工业建筑地坪结构设计问题的探讨

１２２

安徽建筑（总第１６１期）２００８年第４期

工业建筑地坪结构设计问题的探讨

ＳｔｕｄｙｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＧｒｏｕｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＢｕｉｌｄｉｎｇｓ

徐根生

摘

（上海机电设计研究院有限公司，上海２０００４０）

要：对于工业建筑的钢筋混凝土地坪厚度、配筋规格、地基土的处理，目前基本上无标准的计算模式和理论，设计随意性很大。工程实例中地

坪开裂、起鼓、下沉现象较为频繁，有的还很严重，甚至危及建筑物本身的安全。该文就地面活荷载在３０ｋＮ／ｍ２≤Ｐ≤１００ｋＮ／ｍ２范围内的工业建筑地坪结构设计提出几点解决问题的意见，供参考。关键词：地坪；刚性桩；柔性桩；复合地基；褥垫层中图分类号：ＴＵ２７；ＴＵ４７３．１

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００７－７３５９（２００８）０４－０１２２－０３

ＸｕＧｅｎｓｈｅｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００４０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｒｅｉｓｎｏｓｔａｎｄａｒｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａａｎｄｔｈｅｏｒｙｆｏｒｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｇｒｏｕｎｄｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｕｉｌｄｉｎｇｓｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｇｒｏｕｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｇｒａｄｉｎｇａｎｄｂａｓｅ－ｅａｒｔｈｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｔｗｉｌｌ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｇｒｏｕｎｄｃｒａｃｋ，ｐｒｏｔｕｂｅｒａｎｃｅａｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｓ；ｓｏｍｅｏｆｔｈｅｍａｒｅｖｅｒｙｓｅｒｉｏｕｓ，ｅｖｅｎｅｎｄａｎｇｅｒｓｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇａｂｏｖｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｂｒｉｎｇｓｏｕｔｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｔｏｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｕｉｌｄｉｎｇｓｗｈｅｎｔｈｅｌｏａｄｏｎｇｒｏｕｎｄｒａｎｇｅｓｆｒｏｍ３０ｋＮ／ｍ２ｔｏ１００ｋＮ／ｍ２．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ；ｒｉｇｉｄｐｉｌｅ；ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｉｌｅ；ｃｏｍｐｏｕｎｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｃｕｓｈｉｏｎｌａｙｅｒ

０前言

处简化计算为１００％，即不分配给桩，对桩而言仅受地坪板传递的竖向力。

工业建筑地坪上的荷载分布情况十分复杂，就其自重量、承压面积大小、系集中还是均布、系局部还是整体，几乎无所不有。目前常规的地面载量、形式、分布情况及地坪面构造做法和处理措施均依据《建筑地面设计规范》（ＧＢ５００３７－９６）执行。但对其中因不良地质和承受重型荷载的地坪需作地基土承载力、因此，设地坪强度、变形计算、构造设计等，标准规定多未涉及。计若遇重型载荷时，则除了根据地质勘察报告中的有关土质的物理、化学性质，土的层理分布情况，在结构上采取桩基或地基加固措施。对于混凝土地坪的厚度或者配筋规格、数量的确定基本上无统一的计算模式和理论，从而造成设计过程中有很大的随意性。实践使用过程中发生地面开裂、起鼓、下降现象较为严重，有的甚至因地面下沉量过大影响建筑物本身的安全。

上海境内地基土主要由粘性土、粉性土和沙土构成，均属其特点是承载能力低、压缩巨厚的第四纪沉积物，系软土地基。

变形大、土质不均匀、差异性大。为了既能满足生产工艺特定的地面大面积重型活载的需要又能经过统一标准的结构设计，从而减小对生产活动、生产设备、厂房建筑的不利影响，本文就地面活荷载在３０ｋＮ／ｍ２≤Ｐ≤１００ｋＮ／ｍ２范围内的工业建筑地坪结构设计问题提出解决的几点意见作为探讨，希望能进一步充实完善地坪结构设计理论。

１．２桩身材料及桩基设计

桩身可采用钢筋混凝土预制方桩、钢筋混凝土钻孔灌注桩、素混凝土桩、一ＣＦＧ桩等作为传递地面垂直荷载的刚性桩。般情况下刚性桩不仅可全桩长发挥桩的侧阻，而且还可以很好地发挥端阻作用。就上海软土地基的状况来看，由于地面大面积重荷载而引起的厂房地坪沉陷、开裂是地坪结构设计的主要矛盾，因此桩的持力层不应选择在淤泥质的土中。同时为避免地坪过大沉降影响厂房建筑的使用和安全，对桩除了计算沉降量外还应按正常使用极限状态进行设计计算。

１．３钢筋混凝土地坪板设计及构造做法

作用于地坪板上的荷载形式有集中式、局部均匀式、荷载不等的整体均匀式、大面积均匀式等不同类型。根据荷载规范规定应对其受载情况作具体分析，即将局部或集中荷载转化成等效均布荷载进行内力计算。地坪板跨是决定板的内力、厚度的主要因素，同时也是决定桩间距的关键。根据上海软土地基的特性以及众多的工程实例，桩径在２００×２００、２５０×２５０预制混凝土方桩，Ф３００钻孔灌注桩，当沉桩深度在１８ｍ￣２２ｍ时，桩端持力层约在⑤层褐灰色粘土内，单桩允许承载力约为

１６０ｋＮ￣２２０ｋＮ左右，即约为１０ｋＮ／ｍ左右。每根桩所能承受的

地坪荷重（包括板自重）面积约为１．２ｍ２￣６．２ｍ２范围。当地面荷载为１００ｋＮ／ｍ２时，桩距约在１．１ｍ×１．１ｍ；７５ｋＮ／ｍ２时，桩距约在１．６ｍ×１．６ｍ；５０ｋＮ／ｍ２时，桩距约在１．７ｍ×１．７ｍ￣２．０ｍ×２．０ｍ左右，即桩距分别是桩径的５．５ｄ￣１２．５ｄ（以２００×２００计）、（以Ф３００计）。地坪板采４．４ｄ￣１０ｄ（以２５０×２５０计）、３．７ｄ￣８．４ｄ用钢筋混凝土现浇板，板厚、桩的间距、荷载的大小按设计假定条件决定。配筋建议采用双层双向配筋，从经济角度衡量应分为柱上板带和跨中板带配筋，柱帽设置为暗匿式，便于施工操作。

１刚性桩基钢筋混凝土地坪

将桩代替柱作为承受地面活载的地坪板支点，地坪板的内

１．１计算假设条件

力按无梁楼盖板的等代框架理论计算。因桩嵌固定于土中，在桩与土共同作用的状况下，其刚度假设为无穷大。桩与板的连接处刚度和力矩在垂直荷载作用下，地坪板产生的力矩在支承

收稿日期：２００８－０５－１２

作者简介：徐根生（１９４９－），男，上海人，毕业于同济大学，高级工程师，国家一级注册结构工程师。

２复合地基素混凝土地坪或配筋混凝土地坪

第１５卷第４期徐根生工业建筑地坪结构设计问题的探讨

１２３

结合上海软土地基的特性，采取地基土加固措施达到预期的设计强度和沉降控制为目的工程实例，近年来层出不穷，而且成功率很大。复合地基一般采用柔性桩进行地基土加固措砂桩、水泥深层搅拌桩。也有采用刚性桩进行地施，有碎石桩、

微型桩、基土加固措施，如素混凝土桩、ＣＦＧ桩。多年来工程实践的经验及结果表明，上海地区的复合地基承载能力均在

ｃ．当荷载Ｐ＝Ｐｐ时，桩和土承担的荷载各占５０％；ｄ．Ｐ＞Ｐｐ后则桩承担的荷载超过桩间土承担的荷载；ｅ．当其他条件相同时Ｐｐ随桩长增大而减小；

ｆ．荷载一定，其他条件相同时，σｐ随桩长增加而增大，随桩

距减小（置换率ｎ增大）而增大，土的强度越低σｐ越大，褥垫层越薄σｐ越大。

１１０ｋＰａ￣１３０ｋＰａ范围内，其中柔性桩的复合地基承载能力还低

于此值。如何进一步提高复合地基承载力是解决重型荷载下地坪结构设计的研究课题，是挖掘经济投资的潜力。对柔性桩加固地基土承载力，经多年来众多工程技术人员结合工程实例大量实验，结果表明：不同桩长的相应的复合地基承载力Ｒ基本因此，靠增加桩长提高柔性相同，且桩土应力比Ｋ也基本相同。

桩的复合地基承载力是困难的。这类桩用于地面活载

２．２复合地基变形特性２．２．１变形模式

图１给出了复合地基变形示意图。图中（ａ）代表荷载Ｐ＝０时的状态。加荷后（Ｐ＞０）桩顶发生沉降Ｓｓ，桩端处桩的沉降为由于桩体模量很大，在通常荷载水平下，轴向力引起桩的压Ｓ＇ｐ。

这样，桩任一断面处的位移可认为缩变形很小，可以忽略不计。

Ｐ＝０

Ｐ＞０

Ｈ０

３０ｋＮ／ｍ≤Ｐ≤５０ｋＮ／ｍ有一定的技术和经济价值意义。对于地

２

２

面活载５０ｋＮ／ｍ２≤Ｐ≤１００ｋＮ／ｍ２的复合地基，建议采用ＣＦＧ桩进行加固地基土，在以提高复合地基承载力的同时挖掘经济投资的潜力。为了提高复合地基承载力，设法增加承载力提高系数ζ值，实践经验告诉我们，可通过提高桩土应力比ｋ值来实

Ｚｂ

△上

现，即在有限的桩长范围内，充分发挥桩周围摩擦力和端承力的作用，以得到较大的桩土应力比，复合地基承载力就可以明显提高。地坪材料亦可明显趋于一般工程建筑地坪的做法。

采用在碎石桩桩体中掺加适量石屑，粉煤灰和水泥加水拌和，制成一种粘结强度较高的桩体，称之为水泥粉煤灰碎石桩，简称ＣＦＧ桩。ＣＦＧ桩、桩间土、褥垫层一起构成ＣＦＧ桩复合地基。

Ｓ＇ｐ

Ｚｂ

△下

（ｂ）

图１

（ａ）

与桩顶的位移相等，便有Ｓ＇ｐ＝Ｓｐ。桩顶处土的位移用Ｓ＇ｓ表示。由于桩间土表面的沉降大于桩顶的沉降，桩顶的一部分进入到褥垫层中，称之为上刺入变形，以Δ上表示，且Δ上＝Ｓｓ－Ｓｐ。在桩端处，桩的沉降大于土的沉降，即产生下刺入变形，用Δ下表示，（Ｚａ）范围内土的压缩量Ｓ１等于上刺入量与下Δ下＝Ｓｐ－Ｓ＇ｓ。桩长

桩间土表面总沉降量减去加固范刺入量之和，即Ｓ１＝Δ上＋Δ下。

围（Ｚａ）土的压缩量Ｓ１，即为下卧层的压缩变形Ｓ２，Ｓ２＝Ｓｓ－Ｓ１。若用Ｓ３表示褥垫层压缩量（Ｓ３＝Ｈｏ－Ｈｔ），则基础总的变形为：

２．１垂直荷载作用下复合地基特性２．１．１桩土受力时程变化特性

当地坪承受垂直荷载时，桩与桩间土都要发生沉降变形，桩的模量远比土的模量大，桩比土的变形小。由于地坪板下设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，褥垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。由于褥垫层的设置，随着时间的变化，桩间土顶面的变形不断增加，但桩和土的荷载分别均为一常值，它不随时间变化而改变。

Ｓ＇ａ

Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３

也就是说，基础总沉降Ｓ由三部分组成，其一为桩长范围土层的压缩量Ｓ１，其二为下卧层的压缩量Ｓ２，其三为褥垫层的压缩量Ｓ３。

２．１．２桩土荷载分担

复合地基中桩和桩间土承受的荷载，可用桩土荷载分担比来表示。令σｐ表示桩承担的荷载占总荷载的百分比；σｓ表示桩间土承担的荷载占总荷载的百分比，则

２．２．２桩长对变形的影响

ａ．地质条件相同，当荷载一定时，桩越长上刺入量Δ上和下

刺入量Δ下越小；桩长范围内土的压缩变形量Ｓ１也就越小。相反，桩越短上刺入量Δ上和下刺入量Δ下越大，压缩变形量Ｓ１也就越大。

下刺入变形均有很大影响，褥垫层ｂ．褥垫层的厚度对上、

越薄，桩承担的荷载越多，Δ上也就越小。

σｐ＝Ｐｐ／Ｐσｓ＝Ｐｓ／Ｐ

式中：Ｐｐ———桩承担的荷载

——桩间土承担的荷载Ｐｓ—

——总荷载设计值Ｐ—

土的性质、桩长、桩距以及σｐ和σｓ通常与荷载Ｐ的大小、褥垫层厚度有关。假设地坪板为刚性，则复合地基的桩、土荷载分担比例是随荷载的变化而变化：

ｃ．下卧层土性越硬，桩向下刺入越困难，向下刺入变形量Δ下

也越小，桩长范围土的压缩量Ｓ１也越小。

下卧层压缩变形Ｓ２也越ｄ．桩越长其总的沉降Ｓ也就越小。小。

ａ．荷载较小时，土承担的荷载大于桩承担的荷载；

ｂ．随着荷载的增加，桩间土承担的荷载占总荷载Ｐ的百分

比σｓ逐渐减少，桩承担的荷载占总荷载Ｐ的百分比σｐ逐渐增大；

２．２．３地坪宽度对变形的影响

对天然地基，在无侧移约束的情况下，当荷载相同时，地坪宽度越大沉降量也越大。这是因为地坪下某一深度的附加应力

Ｈｔ

Ｓｐ

Ｓｓ

１２４

岩土工程与基础处理

２００８年８月

系数随地坪宽度增加而增加，同时压缩层厚度也相应加大。复合地基也一样，当桩长及土性相同时，在给定荷载下加固区压缩变形Ｓ１、下卧层压缩变形Ｓ２以及总沉降量Ｓ都随地坪宽度增加而增大。

综合考虑桩长和地坪宽度两个因素的影响，用Ｌ／Ｂ（Ｌ———桩长，Ｂ———地坪宽度）作为参量，不同荷载水平时总的沉降变形，下卧的沉降变形以及下卧层沉降变形占总沉降变形的百分比是不相同的。当其他条件相同时，Ｌ／Ｂ越大总的沉降变形越小。当Ｌ／Ｂ＝６时，下卧层压缩变形量占总压缩变形量的百分比很小，对沉降而言，起控制作用的是加固范围土的压缩量。

力。

土应力比等于或接近１．此时ｃ．褥垫层厚度过大，会导致桩、

桩承担的荷载太小，实际上复合地基中桩的设置已失去意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高，而且地坪的变形也大。

综合以上分析，结合大量工程实践的总结，即考虑到技术上可靠、经济上合理，褥垫层厚度取１０ｃｍ￣３０ｃｍ为宜。

２．３地坪板设计及计算探讨

作为直接承受地面荷载的地坪板，一般均采用素混凝土浇捣或根据荷载大小决定采用配筋混凝土，目前尚无确定的计算理论进行指导设计。有的认为在天然地基上或复合地基上地坪板计算可按半无限或有限弹性地基梁理论进行梁板内力计算，也有的认为地坪板与地基土共同承受地面垂直荷载，地坪板仅将地面荷载的不均匀性进行调整，趋于均匀平衡，故对地坪板和地基土在共同作用的状况下可以假设为刚性，无需计算，仅作构造做法。对于荷重大的只要地基土承载力能满足要求外，为了保证地坪使用过程中局部承压过大可配筋处理。

倘若按弹性理论计算地坪的内力，存在最大的问题是复合地基的基床系数如何确定。

２．２．４褥垫层的作用

褥垫层技术是ＣＦＧ桩复合地基的一个核心技术，复合地基的许多特性都与褥垫层有关。

若地坪下面不设置褥垫层，地坪直接与桩和桩间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。其特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加，桩承担的荷载随时间增加逐渐减少。

地坪下设置一定厚度的褥垫层情况就不同了，即使桩端落在好的土层上，也能保证一部分荷载通过褥垫作用在桩间土上，借助褥垫的调整作用，使在给定荷载作用下的桩、土受力状态均为常值。

３前景展望

当今，我国的工业结构处在调整、充实的背景下，对工业建

筑适应工艺设备布置的灵活性提出了更高要求，特别是近年来汽车制造、重装备制造和仓储物流业的兴起，对地坪承受的荷载要求既重又移动频繁。由此，对地坪的承载力及变形提出较高的要求，迫使从事建筑结构设计的理论朝工业建筑地坪结构设计的研究、技术措施的充实完善方向发展。从而，达到既能满足工业生产对地坪使用的不同要求，又能进一步挖掘经济投资的潜力。

ａ．褥垫层厚度过小，桩对地坪将产生很显著的应力集中，需

考虑桩对地坪板的冲切，势必导致地坪板加厚，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。

ｂ．褥垫层厚度适当，桩对基础产生的应力集中很小，可不

考虑桩对地坪板的冲切作用，能够充分发挥桩间土的承载能

（上接第１２１页）

观测数据一览表

测点天

数

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

根据建筑物主轴线及防护措施布置测放应力释放孔，并以白灰点作标记，点位偏差控制在０．２倍的桩径范围内。

１点

２点

３点

４点

５点

６点

５．３成孔

采用长螺旋钻机成孔，钻头外径Ф４００，每钻进５ｍ￣６ｍ提钻一次，边钻边提。钻孔时应保证桩架及钻杆的垂直度。

Ｘ＝４２８５９．２４８

第一天

Ｘ＝４２８３８．１５７Ｙ＝５９４８７．９８７Ｘ＝４２８３８．１５７Ｙ＝５９４８７．９８６Ｘ＝４２８３８．１４９Ｙ＝５９４８７．９８９Ｘ＝４２８３８．１５６

Ｘ＝４２８２５．１２７Ｙ＝５９４９２．１６６Ｘ＝４２８２５．１２１Ｙ＝５９４９２．１６８Ｘ＝４２８２５．１２０Ｙ＝５９４９２．１６０Ｘ＝４２８２５．１２７Ｙ＝５９４９２．１６０Ｘ＝４２８２５．１３４Ｙ＝５９４９２．１４４

Ｘ＝４２８２４．０５１Ｙ＝５９４８７．８９９Ｘ＝４２８２４．０５７Ｙ＝５９４８７．８９５Ｘ＝４２８２４．０４７Ｙ＝５９４８７．８９４Ｘ＝４２８２４．０４９Ｙ＝５９４８７．８９０Ｘ＝４２８２４．０６１Ｙ＝５９４８７．８７６

Ｘ＝４２８０８．９４３Ｙ＝５９４８７．８９０Ｘ＝４２８０８．９４１Ｙ＝５９４８７．８７９Ｘ＝４２８０８．９４５Ｙ＝５９４８７．８８８Ｘ＝４２８０８．９３９Ｙ＝５９４８７．８８７

Ｘ＝４２７８５．３９６Ｙ＝５９４８８．０９４Ｘ＝４２７８５．３９５Ｙ＝５９４８８．０８８Ｘ＝４２７８５．３９０Ｙ＝５９４８８．０８６

Ｙ＝５９５２２．３６３Ｘ＝４２８５９．２５１

第二天

５．４压桩

成孔后尽快组织压桩，防止应力释放孔被土淤死，影响施工效果。

Ｙ＝５９５２２．３６４Ｘ＝４２８５９．２５０

第三天

Ｙ＝５９５２２．３６５

６施工质量控制

应力释放孔施工过程中安排专业人员控制施工质量，重点

第四天

Ｙ＝５９４８７．９８０Ｘ＝４２８３８．１６７

第五天

控制机架钻杆的垂直度、孔径、孔位、取土效果及施工深度是否

Ｘ＝４２７８５．３９９Ｙ＝５９４８８．０８５

满足要求，并做好施工记录，确保应力释放孔施工质量与效果。

Ｙ＝５９４８７．９７１

Ｘ＝４２８５９．２４９

第六天

７监测数据与效果

为了监测土体位移情况，在４１＃楼东侧沿南北方向间隔

Ｘ＝４２８０８．９６３Ｙ＝５９４８７．８８３

Ｙ＝５９５２２．３６４

观测控制点数据：２０ｍ左右布置了６个观测点，每日进行观测。

５．１施工准备

施工前应做到现场三通一平，清除地下障碍物，将地面下

Ｘ＝４２８０４．３７５，Ｙ＝５９４５２．２２２；观测后视点数据：Ｘ＝４２９１９．４９２，Ｙ＝５９４７５．１８４；观测数据见一览表。

由一览表数据可以看出，土体位移１＃测点最小，仅为

２ｍ深度内大于５ｃｍ的混凝土块砖块等予以清除；施工用电量

满足５０ｋＶＡ。

１ｍｍ；６＃测点最大，为９ｍｍ；平均位移量小于６ｍｍ，保证了东侧

管线、和乔丽晶公寓会所的正常使用，取得满意效果。

５．２施工放样

１２２

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工业建筑地坪结构设计问题的探讨

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徐根生

摘

（上海机电设计研究院有限公司，上海２０００４０）

要：对于工业建筑的钢筋混凝土地坪厚度、配筋规格、地基土的处理，目前基本上无标准的计算模式和理论，设计随意性很大。工程实例中地

坪开裂、起鼓、下沉现象较为频繁，有的还很严重，甚至危及建筑物本身的安全。该文就地面活荷载在３０ｋＮ／ｍ２≤Ｐ≤１００ｋＮ／ｍ２范围内的工业建筑地坪结构设计提出几点解决问题的意见，供参考。关键词：地坪；刚性桩；柔性桩；复合地基；褥垫层中图分类号：ＴＵ２７；ＴＵ４７３．１

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００７－７３５９（２００８）０４－０１２２－０３

ＸｕＧｅｎｓｈｅｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００４０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｒｅｉｓｎｏｓｔａｎｄａｒｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａａｎｄｔｈｅｏｒｙｆｏｒｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｇｒｏｕｎｄｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｕｉｌｄｉｎｇｓｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｇｒｏｕｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｇｒａｄｉｎｇａｎｄｂａｓｅ－ｅａｒｔｈｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｔｗｉｌｌ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｇｒｏｕｎｄｃｒａｃｋ，ｐｒｏｔｕｂｅｒａｎｃｅａｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｓ；ｓｏｍｅｏｆｔｈｅｍａｒｅｖｅｒｙｓｅｒｉｏｕｓ，ｅｖｅｎｅｎｄａｎｇｅｒｓｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇａｂｏｖｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｂｒｉｎｇｓｏｕｔｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｔｏｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｕｉｌｄｉｎｇｓｗｈｅｎｔｈｅｌｏａｄｏｎｇｒｏｕｎｄｒａｎｇｅｓｆｒｏｍ３０ｋＮ／ｍ２ｔｏ１００ｋＮ／ｍ２．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ；ｒｉｇｉｄｐｉｌｅ；ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｉｌｅ；ｃｏｍｐｏｕｎｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｃｕｓｈｉｏｎｌａｙｅｒ

０前言

处简化计算为１００％，即不分配给桩，对桩而言仅受地坪板传递的竖向力。

工业建筑地坪上的荷载分布情况十分复杂，就其自重量、承压面积大小、系集中还是均布、系局部还是整体，几乎无所不有。目前常规的地面载量、形式、分布情况及地坪面构造做法和处理措施均依据《建筑地面设计规范》（ＧＢ５００３７－９６）执行。但对其中因不良地质和承受重型荷载的地坪需作地基土承载力、因此，设地坪强度、变形计算、构造设计等，标准规定多未涉及。计若遇重型载荷时，则除了根据地质勘察报告中的有关土质的物理、化学性质，土的层理分布情况，在结构上采取桩基或地基加固措施。对于混凝土地坪的厚度或者配筋规格、数量的确定基本上无统一的计算模式和理论，从而造成设计过程中有很大的随意性。实践使用过程中发生地面开裂、起鼓、下降现象较为严重，有的甚至因地面下沉量过大影响建筑物本身的安全。

上海境内地基土主要由粘性土、粉性土和沙土构成，均属其特点是承载能力低、压缩巨厚的第四纪沉积物，系软土地基。

变形大、土质不均匀、差异性大。为了既能满足生产工艺特定的地面大面积重型活载的需要又能经过统一标准的结构设计，从而减小对生产活动、生产设备、厂房建筑的不利影响，本文就地面活荷载在３０ｋＮ／ｍ２≤Ｐ≤１００ｋＮ／ｍ２范围内的工业建筑地坪结构设计问题提出解决的几点意见作为探讨，希望能进一步充实完善地坪结构设计理论。

１．２桩身材料及桩基设计

桩身可采用钢筋混凝土预制方桩、钢筋混凝土钻孔灌注桩、素混凝土桩、一ＣＦＧ桩等作为传递地面垂直荷载的刚性桩。般情况下刚性桩不仅可全桩长发挥桩的侧阻，而且还可以很好地发挥端阻作用。就上海软土地基的状况来看，由于地面大面积重荷载而引起的厂房地坪沉陷、开裂是地坪结构设计的主要矛盾，因此桩的持力层不应选择在淤泥质的土中。同时为避免地坪过大沉降影响厂房建筑的使用和安全，对桩除了计算沉降量外还应按正常使用极限状态进行设计计算。

１．３钢筋混凝土地坪板设计及构造做法

作用于地坪板上的荷载形式有集中式、局部均匀式、荷载不等的整体均匀式、大面积均匀式等不同类型。根据荷载规范规定应对其受载情况作具体分析，即将局部或集中荷载转化成等效均布荷载进行内力计算。地坪板跨是决定板的内力、厚度的主要因素，同时也是决定桩间距的关键。根据上海软土地基的特性以及众多的工程实例，桩径在２００×２００、２５０×２５０预制混凝土方桩，Ф３００钻孔灌注桩，当沉桩深度在１８ｍ￣２２ｍ时，桩端持力层约在⑤层褐灰色粘土内，单桩允许承载力约为

１６０ｋＮ￣２２０ｋＮ左右，即约为１０ｋＮ／ｍ左右。每根桩所能承受的

地坪荷重（包括板自重）面积约为１．２ｍ２￣６．２ｍ２范围。当地面荷载为１００ｋＮ／ｍ２时，桩距约在１．１ｍ×１．１ｍ；７５ｋＮ／ｍ２时，桩距约在１．６ｍ×１．６ｍ；５０ｋＮ／ｍ２时，桩距约在１．７ｍ×１．７ｍ￣２．０ｍ×２．０ｍ左右，即桩距分别是桩径的５．５ｄ￣１２．５ｄ（以２００×２００计）、（以Ф３００计）。地坪板采４．４ｄ￣１０ｄ（以２５０×２５０计）、３．７ｄ￣８．４ｄ用钢筋混凝土现浇板，板厚、桩的间距、荷载的大小按设计假定条件决定。配筋建议采用双层双向配筋，从经济角度衡量应分为柱上板带和跨中板带配筋，柱帽设置为暗匿式，便于施工操作。

１刚性桩基钢筋混凝土地坪

将桩代替柱作为承受地面活载的地坪板支点，地坪板的内

１．１计算假设条件

力按无梁楼盖板的等代框架理论计算。因桩嵌固定于土中，在桩与土共同作用的状况下，其刚度假设为无穷大。桩与板的连接处刚度和力矩在垂直荷载作用下，地坪板产生的力矩在支承

收稿日期：２００８－０５－１２

作者简介：徐根生（１９４９－），男，上海人，毕业于同济大学，高级工程师，国家一级注册结构工程师。

２复合地基素混凝土地坪或配筋混凝土地坪

第１５卷第４期徐根生工业建筑地坪结构设计问题的探讨

１２３

结合上海软土地基的特性，采取地基土加固措施达到预期的设计强度和沉降控制为目的工程实例，近年来层出不穷，而且成功率很大。复合地基一般采用柔性桩进行地基土加固措砂桩、水泥深层搅拌桩。也有采用刚性桩进行地施，有碎石桩、

微型桩、基土加固措施，如素混凝土桩、ＣＦＧ桩。多年来工程实践的经验及结果表明，上海地区的复合地基承载能力均在

ｃ．当荷载Ｐ＝Ｐｐ时，桩和土承担的荷载各占５０％；ｄ．Ｐ＞Ｐｐ后则桩承担的荷载超过桩间土承担的荷载；ｅ．当其他条件相同时Ｐｐ随桩长增大而减小；

ｆ．荷载一定，其他条件相同时，σｐ随桩长增加而增大，随桩

距减小（置换率ｎ增大）而增大，土的强度越低σｐ越大，褥垫层越薄σｐ越大。

１１０ｋＰａ￣１３０ｋＰａ范围内，其中柔性桩的复合地基承载能力还低

于此值。如何进一步提高复合地基承载力是解决重型荷载下地坪结构设计的研究课题，是挖掘经济投资的潜力。对柔性桩加固地基土承载力，经多年来众多工程技术人员结合工程实例大量实验，结果表明：不同桩长的相应的复合地基承载力Ｒ基本因此，靠增加桩长提高柔性相同，且桩土应力比Ｋ也基本相同。

桩的复合地基承载力是困难的。这类桩用于地面活载

２．２复合地基变形特性２．２．１变形模式

图１给出了复合地基变形示意图。图中（ａ）代表荷载Ｐ＝０时的状态。加荷后（Ｐ＞０）桩顶发生沉降Ｓｓ，桩端处桩的沉降为由于桩体模量很大，在通常荷载水平下，轴向力引起桩的压Ｓ＇ｐ。

这样，桩任一断面处的位移可认为缩变形很小，可以忽略不计。

Ｐ＝０

Ｐ＞０

Ｈ０

３０ｋＮ／ｍ≤Ｐ≤５０ｋＮ／ｍ有一定的技术和经济价值意义。对于地

２

２

面活载５０ｋＮ／ｍ２≤Ｐ≤１００ｋＮ／ｍ２的复合地基，建议采用ＣＦＧ桩进行加固地基土，在以提高复合地基承载力的同时挖掘经济投资的潜力。为了提高复合地基承载力，设法增加承载力提高系数ζ值，实践经验告诉我们，可通过提高桩土应力比ｋ值来实

Ｚｂ

△上

现，即在有限的桩长范围内，充分发挥桩周围摩擦力和端承力的作用，以得到较大的桩土应力比，复合地基承载力就可以明显提高。地坪材料亦可明显趋于一般工程建筑地坪的做法。

采用在碎石桩桩体中掺加适量石屑，粉煤灰和水泥加水拌和，制成一种粘结强度较高的桩体，称之为水泥粉煤灰碎石桩，简称ＣＦＧ桩。ＣＦＧ桩、桩间土、褥垫层一起构成ＣＦＧ桩复合地基。

Ｓ＇ｐ

Ｚｂ

△下

（ｂ）

图１

（ａ）

与桩顶的位移相等，便有Ｓ＇ｐ＝Ｓｐ。桩顶处土的位移用Ｓ＇ｓ表示。由于桩间土表面的沉降大于桩顶的沉降，桩顶的一部分进入到褥垫层中，称之为上刺入变形，以Δ上表示，且Δ上＝Ｓｓ－Ｓｐ。在桩端处，桩的沉降大于土的沉降，即产生下刺入变形，用Δ下表示，（Ｚａ）范围内土的压缩量Ｓ１等于上刺入量与下Δ下＝Ｓｐ－Ｓ＇ｓ。桩长

桩间土表面总沉降量减去加固范刺入量之和，即Ｓ１＝Δ上＋Δ下。

围（Ｚａ）土的压缩量Ｓ１，即为下卧层的压缩变形Ｓ２，Ｓ２＝Ｓｓ－Ｓ１。若用Ｓ３表示褥垫层压缩量（Ｓ３＝Ｈｏ－Ｈｔ），则基础总的变形为：

２．１垂直荷载作用下复合地基特性２．１．１桩土受力时程变化特性

当地坪承受垂直荷载时，桩与桩间土都要发生沉降变形，桩的模量远比土的模量大，桩比土的变形小。由于地坪板下设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，褥垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。由于褥垫层的设置，随着时间的变化，桩间土顶面的变形不断增加，但桩和土的荷载分别均为一常值，它不随时间变化而改变。

Ｓ＇ａ

Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３

也就是说，基础总沉降Ｓ由三部分组成，其一为桩长范围土层的压缩量Ｓ１，其二为下卧层的压缩量Ｓ２，其三为褥垫层的压缩量Ｓ３。

２．１．２桩土荷载分担

复合地基中桩和桩间土承受的荷载，可用桩土荷载分担比来表示。令σｐ表示桩承担的荷载占总荷载的百分比；σｓ表示桩间土承担的荷载占总荷载的百分比，则

２．２．２桩长对变形的影响

ａ．地质条件相同，当荷载一定时，桩越长上刺入量Δ上和下

刺入量Δ下越小；桩长范围内土的压缩变形量Ｓ１也就越小。相反，桩越短上刺入量Δ上和下刺入量Δ下越大，压缩变形量Ｓ１也就越大。

下刺入变形均有很大影响，褥垫层ｂ．褥垫层的厚度对上、

越薄，桩承担的荷载越多，Δ上也就越小。

σｐ＝Ｐｐ／Ｐσｓ＝Ｐｓ／Ｐ

式中：Ｐｐ———桩承担的荷载

——桩间土承担的荷载Ｐｓ—

——总荷载设计值Ｐ—

土的性质、桩长、桩距以及σｐ和σｓ通常与荷载Ｐ的大小、褥垫层厚度有关。假设地坪板为刚性，则复合地基的桩、土荷载分担比例是随荷载的变化而变化：

ｃ．下卧层土性越硬，桩向下刺入越困难，向下刺入变形量Δ下

也越小，桩长范围土的压缩量Ｓ１也越小。

下卧层压缩变形Ｓ２也越ｄ．桩越长其总的沉降Ｓ也就越小。小。

ａ．荷载较小时，土承担的荷载大于桩承担的荷载；

ｂ．随着荷载的增加，桩间土承担的荷载占总荷载Ｐ的百分

比σｓ逐渐减少，桩承担的荷载占总荷载Ｐ的百分比σｐ逐渐增大；

２．２．３地坪宽度对变形的影响

对天然地基，在无侧移约束的情况下，当荷载相同时，地坪宽度越大沉降量也越大。这是因为地坪下某一深度的附加应力

Ｈｔ

Ｓｐ

Ｓｓ

１２４

岩土工程与基础处理

２００８年８月

系数随地坪宽度增加而增加，同时压缩层厚度也相应加大。复合地基也一样，当桩长及土性相同时，在给定荷载下加固区压缩变形Ｓ１、下卧层压缩变形Ｓ２以及总沉降量Ｓ都随地坪宽度增加而增大。

综合考虑桩长和地坪宽度两个因素的影响，用Ｌ／Ｂ（Ｌ———桩长，Ｂ———地坪宽度）作为参量，不同荷载水平时总的沉降变形，下卧的沉降变形以及下卧层沉降变形占总沉降变形的百分比是不相同的。当其他条件相同时，Ｌ／Ｂ越大总的沉降变形越小。当Ｌ／Ｂ＝６时，下卧层压缩变形量占总压缩变形量的百分比很小，对沉降而言，起控制作用的是加固范围土的压缩量。

力。

土应力比等于或接近１．此时ｃ．褥垫层厚度过大，会导致桩、

桩承担的荷载太小，实际上复合地基中桩的设置已失去意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高，而且地坪的变形也大。

综合以上分析，结合大量工程实践的总结，即考虑到技术上可靠、经济上合理，褥垫层厚度取１０ｃｍ￣３０ｃｍ为宜。

２．３地坪板设计及计算探讨

作为直接承受地面荷载的地坪板，一般均采用素混凝土浇捣或根据荷载大小决定采用配筋混凝土，目前尚无确定的计算理论进行指导设计。有的认为在天然地基上或复合地基上地坪板计算可按半无限或有限弹性地基梁理论进行梁板内力计算，也有的认为地坪板与地基土共同承受地面垂直荷载，地坪板仅将地面荷载的不均匀性进行调整，趋于均匀平衡，故对地坪板和地基土在共同作用的状况下可以假设为刚性，无需计算，仅作构造做法。对于荷重大的只要地基土承载力能满足要求外，为了保证地坪使用过程中局部承压过大可配筋处理。

倘若按弹性理论计算地坪的内力，存在最大的问题是复合地基的基床系数如何确定。

２．２．４褥垫层的作用

褥垫层技术是ＣＦＧ桩复合地基的一个核心技术，复合地基的许多特性都与褥垫层有关。

若地坪下面不设置褥垫层，地坪直接与桩和桩间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。其特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加，桩承担的荷载随时间增加逐渐减少。

地坪下设置一定厚度的褥垫层情况就不同了，即使桩端落在好的土层上，也能保证一部分荷载通过褥垫作用在桩间土上，借助褥垫的调整作用，使在给定荷载作用下的桩、土受力状态均为常值。

３前景展望

当今，我国的工业结构处在调整、充实的背景下，对工业建

筑适应工艺设备布置的灵活性提出了更高要求，特别是近年来汽车制造、重装备制造和仓储物流业的兴起，对地坪承受的荷载要求既重又移动频繁。由此，对地坪的承载力及变形提出较高的要求，迫使从事建筑结构设计的理论朝工业建筑地坪结构设计的研究、技术措施的充实完善方向发展。从而，达到既能满足工业生产对地坪使用的不同要求，又能进一步挖掘经济投资的潜力。

ａ．褥垫层厚度过小，桩对地坪将产生很显著的应力集中，需

考虑桩对地坪板的冲切，势必导致地坪板加厚，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。

ｂ．褥垫层厚度适当，桩对基础产生的应力集中很小，可不

考虑桩对地坪板的冲切作用，能够充分发挥桩间土的承载能

（上接第１２１页）

观测数据一览表

测点天

数

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

根据建筑物主轴线及防护措施布置测放应力释放孔，并以白灰点作标记，点位偏差控制在０．２倍的桩径范围内。

１点

２点

３点

４点

５点

６点

５．３成孔

采用长螺旋钻机成孔，钻头外径Ф４００，每钻进５ｍ￣６ｍ提钻一次，边钻边提。钻孔时应保证桩架及钻杆的垂直度。

Ｘ＝４２８５９．２４８

第一天

Ｘ＝４２８３８．１５７Ｙ＝５９４８７．９８７Ｘ＝４２８３８．１５７Ｙ＝５９４８７．９８６Ｘ＝４２８３８．１４９Ｙ＝５９４８７．９８９Ｘ＝４２８３８．１５６

Ｘ＝４２８２５．１２７Ｙ＝５９４９２．１６６Ｘ＝４２８２５．１２１Ｙ＝５９４９２．１６８Ｘ＝４２８２５．１２０Ｙ＝５９４９２．１６０Ｘ＝４２８２５．１２７Ｙ＝５９４９２．１６０Ｘ＝４２８２５．１３４Ｙ＝５９４９２．１４４

Ｘ＝４２８２４．０５１Ｙ＝５９４８７．８９９Ｘ＝４２８２４．０５７Ｙ＝５９４８７．８９５Ｘ＝４２８２４．０４７Ｙ＝５９４８７．８９４Ｘ＝４２８２４．０４９Ｙ＝５９４８７．８９０Ｘ＝４２８２４．０６１Ｙ＝５９４８７．８７６

Ｘ＝４２８０８．９４３Ｙ＝５９４８７．８９０Ｘ＝４２８０８．９４１Ｙ＝５９４８７．８７９Ｘ＝４２８０８．９４５Ｙ＝５９４８７．８８８Ｘ＝４２８０８．９３９Ｙ＝５９４８７．８８７

Ｘ＝４２７８５．３９６Ｙ＝５９４８８．０９４Ｘ＝４２７８５．３９５Ｙ＝５９４８８．０８８Ｘ＝４２７８５．３９０Ｙ＝５９４８８．０８６

Ｙ＝５９５２２．３６３Ｘ＝４２８５９．２５１

第二天

５．４压桩

成孔后尽快组织压桩，防止应力释放孔被土淤死，影响施工效果。

Ｙ＝５９５２２．３６４Ｘ＝４２８５９．２５０

第三天

Ｙ＝５９５２２．３６５

６施工质量控制

应力释放孔施工过程中安排专业人员控制施工质量，重点

第四天

Ｙ＝５９４８７．９８０Ｘ＝４２８３８．１６７

第五天

控制机架钻杆的垂直度、孔径、孔位、取土效果及施工深度是否

Ｘ＝４２７８５．３９９Ｙ＝５９４８８．０８５

满足要求，并做好施工记录，确保应力释放孔施工质量与效果。

Ｙ＝５９４８７．９７１

Ｘ＝４２８５９．２４９

第六天

７监测数据与效果

为了监测土体位移情况，在４１＃楼东侧沿南北方向间隔

Ｘ＝４２８０８．９６３Ｙ＝５９４８７．８８３

Ｙ＝５９５２２．３６４

观测控制点数据：２０ｍ左右布置了６个观测点，每日进行观测。

５．１施工准备

施工前应做到现场三通一平，清除地下障碍物，将地面下

Ｘ＝４２８０４．３７５，Ｙ＝５９４５２．２２２；观测后视点数据：Ｘ＝４２９１９．４９２，Ｙ＝５９４７５．１８４；观测数据见一览表。

由一览表数据可以看出，土体位移１＃测点最小，仅为

２ｍ深度内大于５ｃｍ的混凝土块砖块等予以清除；施工用电量

满足５０ｋＶＡ。

１ｍｍ；６＃测点最大，为９ｍｍ；平均位移量小于６ｍｍ，保证了东侧

管线、和乔丽晶公寓会所的正常使用，取得满意效果。

５．２施工放样