρmin=0.200％, 不滿足最小配筋率要求，
        取As=ρmin*b*h=0.200％*300*2200=1320mm2
 
3、短墻肢混凝土用量
Q=（2200-800）x300x3000x10-9=12.6m3
混凝土用量僅為短柱方案的52.5%，混凝土用量大幅減少。
4、對比分析
1）短墻肢變形特征為彎曲型，與排架柱變形特征一致，可通過其排架平面內(nèi)抗彎剛度來約束上部排架柱的變形，計(jì)算模型符合實(shí)際受力模型；
2）短墻肢抗彎剛度通過增加墻長提高其抗彎剛度，墻寬較小，即增加墻長對其抗彎剛度的提高最有效。
3）滿足抗彎剛度前提下，短墻肢的混凝土用量遠(yuǎn)小于擴(kuò)大短柱的混凝土用量；
5、配筋構(gòu)造要求：
參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007-2002 中第8.2.6條之4點(diǎn)要求進(jìn)行，短柱或短肢墻的四角鋼筋直徑不宜小于20mm，四邊構(gòu)造配置直徑不小于12mm，間距不大于300mm的鋼筋，箍筋直徑不小于8mm，間距不大于150mm。
五、結(jié)論
1、通過計(jì)算分析比較，可看出，增設(shè)短肢墻的處理方案，受力清晰，計(jì)算模型符合實(shí)際受力特點(diǎn)，構(gòu)造簡單，混凝土用量較少，節(jié)約投資。因此選用增設(shè)短肢墻方案處理本工程地基問題是可行、合理的。
     2、按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007-2002 中第8.2.6條之2點(diǎn)要求進(jìn)行處理，經(jīng)計(jì)算分析得出短柱或短墻肢的配筋均為構(gòu)造配筋，驗(yàn)證了條文的規(guī)定是安全的。
3、對普通多層框架結(jié)構(gòu)，框架的變形特征為剪切型，框架柱柱腳的受力狀態(tài)多為軸心受壓或小偏心受壓，當(dāng)?shù)鼗至映顣r(shí)，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007-2002 中第8.2.6條之2點(diǎn)要求進(jìn)行處理偏于安全。
4、無地下室多層框架結(jié)構(gòu)底層柱的嵌固面通過增設(shè)短柱或短墻肢方法處理地基持力層超深時(shí)，短柱或短墻肢的設(shè)計(jì)計(jì)算宜按剪切剛度進(jìn)行控制；參照地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固面的要求，下部抗剪剛度與上部抗剪剛度比即G2A2/G1A1≥2；當(dāng)G2A2/ G1A1≥3時(shí)，下部抗彎剛度與上部抗彎剛度比與建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007-2002 中第8.2.6條之2點(diǎn)要求基本一致。