對(duì)高層建筑巖土地基的處理方法探討

徐煥增

（河北省第四建筑工程公司第六分公司，河北 保定 071051）

1 高層建筑巖土地基強(qiáng)度的影響因素

高層建筑的上部結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，并且和基礎(chǔ)與地基三者同處于一個(gè)共同作用的完整系統(tǒng)之中。建筑物的共同作用分析，一般說(shuō)是頗為復(fù)雜的。因?yàn)椋咂渲腥我唤M成部分的某些變化都會(huì)直接影響分析的結(jié)果。工程實(shí)踐中，特性多變的地基和形式不一的上部結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了共同作用課題研究的復(fù)雜性。

1.1 基礎(chǔ)剛度的影響

在上部結(jié)構(gòu)剛度和地基條件不變的前提下，基礎(chǔ)內(nèi)力隨其剛度增大而增大，而相對(duì)撓曲卻隨此而減小。所以，從減小基礎(chǔ)內(nèi)力角度而言，基礎(chǔ)剛度選擇柔性為宜。然而，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)是密切相聯(lián)、相互制約的，上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力隨著基礎(chǔ)剛度的減小而明顯增大，這是因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)中除由外荷載引起的內(nèi)力外，還應(yīng)包括由于基礎(chǔ)差異沉降所引起的次應(yīng)力。次應(yīng)力的大小是同基礎(chǔ)沉降差(相對(duì)撓曲)成正比，與基礎(chǔ)剛度成反比，基礎(chǔ)剛度的減小必然在上部結(jié)構(gòu)中引起更大的次應(yīng)力。所以，就減小上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力而言，基礎(chǔ)更多選擇剛性為宜。

在實(shí)際工程中，基礎(chǔ)方案即基礎(chǔ)形式、剛度的確定，應(yīng)視結(jié)構(gòu)類型和地基條件而定。對(duì)于那些對(duì)差異沉降不敏感的，上部結(jié)構(gòu)為柔性的結(jié)構(gòu)物，主要能滿足一定的使用要求，基礎(chǔ)剛度的選擇宜柔不宜剛。對(duì)于那些建立在高壓縮性土上，上部結(jié)構(gòu)剛度較大的結(jié)構(gòu)物，由于對(duì)不均勻沉降的敏感性、順從性，基礎(chǔ)剛度的選擇宜剛不宜柔。

1.2 地基剛度的影響

共同作用的分析還同地基土的特征有關(guān)。隨著地基的變軟，基礎(chǔ)相對(duì)撓曲和內(nèi)力均相應(yīng)地增大；但是，當(dāng)?shù)鼗鶆偠仍龃蟮较喈?dāng)大的時(shí)候，上部結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)力已沒(méi)有什么明顯的影響，因?yàn)椋藭r(shí)沉降和不均勻沉降已很小了，已不需要上部結(jié)構(gòu)來(lái)幫助減小不均勻沉降了，原先存在于結(jié)構(gòu)物各部分之間的相互制約、相互影響作用己得不到應(yīng)有的發(fā)揮，當(dāng)然上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力亦可忽略。由此說(shuō)明，在軟弱地基上的建筑物考慮共同作用分析要比堅(jiān)硬地基上的建筑物具有更重要的意義。

地基剛度的變化將引起上部結(jié)構(gòu)中縱向結(jié)構(gòu)受力的重分布，這是因?yàn)椋鼗鶆偠鹊淖兓菇ㄖ锍两岛筒痪鶆虺两狄嚯S之變化，當(dāng)?shù)鼗鶆偠葴p小時(shí)，邊部縱向受力結(jié)構(gòu)加載，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)卸載，這種現(xiàn)象又隨著上部結(jié)構(gòu)剛度的增大而加劇。

2 高層建筑巖土地基處理方法的實(shí)例分析

本次研究所涉及到的工程為某住宅小區(qū)#3、#4號(hào)樓，兩棟樓房的建筑重要等級(jí)均為二級(jí)，全部為地上建筑，建筑面積分別為7,354㎡和2,443㎡，均為框架結(jié)構(gòu)。

2.1 地基穩(wěn)定性驗(yàn)算和有關(guān)加固處理方法

2.1.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)于此工程的非均勻性地基，除了要按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求對(duì)地面建筑物的傾斜、差異沉降和沉降等特征進(jìn)行分析外，還要根據(jù)建筑物重要性的具體情況對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，但是國(guó)內(nèi)外對(duì)于這一問(wèn)題的文獻(xiàn)記錄相對(duì)較少，使得不少巖土工程師在進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的處理時(shí)僅僅以對(duì)基地穩(wěn)定有利或有害輕輕帶過(guò)，缺乏具體的說(shuō)明，讓設(shè)計(jì)人員的合理設(shè)計(jì)變得缺乏依據(jù)。

國(guó)外研究人員以地基整體破壞原理為基礎(chǔ)，利用剛體平衡理論，假設(shè)塑性展開(kāi)區(qū)的深度為1/3或1/4，并在此基礎(chǔ)上對(duì)地基的承載能力進(jìn)行分析，該方法對(duì)于做好整體穩(wěn)定性分析工作具有重要的指導(dǎo)意義。而《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》終則建議通過(guò)圓弧法對(duì)相關(guān)數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)算，也就是最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面上的力對(duì)滑動(dòng)中心所產(chǎn)生的抗滑力矩MR與滑動(dòng)力矩MS應(yīng)符合以下關(guān)系，即：K=MR/MS≥1.2

根據(jù)穩(wěn)定安全系數(shù)，可通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算：K=R(Wi,cositani+cili)(p-pc)bx+Hz

公式中的R代表的是圓弧半徑，Wi表示土條重量，ci表示土的抗剪強(qiáng)度，li表示土條的內(nèi)滑弧長(zhǎng)度，p-pc為基底附加壓力的平均值，x表示附加壓力的中心到滑弧圓心的水平距離，H表示水平外力。

該式僅適用于偏心荷載建筑物整體穩(wěn)定性的計(jì)算，結(jié)果的精確度主要取決于滑弧深度的選擇是否合理、準(zhǔn)確，只要能夠準(zhǔn)確測(cè)定滑弧深度，那么地基土地的整體破壞范圍也就能夠得到確定。根據(jù)以往工程對(duì)于地基土圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性的驗(yàn)算結(jié)果以及塑性區(qū)的展形范圍，可以認(rèn)為在基礎(chǔ)外角點(diǎn)底面以下，1/4基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)，且這一點(diǎn)與地面的連線夾角為45°-/2的驗(yàn)算范圍可以滿足建筑物的使用需求。通過(guò)前面介紹的公式對(duì)有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)算，直到結(jié)果滿意，或者通過(guò)采用增強(qiáng)滑帶土抗剪強(qiáng)度的方法來(lái)對(duì)地基穩(wěn)定性的安全系數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算。

2.1.2 對(duì)不均勻地基的加固處理方法

不均勻地基的巖土橫向和縱向上的物理學(xué)性質(zhì)往往存在著一定的差異，其反力集中的現(xiàn)象往往比均勻地基更加明顯，如果在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有采取有效措施對(duì)其進(jìn)行處理，就容易給工程埋下安全隱患。所以，在對(duì)此類地基進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的時(shí)候，除了要首先沿著縱橫向設(shè)置鋼筋外，還要采取以下幾方面措施對(duì)其進(jìn)行處理：

工程中的不同建筑物要盡量采取不同型式的地基。如果建筑物是建造在不均勻的地基土上，應(yīng)該適當(dāng)增加其基礎(chǔ)剛度。層數(shù)較多的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的單獨(dú)柱基應(yīng)該沿著縱、橫兩個(gè)主軸的方向設(shè)置系梁，尤其是那些各柱基重力荷載代表值的差異非常顯著的柱基或者埋深差異較大的基礎(chǔ)。同一個(gè)建筑物的基礎(chǔ)不應(yīng)該設(shè)置在巖土性質(zhì)截然不同的地基巖土層上。設(shè)置在不均勻地基巖土上的樁基礎(chǔ)，其頂部和底部應(yīng)該設(shè)置大于1m箍筋加密區(qū)，如果采用的是預(yù)制樁則應(yīng)采用高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力管樁。

對(duì)于設(shè)置在不均勻地基上的底、內(nèi)框架房屋和多層砌體房屋應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的基礎(chǔ)圈梁。

2.2 基礎(chǔ)方案分析

2.2.1 天然地基淺基礎(chǔ)的可行性分析

根據(jù)工程施工特點(diǎn)以及施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件可知，#3、#4號(hào)樓的衙載較大，而淺部地基土的承載能力卻偏低，在軟弱地基土層還存有一定數(shù)量的埋藏較深的溶洞，同時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)的地下水資源較為豐富，不適于采用換層法對(duì)地基進(jìn)行處理。天然地基無(wú)法滿足建筑物荷載的需求，因此不能采用天然地基淺基礎(chǔ)型式。

2.2.2 人工復(fù)合地基淺基礎(chǔ)的可行性分析

#3、#4號(hào)樓的施工應(yīng)采用CFG樁法或深層攪拌樁對(duì)上部地基的土層進(jìn)行加固處理，使其能夠滿足建筑物基礎(chǔ)部分對(duì)于地基承載力的要求，以層④作為樁端的持力層，預(yù)計(jì)樁長(zhǎng)約在11.7～15.6m的范圍內(nèi)，實(shí)際攪拌深度應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際條件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并配以地基淺基礎(chǔ)--條形基礎(chǔ)。對(duì)于攪拌樁承載力特征值的計(jì)算可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單、復(fù)合多樁地基荷載的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，在初步設(shè)計(jì)時(shí)可參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)要求進(jìn)行處理。

結(jié)束語(yǔ)

基礎(chǔ)選型首選成本低、施工簡(jiǎn)單、質(zhì)量易控制的形式，一般的選擇順序是：淺基礎(chǔ)→預(yù)應(yīng)力管樁→人工挖孔樁→鉆沖孔樁、樁筏式基礎(chǔ)。無(wú)論選擇哪種基礎(chǔ)，勘察除查明地層的物理力學(xué)特性外，還要注意施工的可行性、地下水的條件、持力層在施工開(kāi)挖及地下水的作用下性質(zhì)的改變、周邊環(huán)境與施工的相互影響等4個(gè)方面的因素，只有經(jīng)過(guò)全面的分析才能選擇合理的基礎(chǔ)形式，才能確保地基施工質(zhì)量。

[1] 劉勝.試論巖土工程勘察報(bào)告中建筑工程基礎(chǔ)選型的若干問(wèn)題[J].建材與裝飾，2008，(4).

[2] 貴州建筑巖土工程技術(shù)規(guī)范 (DB22/46-2004)[S].