高层结构沉降及后浇带设置的研究

高 强

（沈阳航空航天大学，沈阳110136）

0 引言

现阶段，人们对建筑结构和外观的要求越来越高，各类复杂结构相继出现，带有裙房的高层结构已成为主流。随着研究的深入，学者们发现高层地基与裙房地基的不均匀沉降已成为重点研究的问题。尤其是近几年，由于地基不均匀沉降引发的建筑破坏越来越多，因此解决地基沉降问题已经迫在眉睫。对于地基的不均匀沉降，解决的方法多为设置沉降缝和沉降后浇带。虽然经过数百年的发展，但是无论国内国外几乎没有详尽的计算理论和公式。在国内外的规范中，对于沉降缝及后浇带的设置也不尽相同，设计人员无确切条款可依，无法指导施工。因此如何恰当地设置沉降缝和沉降后浇带，是当前面临的重要问题。

裙房指与高层建筑相连的建筑高度不超过24m的附属建筑。由于裙房和高层建筑高度相差悬殊，自重相差较大，因此两者地基沉降有很大的差别，这样会对建筑物有很大的影响，重则可能引发楼体坍塌。目前，处理地基不均匀沉降的方法有2种：第1种是在主楼和裙房之间设置沉降缝。其设置方案通常有2种：1）基础挑梁做法，基础可以按常规的形式设置，在挑梁一侧一般设置轻质隔墙，沉降缝的另一侧正常设置承重墙体。2）双柱双墙做法，沉降缝两端的墙体都是承重墙体，因此楼体的封闭性和整体性较好。如果2个基础之间的距离过小，可以设置2排交错的基础，这样还能够解决基础偏心受力的问题。设缝固然可以解决不均匀沉降问题，但是它给管线的设置带来了不便，同时也给室内外的装修带来了麻烦，如果有地下室，还可能有渗漏的问题。第2种是设置沉降后浇带，它的主要原理是释放初期带来的沉降变形，设置后浇带能很好地解决高层与裙房的差异沉降。但是通常都等到主楼封顶后才浇筑后浇带，这使得整个工程的工期十分紧张，同时，后浇带预留的时间过长也会使施工变得复杂，难以保证施工的质量。近些年，设计人员想出了2种高层与裙房之间不设缝的办法［1］：第1种是高层和裙房采用不同的基础形式，再设法减少不均匀沉降；第2种是把高层与裙房放在一个刚度极大的基础上。但是这2种情况还有待于研究，目前，对于带裙房的高层建筑来说，并没有系统的设计方法。

1 沉降计算研究现状

地基产生的变形是由上部荷载所引起的，它将会使基础发生沉降，由于楼体自重的存在，基础沉降是不可避免的，在一定范围内是可以接受的。由于上部荷载不均匀，因此基础的沉降也大不相同。如果基础的沉降量超过一定的限值，就会对建筑物造成损坏，例如：门窗歪曲、墙体开裂、严重时还会使建筑物倾倒［2］。为了使建筑物处于正常使用状态，首先就要对建筑物的基础沉降量进行预先的估算。如果沉降值在允许的范围内，建筑物处于安全状态，反之，就要想出办法来解决此问题。计算沉降量变得尤为重要，由于沉降量和很多因素有关，如地质条件、气象环境等，因此计算沉降量不是一件容易的事。理论联系实际是计算沉降量的一个重要步骤，同时还要遵循所有的沉降守恒定律。下面介绍几种常见的地基沉降的计算方法，主要包括2种：理论方法与数值方法。

1.1 理论和经验相结合的沉降计算方法

这是一种半理论半经验的方法，它是通过在长期的工程实践中测得数据总结出来的。将这些数据通过拟合得出公式，因此所得的公式具有实用性和可靠性。但是它也具有一定的缺陷，第一是地域性特别强。由于公式是由当地的实测数据得出的，因此只适用于计算当地的沉降量，一旦地域改变，便不能准确的计算。第二是所测数据的密集性和分散度。数据的密集性就是数据的多少，也就是数量，这直接关系到公式的精度，分散度就是公式的适用范围，这也决定了公式是否适用。

1.2 考虑历史条件下的沉降计算方法

1936年Casagrande在实验室测得前期固结土压力，比较了现有的有效压力，将黏性土划分为次固结土、正常固结土和超固结土这3大类，次固结土是在现有自重压力下未完全固结的土，正常固结土是现有自重压力等于先期固结压力的土，超固结土是先期固结压力曾大于现有自重压力的土，Casagrande还对地基土进行沉降计算，不同的地基土采用不同的方法。

1.3 应力路径法计算地基沉降

1956年，我国的黄文熙提出了一个应力路径的计算方法。该方法以一维计算为基础，在此基础上乘以一个比1大的系数，通过此方法来计算三向应力沉降量［3］。在国外，Skempton－Bjerrum［4］也提出了一个以一维计算结果为基础的计算方法，与国内不同的是当地的地基土为欠固结土，乘以的系数小于1。1966年，Lambe［5］借助的前人的研究提出了应力路径法来计算地基沉降，通过绘制竖向应变与有效应力路径的关系曲线，为沉降量的计算提供了依据。应力路径法能够分析多种应力状态下的沉降值，这种方法的精准度较其他方法相比提高很大，但是这种方法对试验操作过程要求很严格，因此在很大程度上限制了适用范围。1970年，D'appolonia［6］提出了一种新的方法，它的创新点是研究梯形荷载。1976年，Simons［7］研究了堤坝地基的沉降量。1985年，Mesri［8］提出了孔隙比与有效应力和时间具有函数关系，通过这2个变量求出孔隙比，最后求出沉降量。

1.4 由变形特征进行沉降计算

在上部荷载作用下，地基会发生一定的变化，土会发生3次沉降，首先是初始沉降，然后是主固结沉降和次固结沉降，由于土有剪切蠕变和压缩蠕变，土在发生主固结沉降时，次固结沉降同时发生，因此将主次固结沉降分开有一定难度。对初始沉降而言，弹性力学可以解决初始沉降量，地基还能够产生塑性变形，因此在计算时让初始沉降值乘以一个小于1的系数。

1.5 沉降的数值计算方法［9］

沉降的数值计算方法大致有4种：有限元分析法、边缘分析法、变分法、加权余量法。有限元法和边缘分析法是目前最常用的。它们能够很好地解决弹塑性问题和黏塑性问题，能够计算出各个时期的固结沉降值，对施工分期加载进行精准的模拟。以上提到的数值方法，它们具有一定的优势，但是也都有缺陷，那就是参数的选取。如果选取的不合乎实际，便会导致软件计算结果和实测值相差较大。因此用软件计算沉降量时，设计者应该对结果具备分析和判断的能力。

1.6 地基沉降计算的综合法

综合法就是人工测量和计算机理论计算相结合的方法，这2种方法对比得出地基沉降值，并提供给设计人员。随着方法的多样化、参数选取的合理化、积累的沉降数据越来越多、计算机功能更加强大，这使得通过计算机对地基沉降的计算更加准确。

2 沉降后浇带的研究情况

后浇带是为了适应环境温度变化、混凝土收缩、结构不均匀沉降等因素影响，在梁、板（包括基础底板）、墙等结构中预留的具有一定宽度且经过一定时间后再浇筑的混凝土带。沉降后浇带有两大优势：第一是能够很好地解决不均匀沉降，第二是能够减少温度应力带来的影响［10］。目前，国内外学者对沉降后浇带的系统计算理论还不够了解，国内外的规范也大不相同，这给设计者带来了很多不便，以至于设置不够合理。

为此，很多学者从不同角度，对该问题进行了探索与研究，取得了一定的成就。1999年，赵锡宏［11］提出设置沉降后浇带应根据现场沉降观测的结果，来校核与修正差异沉降，确定后浇带的浇注时间。同年，李寅华、赵锡宏、朱灵平、冯兆顺［12］以上海某带裙房的高层为例，通过沉降观测和理论分析来指导施工，并指出该类高层与裙房之间的作用机理，配合现场实测沉降值，为不设置后浇带提供了有利的依据。2000年，鲁松［13］通过研究沉降观测资料，提出高层建筑施工的后浇带可以提前封闭。2007年，朱浩［14］提出了一种确定整体建筑基础沉降后浇带时间点的简化方法，并以上海某多塔楼工程为例，实地应用。2007年，黄子贶［10］归纳出沉降后浇带作用的变化规律，提出了确定后浇带设置位置及后浇带的封闭时间的建议。2009年，马卫生、梁凤岭［15］指出实际工程中，可以综合考虑实际加载量与建筑最终荷载的比值、理论沉降量与实测沉降量的比值等因素，合理调整各部位的沉降差，可以提前封闭沉降后浇带。2011年，叶家强、迟铃泉［16］采用有限元软件模拟沉降后浇带的封闭与否，最后提出提前封闭沉降后浇带不会使上部结构产生较大次应力。

3 地基类型对沉降量及沉降后浇带的影响

2010年，马安东［17］对硬质岩地基超高层结构沉降及后浇带设置问题进行了研究。硬岩地基高层结构总体沉降较小，高层主体沉降值大约为8～30mm，裙房的沉降值大约为4～35mm。初期，基础沉降较快，后期趋于稳定。对于硬质岩地基而言，多数工程都没有考虑不均匀沉降问题，高层主体和裙房的沉降相差很小，基本都小于6mm。因此硬质岩地基的高层建筑有些可以不设置沉降后浇带。根据理论结果和有限元分析结果，并与工程相结合，给出不设置后浇带的硬质岩基地建筑高度范围。同时也采用有限元模拟，考虑多种情况组合下，硬岩地基高层建筑差异沉降的变化，综合前人的研究，并结合实际工程的经验，提出硬岩地基高层带裙房结构，提前封闭或取消沉降后浇带的一般条件。

2010年，李才成［18］对复合地基高层结构沉降及后浇带设置问题进行了研究。复合地基高层建筑沉降量不大，主楼的沉降量不大于100mm，裙房的沉降量在4～20mm之间，初期沉降变化较大，后期较平稳。以实际工程为例采用不同的方法计算建筑物的沉降量，对比分析了工程中实际的沉降量，结果发现有限元计算的沉降值略小于工程实际沉降值，有限元的计算结果偏于保守。综合前人的研究，并结合实际工程的经验，给出了建筑物在不同高度下，沉降后浇带的封闭建议时间范围。

2012年，桂芳［19］对软岩地基高层结构沉降及后浇带设置问题进行了研究。软岩地基高层结构总体沉降良好，沉降量较小，差异沉降不突出，在一定情况下，可以提前封闭或取消沉降后浇带。对规范法中软岩地基沉降计算进行了研究，指出了理论计算中的不足，按规范法手算实际工程的差异沉降，并利用软件拟合回归，给出了相应的计算公式。利用有限元软件，对不同情况进行分析，结果表明：在一般情况下，沉降后浇带能承受的差异沉降大约1cm。同时也考虑了多种情况组合下，软岩地基高层建筑差异沉降的变化，综合前人的研究，并结合实际工程的经验，提出软岩地基高层带裙房结构提前封闭或取消沉降后浇带的一般条件，详见其原文。

4 结语

1）分析了目前高层建筑和裙房地基的不均匀沉降问题，详细地介绍了沉降计算的研究现状，并详细地给出了6种理论计算方法。

2）简单介绍了沉降后浇带的作用，并详细介绍了国内对沉降后浇带的研究进展。

3）介绍了3种地基类型对沉降量和沉降后浇带的影响。分别对硬质岩地基、软质岩地基和复合地基进行理论分析和有限元模拟分析，并结合工程实例提出经验公式和一些建议。

［1］刘金砺.高层建筑地基基础概念设计的思考［J］.土木工程学报，2006（6）：100－105.

［2］朱浮生.地基基础设计与计算［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［3］黄文熙，张文正，俞仲泉.水工建筑物土壤地基的沉降量与地基中的应力分析［J］.水利学报，1957（3）：18－26.

［4］LBAW S.A contribution to settlement analysis of foundation on clay［J］.Geotechnique，1957（7）：168－178.

［5］TW L.Methods of estimating settlement［J］.Journal of Soil Mechanics ＆ Foundations Div，1964，90：43－67.

［6］D'appolonia.Initial settlement of structures on clay［J］.Journal of Soil Mechanics ＆ Foundations Div，1973，99：343－344.

［7］Simons N E.A short course in foundation engineering［M］.London：Butterworth and Co.Ltd，1977.

［8］Mesri G，ASCE M，Choi Y k，et al.Settlement analysis of enbankment on soft clays［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1985，111（4）：441－464.

［9］G.哥德赫.有限元法在岩土力学中的应用［M］.北京：中国铁道出版社，1983.

［10］黄子贶.沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究［D］.杭州：浙江大学，2007.

［11］赵锡宏.带裙房的高层建筑与地基基础共同作用的设计理论与实践［M］.上海：同济大学出版社，1999.

［12］李寅华，朱灵平，赵锡宏，等.对带裙房高层建筑后浇带问题的研究［M］.建筑技术，1999，30（5）：312－314.

［13］鲁松.沉降观测在高层建筑后浇带处理中的作用［J］.四川建筑，2000，20（9）：311－313.

［14］朱浩.多塔楼结构大底板的内力分析和研究［D］.上海：同济大学，2007.

［15］马卫生，梁凤岭.沉降后浇带封闭时间分析［J］.施工技术，2009，38（6）：94－95.

［16］叶家强，迟铃泉.基于ANSYS分析的沉降后浇带时间确定［J］.建筑科学，2011，27（9）：20－23.

［17］马安东.硬质岩地基高层结构沉降及后浇带设置问题研究［D］.青岛：青岛理工大学，2010.

［18］李才成.复合地基高层结构沉降及后浇带设置问题研究［D］.青岛：青岛理工大学，2010.

［19］桂芳.软岩地基高层结构沉降及后浇带设置问题研究［D］.青岛：青岛理工大学，2010.