【摘要】 本文结合工程实例对地基持力层埋藏较深，柱下独立基础底部不能置于持力层上时，通过方案比较，提出可通过增设扩大短柱或柱侧增设短墙肢的方法加大基础埋深，把基础置于地基持力层上，即满足工期要求又不改变上部结构底层柱的计算高度。
关键词：埋深、嵌固面、短柱、短墙肢
一、 工程概况
某工程为单层工业厂房，上部结构为框排架，无吊车，屋盖为网架，上弦支承，跨度36米，现浇框架柱间距为6米，柱净高8.5米，地震设防烈度6度，基本风压为0.55KN/m2，建筑场地类别为Ⅱ类，地基持力层为圆砾，承载力特征值为200kPa，设计基础埋深-2.5m，持力层深度-2.5米至-4.0米，拟建场地现状标高-2米至-3.5米，设计要求先进行场地平整，再进行基础施工，基底持力层超挖部分采用砂石换填处理，室外地面标高-0.3m，底层计算嵌固面为-0.90m。为满足施工工期要求，场地暂不平整，先施工基础，再进行场地土回填，为此须对原设计基础进行调整。
二、 处理方法
方法一：维持原设计，基底超挖部分仍采用砂石换填，压实系数 ≥0.94，此方法对施工质量控制较高，工期较长，不能满足要求。
方法二：基底超挖换填材料采用C15毛石混凝土，方便快捷，工期相对较短，但因超挖较多，换填量大，投资较高。
方法三：加大基础埋深，基底降低置于持力层上，调整上部结构底层计算高度，此方法施工工期最短，但设计修改工作量大，同样不能满足工期要求。
方法四：在方法三基础上增设扩大短柱或短墙肢，对扩大短柱或短墙肢进行受力分析配筋，满足原设计上部结构底层排架柱计算高度的要求，即底层排架柱计算高度不变，嵌固面置于扩大短柱或短墙肢顶部。本方法设计修改量小，施工期较短，投资增加不多。
综合分析，采用方法四进行处理，但须对扩大短柱或短墙肢进行受力分析，并采取相应的构造措施加以保证。
三、 扩大短柱设计
（一）计算假定
排架柱为大偏心受压构件，排架柱的变形特征为弯曲变形，扩大短柱顶能否作排架柱柱脚的嵌固面，取决于短柱的抗弯刚度，即短柱抗弯刚度愈大，其约束排架柱柱脚转动的能力越强，当短柱抗弯刚度远大于排架柱的抗弯刚度时，即认为短柱顶为为排架柱的嵌固面，假定短柱顶作为上部结构的嵌固端。
（二）设计依据
根据《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002 中第8.2.6条：“预制钢筋混凝土柱（包括双肢柱）与高杯口基础的连接（图8.2.6-1），应符合本规范第8.2.5条插入深度的规定。杯壁厚度符合表8.2.6的规定且符合下列条件时，杯壁和短柱配筋，可按图8.2.6-2的构造要求进行设计。
1、起重机起重量小于或等于75t，轨顶标高小于或等于14m，基本风压小于0.5kPa的工业厂房，且基础短柱的高度不大于5m；
2、起重机起重量大于75t，基本风压大于0.5kPa，且符合下列表达式E2I2／E1I1≥10（8.2.6-1）；
3、当基础短柱的高度大于5m，并符合下列表达式：
△2/△1≤1.1
式中 △1——单位水平力作用在以高杯口基础顶面为固定端的柱顶时，柱顶的水平位移；
△2——单位水平力作用在以短柱底面为固定端的柱顶时，柱顶的水平位移；……”
工程所在地基本风压为0.55kPa，上部结构为现浇钢筋混凝土排架柱，短柱与排架柱间连接采用现浇，二者间的连接好于高杯口基础与预制钢筋混凝土柱的连接，因此参照此条第2小条的要求进行短柱的设计是可行的。
（三） 短柱的计算
1、计算简图：
2、计算参数：扩大短柱平面图见图2示。
排架柱axb=600x800，扩大短柱a’xb’=800x1600，h1=9m，h2=3m，C30，fc=14.3N/mm2，fy=360 N/mm2，E1=E2，M=150KN-m，F=35KN，N=550KN。
3、内力计算：
MC=Fxh2+M=255 KN-m，VC=35 KN， NC=550KN
4、截面验算：
E2I2/ E1I1=(800X16003)/(600X8003)=10.67>10 满足。
5、配筋计算
1）. 计算截面有效高度
ho=h-as=1600-35=1565mm
2）. 计算相对界限受压区高度
ξb=β1/(1+fy/(Es*εcu))=0.80/(1+360/(2.0*105*0.0033))=0.518
3）. 确定计算系数
αs=γo*M/(α1*fc*b*ho*ho)=1.0*255.000*106/(1.0*14.3*800*1565*1565)=0.009
4）. 计算相对受压区高度
ξ=1-sqrt(1-2αs)=1-sqrt(1-2*0.009)=0.009≤ξb=0.518 满足要求。
为充分发挥混凝土材料的受压能力，取ξ=ξb=0.518。
5）. 计算纵向受压钢筋面积
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，因此按构造配筋
A's=ρ'min*b*h=0.200％*800*1600=2560mm2
6）. 计算纵向受拉筋面积
As＝α1*fc*b*ho*ξ/fy=1.0*14.3*800*1565*0.009/360=455mm2
7）. 验算受拉钢筋最小配筋率
ρ=As/(b*h)=455/(800*1600)=0.036％
5、新增混凝土用量
Q=(800x1600-600x800)x3000x10-9=24m3
四、 短墙肢设计
从扩大短柱计算可看出，满足抗弯刚度要求的前提下，扩大短柱断面混凝土用量很大，现改用短墙肢代替扩大短柱方案，作比较分析，计算简图同前，平面布置见图3所示。
1、短墙肢断面取值根据剪力墙定义，墙肢的长度不小于5倍墙厚，墙厚取上柱宽的b/2，即300mm，根据8.2.6-1公式，反算短墙肢所需长度：
L≥【（10x600x8003）/300】1/3=2172取2200mm。
L=2200≥5x300=1500mm，
2、短墙肢配筋计算，按受弯构件计算：
1）. 计算截面有效高度
ho=h-as=2200-35=2165mm
2）. 计算相对界限受压区高度
ξb=β1/(1+fy/(Es*εcu))=0.80/(1+360/(2.0*105*0.0033))=0.518
3）. 确定计算系数
αs=γo*M/(α1*fc*b*ho*ho)=1.0*255.000*106/(1.0*14.3*300*2165*2165)=0.013
4）. 计算相对受压区高度
ξ=1-sqrt(1-2αs)=1-sqrt(1-2*0.013)=0.013≤ξb=0.518 满足要求。
为充分发挥混凝土材料的受压能力，取ξ=ξb=0.518。
5）. 计算纵向受压钢筋面积
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，因此按构造配筋
A's=ρ'min*b*h=0.200％*300*2200=1320mm2
6）. 计算纵向受拉筋面积
As＝α1*fc*b*ho*ξ/fy=1.0*14.3*300*2165*0.013/360=329mm2
7）. 验算受拉钢筋最小配筋率
ρ=As/(b*h)=329/(300*2200)=0.050％
ρ=0.050％<ρmin=0.200％, 不满足最小配筋率要求，
取As=ρmin*b*h=0.200％*300*2200=1320mm2
3、短墙肢混凝土用量
Q=（2200-800）x300x3000x10-9=12.6m3
混凝土用量仅为短柱方案的52.5%，混凝土用量大幅减少。
4、对比分析
1）短墙肢变形特征为弯曲型，与排架柱变形特征一致，可通过其排架平面内抗弯刚度来约束上部排架柱的变形，计算模型符合实际受力模型；
2）短墙肢抗弯刚度通过增加墙长提高其抗弯刚度，墙宽较小，即增加墙长对其抗弯刚度的提高最有效。
3）满足抗弯刚度前提下，短墙肢的混凝土用量远小于扩大短柱的混凝土用量；
5、配筋构造要求：
参照《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002 中第8.2.6条之4点要求进行，短柱或短肢墙的四角钢筋直径不宜小于20mm，四边构造配置直径不小于12mm，间距不大于300mm的钢筋，箍筋直径不小于8mm，间距不大于150mm。
五、结论
1、通过计算分析比较，可看出，增设短肢墙的处理方案，受力清晰，计算模型符合实际受力特点，构造简单，混凝土用量较少，节约投资。因此选用增设短肢墙方案处理本工程地基问题是可行、合理的。
2、按《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002 中第8.2.6条之2点要求进行处理，经计算分析得出短柱或短墙肢的配筋均为构造配筋，验证了条文的规定是安全的。
3、对普通多层框架结构，框架的变形特征为剪切型，框架柱柱脚的受力状态多为轴心受压或小偏心受压，当地基持力层超深时，按《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002 中第8.2.6条之2点要求进行处理偏于安全。
4、无地下室多层框架结构底层柱的嵌固面通过增设短柱或短墙肢方法处理地基持力层超深时，短柱或短墙肢的设计计算宜按剪切刚度进行控制；参照地下室顶板作为上部结构嵌固面的要求，下部抗剪刚度与上部抗剪刚度比即G2A2/G1A1≥2；当G2A2/ G1A1≥3时，下部抗弯刚度与上部抗弯刚度比与建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002 中第8.2.6条之2点要求基本一致。