天津地区的浅层地基多为软土地基, 且地下水位较高, 地下水位随季节变化较大。本文结合近年来在施工图审查工作中遇到的问题, 如:对于地下室埋深较大的建筑工程, 按抗压和抗拔工况设计时对地下水位尤其是有利地下水位的取值偏于不安全问题;基础及构件设计时, 地下水浮力分项系数取值概念模糊问题;部分多层建筑的基础设计为节省投资, 考虑桩土共同工作而采用减沉复合疏桩基础, 但在设计中对桩土的荷载分担比设计随意性较大或混淆复合疏桩基础与常规桩基础的概念等问题, 结合规范具体要求和工程设计经验, 梳理相关的地基基础设计概念。

　　 天津地区地下水位较高, 设置地下室的建筑物会受到地下水浮力的影响。地下水浮力对地下室结构的影响分为不利和有利两种情况:1) 按设计使用年限内的抗浮设计水位进行抗浮计算, 如浮力大于结构恒荷载产生的压重则需布置抗拔桩;2) 抗压工况计算时可考虑地下水浮力的有利影响。

　　 勘察报告中会给出拟建建筑物所在场地的抗浮设计水位, 设计时以此抗浮设计水位来计算基础受到的水浮力作用。

　　 如果地下室层数较多、埋置深度较大时, 抗压工况下地下水浮力的有利作用不应忽视。当上部结构层数较多、基础由抗压工况控制时, 也可适当考虑地下水浮力对抗压工况的有利影响, 此时的设计地下水位如何确定是问题的关键所在。

　　 勘察报告给出了工程所在场地的静止水位及年变幅, 审查时常遇到设计人员将静止水位减去年变幅作为计算有利水浮力的水头进行抗压工况布桩计算, 这样的取值过高地估计了地下水浮力的有利影响, 存在一定的安全隐患。地下水枯水期最低水位的取值应根据勘察单位提供的结构设计使用年限内的最低水位确定, 并以此为依据来确定水浮力的有利影响。

　　 在建筑结构设计中, 经常会遇到有水压力作用的情况, 对于水位不变的水压力可按永久荷载考虑 (如按50年一遇的抗浮水位或最低水位计算水压力) , 而对于水位变化的水压力则应按可变荷载考虑^[1]。

　　 当建筑物基础存在水浮力作用时, 应对其进行抗浮稳定性验算。《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) ^[2] (简称地基基础规范) 第3.0.5条第3款规定:计算基础抗浮稳定时, 作用效应应按承载能力极限状态下作用的基本组合, 但其分项系数均取1.0。依据地基基础规范第5.4.3条规定, 基础抗浮稳定性应符合下式要求:

　　 $G{}_{\text{k}}/{\rm N}{}_{\text{w},\text{k}}\ge {\rm K}{}_{\text{w}}(1)$

　　 式中:G_k为建筑物自重及压重之和, kN;N_{w, k}为浮力作用值, kN;K_w为抗浮稳定安全系数, 一般可取1.05。

　　 按地基承载力确定基础底面积或按单桩承载力确定桩数时, 传至基础或承台底面上的作用效应取正常使用极限状态下作用的标准组合, 相应的抗力采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。根据此条文规定, 在确定基础底面积或桩数时, 地下水浮力作用直接采用标准值。

　　 在计算基础内力和配筋及验算材料强度的时候, 传至基础的荷载效应取承载能力极限状态下作用的基本组合, 采用相应的分项系数。地基基础规范第3.0.6条及其条文说明中明确:通过对大量基础构件设计分项系数的试算结果统计, 由永久作用控制的基本组合采用简化算法确定组合效应设计值时, 作用的综合分项系数可取1.35。此种情况下地下水浮力按以下两种计算方法取二者的较大值:1) 地下水位取静止水位加年变幅时, 水浮力的分项系数取1.35;2) 如勘察报告已给出抗浮设计水位, 计算水头取基底至抗浮设计水位的高度, 受地表水位的限制, 水浮力的分项系数一般取1.0。

　　 地基基础规范第3.0.5条第2款规定:计算地基变形时, 传至基础底面上的作用效应取正常使用极限状态下作用的准永久组合。该规范第4款规定:当需要验算基础裂缝宽度时, 应取正常使用状态下作用的标准组合。以上两种情况下的水压力均应按50年一遇的抗浮水位 (抗浮工况) 或最低水位 (抗压工况考虑水浮力的有利作用) 计算, 因此地下水压力应取永久荷载标准值。

　　 减沉复合疏桩基础是在软土天然地基承载力基本满足要求时为减小沉降采用疏布摩擦桩的复合桩基, 是介于天然地基浅基础与常规桩基之间的一种复合地基, 其主要目的是通过设置少量基桩来控制基础的沉降。

　　 当软土地基的承载力基本满足要求时, 可设置穿过软土层进入相对较好土层的疏布摩擦桩, 由桩和桩间土共同分担荷载。疏桩的桩端持力层应选择相对较好但并非十分坚硬的土层, 以使承台产生一定的沉降时桩能充分发挥其承载力, 桩的数量除满足承载力要求外, 尚应按沉降计算最终确定。与常规桩基相比, 减沉复合疏桩基础的沉降有以下特点:1) 桩沉降发生塑性刺入的可能性较大, 桩首先承受上部传来的全部荷载, 在受荷变形过程中, 桩、土分担荷载比随土体固结在一定范围内变动, 随土体固结变形逐渐完成而趋于稳定;2) 桩间土体的压缩固结以受承台压力作用为主, 受桩、土相互作用影响次之。减沉复合疏桩基础与常规桩基础综合比较见表1。

　　 减沉复合疏桩基础常用于软土地区的以下两种情况:1) 地基承载力虽满足上部结构传来的荷载效应作用但基础沉降量较大, 设置少量桩用以控制沉降;2) 地基承载力略低于设计要求的承载力且基础沉降偏大, 设置少量桩既可控制沉降, 也可以弥补地基承载力的不足。

　　 减沉复合疏桩基础的承台形式一般采用两种:一种是筏式承台, 多用于地基承载力小于荷载要求和建筑物对差异沉降控制较严或带有地下室的情况;另一种是条形承台, 但承台面积与首层面积相比较小, 多用于无地下室的多层住宅。

　　 减沉复合疏桩基础设计时, 应遵循以下原则:在桩和桩间土受荷变形过程中, 应始终确保两者共同分担荷载, 因此单桩承载力不宜过大, 宜选用小截面桩型, 如ϕ200～ϕ400或200×200～300×300, 桩端应穿越上部软土层并支承于相对较硬的土层。减沉复合疏桩基础可按《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[3] (简称桩基规范) 中的公式确定承台面积A_c和桩数n, 如下式:

　　 $\begin{array}{l}A{}_{\text{c}}=\xi (F{}_{\text{k}}+G{}_{\text{k}})/f{}_{\text{a}\text{k}}(2)\\ n\ge (F{}_{\text{k}}+G{}_{\text{k}}-\eta {}_{\text{c}}f{}_{\text{a}\text{k}}A{}_{\text{c}})/R{}_{\text{a}}(3)\end{array}$

　　 式中:ξ为承台面积控制系数, 且要求ξ≥0.6, 表明承台分担荷载比例应不小于60%, 也即桩的最大荷载分担比为40%;f_ak为承台下1/2承台宽度且不超过5m深度范围内各层土的地基承载力特征值按厚度加权的平均值;η_c为桩基承台效应系数, 桩距S_a与桩径d之比、承台宽度B_c与桩长L之比数值越大, 承台效应越大, 当S_a/d>6时, 承台效应不再随之增大。

　　 要使桩和桩间土共同分担荷载, 承台底部的桩间土应具有一定的承载能力。当承台底为可液化土、湿陷性土、高灵敏度软土、欠固结土、新填土, 或沉桩引起超孔隙水压力和土体隆起时, 承台桩间土的抗力随时可能消失, 不应考虑承台效应, 即取η_c=0。

　　 为确保在最不利荷载情况下桩身不会被压坏, 应使基本组合下桩的最大反力值小于桩身受压承载力设计值。

　　 对于多层建筑, 当其地下室层数较多、埋深较大时, 因地下水浮力较大, 地基基础设计应按抗压工况和抗拔工况两者的不利者包络设计。埋深较大时基础持力层的承载力相对较高, 一般情况下天然地基承载力即可满足抗压工况的要求。在抗浮设计工况下, 当抗浮水位较高时, 如基础之上的结构自重及压重之和不足以抵抗地下水浮力作用, 则需设置一定数量的抗拔桩。此种情况下, 不得简单地以抗压工况采用天然地基、抗拔工况采用桩基基础进行设计, 而应根据选择的桩型及布桩方式, 具体分析是属于减沉复合疏桩基础还是常规桩基础。

　　 基础设计按照柱下布桩数量的多少可能会出现以下两种结果:1) 当地下室柱下布置的抗拔桩数量较少时, 宜选用减沉复合疏桩基础, 基础形式应为柱下复合地基承台+抗水板, 但抗压工况验算时并未考虑桩基承压, 可能导致桩基所受压力超过单桩承载力从而引起桩基失效, 因此应确保在最不利荷载情况下桩的最大反力值小于桩身受压承载力设计值;2) 当埋置较深的地下室布置的抗拔桩数量较多时, 宜选用常规桩基础, 此时桩基的刚度和承载力比较高, 基础形式应为柱下承台+抗水板, 以避免桩基的沉降量小于桩基以外的天然地基的沉降量而产生不均匀沉降。

　　 在以往施工图审查工作中, 曾遇到个别项目在设计时简单地将抗压和抗拔两种工况割裂开来, 认为柱下布桩仅起抗拔作用, 至于传至基底的压力则不考虑桩的作用而全部由天然地基承担, 这样的设计忽略了在受压工况下桩的刚度及桩与桩间土的共同工作。

　　 现结合以往审查过的工程项目, 假设一个工程算例详细加以说明。某公共建筑, 结构类型为框架结构, 基本柱网为8m×8m, 地上5层、地下3层, 地上每楼层荷载 (恒+活) 取16kN/m² (除屋面活荷载取0.5kN/m²外, 其他楼层活荷载取2.0kN/m²) , 地下每楼层荷载 (恒+活) 取20kN/m² (活荷载取3.5kN/m²) , 基础持力层承载力特征值f_ak=150kPa, 修正后的地基承载力特征值f_a=230kPa, 抗浮设计水位标高为-1.100m, 考虑有利浮力作用的地下水位标高为-4.600m, 柱下承台厚度取1m, 基底标高为-14.500m。为简化起见, 以下计算过程不考虑基础底板及承台自重, 即取G_k=0。

　　 地上5层总荷载=16×5=80kN/m², 地下3层总荷载=20×3=60kN/m², 基底压力总计:F_k=140kN/m², 有利水浮力作用值N_{w, k1}= (14.5-4.6) ×10=99kN/m², F_k-N_{w, k1}=41kN/m²<f_a=230kPa, 即基础持力层承载力可满足抗压工况的要求。

　　 建筑物自重及压重之和F_k= (80-0.5-2.0×4) + (60-3.5×3) =121kN/m², 最大水浮力作用值N_{w, k2}= (14.5-1.1) ×10=134kN/m², F_k/N_{w, k2}=0.903<K_w=1.05, 不满足抗浮稳定要求, 基础设计拟采用设置抗拔桩的措施。

　　 选用长度8m、截面300mm×300mm预制方桩均匀布置于柱下, 单桩抗压承载力特征值R_a=350kN, 单桩抗拔承载力特征值R_t=230kN, 桩中心距与桩径之比为6, 承台宽度与桩长之比在0.4～0.8之间, 查桩基规范表5.2.5, 取承台效应系数η_c=0.38 (当具备符合桩基规范第5.2.4条规定的条件之一时可考虑承台效应) , 取承台面积控制系数ξ=0.6。

　　 抗压工况下每根中柱的柱底总压力F_k=41×8×8=2 624kN, 则承台面积A_c=ξ (F_k+G_k) /f_ak=0.6× (2 624+0) /150=10.496m², 抗压桩数n≥ (F_k+G_k-η_cf_akA_c) /R_a= (2 624-0.38×150×10.496) /350=5.8根。

　　 抗浮工况下每根中柱的柱底内力N_k= (134-119) ×8×8=960kN (方向向上) , 需布抗拔桩数n≥N_k/R_t=960/230≈4.2根。

　　 若采用减沉复合疏桩基础, 每中柱下需布置疏桩6根。

　　 选用长度20m、截面ϕ600预应力管桩均匀布置于柱下, 单桩抗压承载力特征值R_a=1 800kN, 单桩抗拔承载力特征值R_t=1 000kN, 桩中心距与桩径之比为3。

　　 抗压工况下每根中柱的柱底总压力F_k=41×8×8=2 624k, 需抗压桩数n≥F_k/R_a=2 624/1 800≈1.5根, 取2根。

　　 抗浮工况下每根中柱的柱底内力N_k= (134-119) ×8×8=960kN (方向向上) , 需抗拔桩数n≥N_k/R_t=960/1 000=0.96根, 取1根。

　　 若采用常规桩基础, 每中柱下需布置基桩2根。

　　 综上所述, 对于地下室埋置较深的多层建筑, 设计时首先应确定基础的选型, 定位是常规桩基础还是减沉复合疏桩基础;基础形式应为上述抗压、抗浮两种设计工况的统一而非简单的分割。如抗浮工况下需设置抗拔桩, 即使抗压工况下基础持力层承载力能满足承压要求, 也应综合考虑布桩并确定基础形式。若采用减沉复合疏桩基础, 则布桩间距、桩基承台效应和承台面积控制系数均应符合桩基规范第5.2.5条关于复合桩基的规定及第5.6节减沉复合疏桩基础的相关规定, 并需重新复核减沉复合疏桩基础的抗压和抗拔承载力;若按常规桩基础设计, 则抗压和抗拔工况均应按对应的单桩承载力进行计算。需要注意的是, 减沉复合疏桩基础的桩截面和桩端持力层选择及桩距要求与常规桩基础是不同的。

　　 (1) 减沉复合疏桩基础由桩和桩间土共同分担上部结构传来的荷载, 要求承台底部的桩间土具有一定的承载能力, 设计时可考虑承台效应。对于埋置较深的多层建筑, 如天然地基承载力即可满足抗压工况的要求, 而在抗浮工况下需设置一定数量的抗拔桩, 则其基础形式应为抗压、抗浮两种设计工况的统一而非简单的分割, 应依据选择的桩型及布桩方式, 具体分析是属于常规桩基础还是减沉复合疏桩基础, 减沉复合疏桩基础的桩截面和桩端持力层选择及桩距要求与常规桩基础是不同的。不得按抗压工况采用天然地基、抗浮工况采用桩基的方法进行基础设计。

　　 (2) 计算地下水浮力时, 应考虑其对地下结构的不利作用和有利作用, 分别选取不同的设计水位。地下室层数较多、埋置深度较大时, 可适当考虑地下水浮力对抗压工况的有利影响。

　　 (3) 地基基础及其构件设计时, 地下水浮力的分项系数应按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别选取不同的值。