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浅析高层建筑基础设计的若干问题 摘要：高层建筑基础设计是一项复杂而又关键的工程，涉及的因素众多，所采用的方法也是随地质条件的变化而变化。本文通过对现状的分析，以及对通常的方法的探究，总结出了一些需要注意的地方，最后提出了优化的观点。 关键词：高层建筑 桩筏基础 基础设计 承载能力 中图分类号：TU97文献标识码：A 文章编号： 引言 近年来，随着我国经济的发展以及城市人口的迅速增长，高层建筑在各大中型城市蜂拥出现。高层建筑不仅高度上难以超越，而且体积相当庞大，在垂直方向上的负荷量也必然非常庞大，因此对其基础设计与建设的要求就很高了。 地基基础设计一直是结构工程师比较重视的内容，不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行，同时，也是因为基础是整个工程造价的决定性因素，因此，在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。 高层建筑的基础应选用整体性好，满足地基承载力和建筑物容许变形的要求，并能调节不均匀沉降的基础形式。高层建筑宜设置地下室以减小地基的附加应力和沉降量，有利于满足天然地基的承载力和上部结构的整体稳定性。此外，在基础设计中要注意地方性规范的重要性。 1.高层建筑基础设计的方案选择 在目前高层建筑基础设计上所采用的类型主要有钢筋混凝土筏板基础、桩筏基础等二种。 1.1钢筋混凝土筏板基础 目前。我国大中型城市用地普遍紧张，城市中的高层建筑比较密集，因而必须设置水池、设备用房、人防工程以及车库等地下室，并根据其功能的具体要求来确定建筑物地下室的层数和层高。这就相应的确定了基础需要的埋深，之后根据基础的埋深以及建筑场地土层的特点来选择基础的类型，分析是否可以使用天然筏板基础。 天然地基筏板基础具有施工方便、工期短、节约投资等优点，建议设计人员在条件允许的情况下尽量选择。关于地基承载力的取值问题，地质钻探报告提供的地基承载力特征值是重要的参考依据。它是依照有关的设计规范并结合地基承载力的特征值，对宽度和深度进行必要的修正后得到地基承载力的特征值，但考虑室内土工试验有可能因为岩样或土样在取样时受扰动，试验结果会出现偏差，故应结合原位试验即标贯或压板试验的结果来确定持力层承载力特征值。考虑地下室开挖后地基补偿等因素，地基承载力特征值一般可以满足高层建筑上部结构荷载（含水平及竖向）对地基承载力的要求。 计算筏板基础时，常用的方法有“倒楼盖”法、弹性地基梁板方法和有限元分析方法。“倒楼盖”法是一种简化计算方法，按“倒楼盖”法进行基础设计时，要求地基土比较均匀、筏板基础的刚度较大、上部结构刚度较大、柱轴力及柱距相差不大、荷载分布比较均匀。“倒楼盖”法的缺点是完全不能考虑基础的整体作用，也无法计算挠曲变形，夸大上部结构刚度的影响。当不符合相关要求时，应根据弹性地基梁板方法来进行计算。近年来，随着计算软件的发展，高层建筑上部结构、基础和地基共同作用分析法在筏板基础内力计算中得到广泛运用，该分析法基础是按弹性地基板考虑，地基模型一般采用文克尔地基、弹性半空间地基和压缩层地基等地基模型，常用数值分析方法为有限元法、有限差分法等，其中有限元法较为常用。 1.2桩筏基础 桩筏基础的基本原理是桩土的协同工作，桩与土在沉降及收缩固结过程中相互协调达到稳定的平衡状态，筏板底土层与摩擦桩共同承担上部结构荷载。一般说来，考虑地下室开挖后地基补偿等因素，筏板底土层（就算是淤泥质土）是具有一定的承载力的。所以设计时可根据筏板底土层情况，考虑土层承担上部结构荷载的一定比例，但土层承担总荷载比例不宜超过10%。 桩筏基础设计图 对桩筏基础设计可采用的方法有两种，第一种方法是发挥桩土的共同承载作用，利用天然地基的承载力，采用控制沉降的方法将上部荷载由桩和筏板共同互补承担，使桩的数量及筏板厚度得以减少。建筑物的沉降一般分为沉降量和沉降差。减沉设计是控制沉降而设置桩基的方法，也即是在设计时由基础的沉降控制值来确定桩数和桩长。减沉设计概念主要应用于软土地基上多层或小高层建筑的基础设计中，桩在基础中除承担部分荷载外主要起减少和控制沉降的作用，桩可视为减少沉降的措施，或作为减少沉降的构件来使用。同时，承台或筏板也能分担部分荷载，与按桩承担全部荷载设计的桩基相比，根据不同的容许沉降量要求，用桩量有可能减少，桩的长度也可能减短，因而可达到降低工程造价的效果。 第二种方法，假定整个建筑物和重量全部由桩传到地基中去，而承台板只起连接桩顶和传递上部荷载的构造作用。在群桩布置中使桩的受力均匀，桩群形心与上部结构传给基础的荷载重心尽量重合。应该说，这种方法主要以桩受力为主，这种情况下，没有考虑承台板底土层的支承力，将会增加桩的数量，造成浪费。 2.特殊地质条件下的高层建筑基础设计 2.1岩溶地区的高层建筑基础设计 岩溶地区在我国有着广泛的分布，随着经济的高速发展在岩溶地区建设高层建筑是不可避免的。因此，如何使建于岩溶地质条件上的高层建筑基础安全可靠、经济合理，这问题往往令结构工程师感到棘手。 例如江西省宜春地区是典型的岩溶发育区，地下灰岩内，溶洞较发育，由于特殊的地形，岩层起伏很大。在高层建筑设计中，若地基基础方案采用一柱一桩，其单桩荷载较大，根据建筑桩基技术规范(JGJ4-2008)的要求，岩层埋深较浅时，宜采用嵌岩桩。一般情况下，要保证桩底在3倍的桩径且不小于2m的范围内，需有稳定的岩层。要满足上述要求，只有将大直径桩穿过溶洞(有时需穿过数个溶洞)，置桩端于稳定的基岩上，但由于灰岩的强度高，其单轴饱和抗压强度fr80MPa，若采用人工挖孔桩，则需采用爆破手段，而钻孔灌注桩则可能出现钻头损失很大、难以钻进的困难，工期拖的长，施工质量难以保证。另外，对勘察工作的要求甚严，在岩溶地区，应查明溶洞、溶沟、溶槽等的分布情况，每一柱下均须进行钻孔勘察，钻孔应钻穿溶洞进入稳定土层，进入深度应满足控制性钻孔和一般性钻孔的要求，探明溶洞的深度和个数，以便确定桩的入土深度。 若下部岩层整体是稳定的，溶洞内被密实的沉积物填满，没有足以影响整体安全的大空洞，则采用刚性小桩复合地基方案，能很好地解决由于采用大直径桩所带来的问题。把桩的插入视作对桩长范围内土体的加固，与基础下的土体一起形成复合地基，利用小桩与土的共同作用，共同来分担上部结构传下来的荷载，使土中应力扩散，每根桩承受的荷载减小，地基的应力就分散为由基岩上部的覆盖土层和基岩的整体来共同承担。考虑到桩土和上部结构的共同作用，不必强求每一根桩的完整性，即使有部分桩失效也无损大局，因此，对地质勘察工作的要求是宏观控制即可。复合地基中的刚性小桩不仅用来承担上部结构的荷载，还可用来控制高层建筑的沉降变形。 针对岩层上部覆盖土层的物理力学性能，可采用以下两种方式进行地基基础设计： 1）采用刚性小桩复合地基 若高层地下室底板以下土质尚可，但采用筏板基础却承载能力不足，或由于柱荷载差异较大、裙房和高层连接在一起，沉降不均，则可采用刚性小桩筏基础。假如无地下室，可采用刚性小桩条形基础。刚性小桩复合地基的复合地基极限承载力计算公式可参照下式进行： Pu=n（Psu+Ppu）+RdA(1) 式中n桩数(按建筑物容许沉降量确定的用桩数量)； 修正系数，在软土中可近似取1.0； Psu、Ppu分别为单桩桩侧极限摩擦力和桩端极限承载力，用KN表示； Rd承台底埋深处地基极限承载力，单位为KN/m2； A承台底面积，面积单位为m2。 安全系数K为 K=Pu/P (2) 式中Pu极限承载力，单位为KN； P荷载能力，单位也是KN。 工程设计方案的总安全系数K值应大于2。 2）采用刚柔性桩复合地基 若高层地下室底板以下土质为软弱土，可采用刚性小桩碎石桩或搅拌桩筏基础。刚柔相济，用刚性小桩来控制高层建筑的沉降变形，柔性或半刚性桩来提高地下室底板以下土层的强度。刚柔性桩复合地基的复合极限承载力计算公式可参照下式进行： Pu=n(Psu+Ppu)+PcfA (3) 式中Pcf碎石桩或搅拌桩复合地基极限承载力，单位用kN/m2表示。 其余符号含义与(1)式相同，安全系数K与(2)式相同。 复合地基总的沉降量为加固区土体压缩量和加固区下卧层土体压缩量之和，具体计算可参照高层建筑地基基础共同作用理论与实践及地基处理新技术中，关于复合地基总的沉降量计算公式进行。 2.2软土地基条件下的高层建筑基础形式和桩型选择 高层建筑竖向荷载大而集中，重心高，倾斜敏感，在风和地震水平荷载作用下产生巨大的倾覆力矩，因此对基础的承载力、稳定性和差异沉降要求很高。对于软弱地基，只有在浅层土质较好，周围环境影响小，房屋刚度较大的情况下，可以采用补偿式箱型基础，而筏型、箱基往往也难满足上述要求。而桩基础以其巨大的承载力潜力和抵御复杂荷载的能力以及对各种地基条件的适应性，成为软弱地基上的高层建筑的最主要的基础形式，主要形式有：桩-柱基础；桩-梁基础；桩-墙基础；桩-筏基础；桩-箱基础。而以桩-箱基础，桩-筏基础最为常用。布桩的方式有满堂布桩和沿轴线布桩。桩型常用预制钢筋砼桩、钻(冲)孔灌注桩及钢管桩。 另外，在软弱地基上修建高层建筑时，特别重要的一项就是对控制轴力的选择，需要具备较强的承载能力和抗震能力，还有由于高度的影响，会存在风压，这就需要对高层建筑基础设计的控制轴力有一个准确的计算。下面将举例来说明； 南方某高层住宅楼地下1层，地上26层，高81m，标准风压0.70kPa，地震设防烈度7度，IV类场地土，抗震等级二级。采用TAT空间分析程序计算(并设G为竖向荷载的合力值)得： x向：周期Tx=1.71s基底剪力Qcx=2320kN=0.015G y向：周期Ty=1.67s基底剪力Qcy=2750kN=0.018G 再拿湖南长沙某商住楼地下1层，地上15层，高42.5nl，标准风压0.65kPa，地震设防烈度6度，IV类场地土，抗震等级三级。采用TAT空间分析程序计算(并设G为竖向荷载的合力值)得： x向：周期Tx=1.57s，基底剪力Qcx=1870kN=0.01G. y向：周期Ty=1.63s，基底剪力Qcy=1830kN=0.01G. 一个好的控制轴力对高层建筑的基础设计特别重要，不仅可以提高高层建筑的质量，增强地基的承载能力，延长建筑的使用寿命，还可以节省建筑的成本，为承建企业与招标单位创造更大的利益。 3. 高层建筑基础方案的设计优化 在高层建筑基础方案的优化选择上，考虑到城市所在地区的地质状况的不同，各个城市高层建筑的地基承载力也存在着差异，因此其基础设计的方案也不尽相同。基础设计方案如何选择，就需要根据实地的需要来决定，例如天津等地质条件较差的地区高层建筑多采用造价高昂的桩筏，而北京、广州等地质条件稍好的地区高层建筑多选用相对经济一些的筏基。当然，在地基条件较好的山区如重庆，甚至高层建筑也可以采用经济的独立基础。可见，地质条件很大程度上决定了建筑基础的方案。现代的计算机模拟技术可以提供高层建筑多个设计方案的模拟结果，从而使设计师可以从中选择最优方案。 3.1沉降缝的设置 高层建筑地基基础设计的工程实践表明，高层建筑基础设置沉降缝弊远大于利。一般可不设置沉降缝。设置沉降缝的原因是由于主楼与裙房荷载差异较大或由于地基土层不均匀而可能造成基础沉降不均匀，导致结构的内力集中或结构不能承受的变形，为此可以调整基础底面的尺寸、基础底面的压力、基础的结构型式或施工顺序，消除基础的不均匀沉降。显然设置沉降缝对基础和地下室在土层中的嵌固作用很不利，并且防水处理很困难，使基础结构更加复杂化。 3.2高层建筑的基础埋置深度和地下空间的利用 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002规定，高层建筑基础的埋深可取建筑高度的1/151/18。这是考虑地基土层对高层建筑的嵌固作用，增强高层建筑结构的稳定性、抗倾覆和抗滑移的能力。经过一些高层建筑结构在风载和地震作用下的抗倾覆验算表明，在不考虑地基土层的侧压力时，一般都可满足要求。如高层建筑有裙房大底盘，建筑周边有刚性的散水或密实的填土时，一般抗倾覆也是能满足要求的。在确定高层建筑基础埋深时，要经过精确的计算和全面的综合考虑。不能盲目的加深基础埋深，以免造成基础工程的浪费。在类似有硬质基岩的场地建造高层建筑，可考虑采用锚杆基础，既保证结构的抗倾覆，又能节约基础的造价。 现代化的国际城市，必须有足够的汽车库，许多国家的汽车停放问题都已成为阻碍交通、影响市容的严重问题。日本等国政府规定凡没有停车场所的人，不许购置汽车。我国的一些大城市也将面临这一问题。而解决这一问题最合理最经济的办法就是将汽车停在地下，这就需要地下室有较大空间，需要在地基基础设计中结合岩土工程地质的实际情况、地下室和人防的设置、地基基础的选型等综合考虑，以充分利用地下空间。类似青岛市区的岩土工程情况，高层建筑的基础一般可以座落于基岩上，覆盖土层厚的场地，可多设几层地下室，这样既可利用基岩的承载力和低压缩性能，降低基础造价，又能增加基础的埋深，增强土层对高层建筑结构的嵌固作用，提高结构的稳定性、抗倾覆和抗滑移能力，又能利用地下空间。如青岛中银大厦、第一百货大厦、伊都锦大厦，地下室为四、五层。 实际高层建筑基础设计工程的优化内容是多方面的，既有方案优选，也有参数优选，同时还可以是整体优选，也可以是局部优选。在实际中可根据具体的工程需要，选择合适的优化方法。 参考文献 刘志勇.软弱地基上高层建筑基础设计中若干问题的探讨J.甘肃科技，2001,(04). 郭全全.高层建筑基础设计中几个问题的探讨J.科技情报开发与经济，2001,(02) 琼华.高层建筑基础设计方案优化J.广东水