高層建筑基礎設計與選型

【摘要】高層建筑基礎設計直接關系到建筑物的安全和造價，是高層建筑設計的關鍵一步，如何在滿足技術要求的條件下優化設計、合理選型，本文闡述了作者在實際工程中的一些思考方法供同行設計人員參考。

【關鍵詞】高層建筑基礎；基礎設計；優化設計

引言：

隨著我國經濟的高速發展，高層建筑在我國的工程建設中的比重越來越大了，而高層建筑的基礎作為高層建筑結構體系的一個重要組成部分，也歷來被工程設計人員所重視。在進行地基基礎設計時，選擇合理的基礎形式、準確的計算直接關系到建筑物的安全和造價。基礎工程的費用與建筑物總造價的比例可為百分之幾到百分之幾十之間，安全、合理優化的基礎方案是至關重要的。

經過多年的設計實踐，現將高層建筑基礎設計過程中應注意的一些問題總結如下：

一、 高層建筑基礎選型應考慮的因素

（一）上部結構設計對基礎設計的影響很大，應多角度綜合考慮：

1、如建筑物體型是否規則，這決定基礎應力是否均勻。

2、建筑上部結構形式不同、剛度不同，基礎計算模型也不應相同[1 ]。

3、地下室層數、深度和抗浮水位標高對基礎設計的影響。對基礎設計來說，基礎的沉降由地基有效壓力的增加而產生的，如果地基有效壓力不變，則基礎不會沉降，如果開挖地下室移去土的重量與增加建筑物重量基本平衡，那么建筑物的沉降量就會很小，如果抗浮水位較高應進行整體抗浮驗算，若浮力遠遠超出建筑物自重，設計時必須采取措施加大結構自重，必要時應采用永久性抗浮錨樁。這里一定要注意地下水位并不一定是抗浮水位，設計人員一定要明確相關概念，避免錯誤計算給工程造成安全隱患。[3]

（二）充分考慮建筑物所在地的地質條件、持力層情況

持力層的承載力和壓縮模量是基礎選型極其重要的因素。基礎設計一定要從承載力計算和變形計算兩方面考慮。

（三）建筑物基礎的施工工藝要考慮對周邊環境的影響如振動、噪聲及施工空間是否可以正常開挖、自然放坡，如施工空間有限則應采取相應的支護措施等；樁基礎還要考慮樁的尺寸限制，施工工藝對周邊環境的影響以及施工周期等諸多因素。

（四）基礎選型造價、周期的綜合比對，應從工程整體的經濟效益全面考慮論證。

二、 高層建筑常用基礎類型的適用條件

1、柱下獨立基礎

適用于上部結構為框架結構，地質條件較好，荷載較小的情況。

2、條形基礎

適用于地質條件較好，荷載較小但獨立基礎連片無法分開設置的情況。

3、筏形基礎

是高層建筑常用的基礎形式之一。主要適用于上部結構荷載較大，條形基礎仍不能滿足容許變形和地基容許承載力的要求。

4、箱形基礎

在高層建筑基礎中應用廣泛，適用于上部荷載大，地基土承載力不高的情況，其剛度很大，整體性好，可以調節減少地基的不均勻沉降。

5、樁基礎

主要適用于上層土較軟弱，無法滿足承載力及沉降設計要求，下層有能承受較大荷載土層作為樁基礎的持力層。

三、 高層建筑基礎優化設計的建議

1、上部結構與地基、基礎共同作用分析方法

高層建筑結構隨著層數的增加，整體自重也將大大增加，在豎向荷載作用下，基礎實際沉降是碟形的，整體結構邊跨沉降與中部沉降是不同的，由于上部結構剛度的影響及筏板剛度的協調使得基礎內力重分布，及各層豎向結構承重構件尤其是底層豎向結構承重構件內力重分布引起上部結構和基礎內力的變化，共同作用整體分析中才能反映出結構內力的真實情況。高層結構基礎設計時，若地基土壓縮性較高，則基礎宜適當加大剛度。當采用樁基礎時，可考慮根據上部結構剛度、荷載分布情況布樁的方式如可在剛度或荷載較大的部位加大樁徑或樁長，也可加密布樁，調整樁基的豎向承載力或支撐剛度，這樣可減小基礎沉降差，也可減小基礎的內力，降低基礎含鋼量。[1]

2、高層建筑箱（筏）基礎設計的建議

對高層建筑箱（筏）基礎在豎向荷載作用下產生的內力由上部結構和基礎按剛度進行分配、共同分擔。上部結構與基礎剛度比對上部結構及基礎內力產生較大影響。在同一地基條件的情況下，上部結構其剛度增大，其基礎內力會減小，相對撓曲隨之增大；反之，基礎內力隨其本身的剛度增大而增大，相對撓曲隨之減小。高層建筑箱（筏）基礎設計時，考慮上部結構參與工作，并調整上部結構和基礎為合理的剛度，合適的剛度比，單純的一味的加大或減小其中的任何一項剛度都是不可行的，這樣才能有利于降低基礎的整體彎曲應力，計算出的整體彎曲基礎鋼筋應力比較符合實際，避免浪費。

3、高層建筑樁箱（筏）基礎設計的建議

樁基礎主要承擔上部結構的豎向荷載，這樣可大大減小箱（筏）基礎整體內力，而且底板的基底土反力明顯減小，箱（筏）基礎的沉降也大大減小，一般情況下，上部荷載作用下樁頂反力的分布是不均勻的邊、角樁反力較大，內部樁較小。因此高層箱（筏）基礎設計時可不必要均勻布樁，根據剛度、荷載分布情況，調整樁基的樁徑及樁距，使得樁頂反力分布均勻，也可考慮群樁效應充分利用樁間土承擔一部分豎向荷載，適當加大樁距；若上部結構為剪力墻或核心筒則可適當加密樁距或增加樁長，可將樁沿剛度較大的豎向構件軸線布置，這樣與整個箱（筏）基礎下均勻布樁相比可以大大減少樁數、并減小底板內力，節約工程造價。

4、高層建筑基礎后澆帶設計的建議

結構設計工程師必須要計算高層建筑高、低層之間的沉降差后，再考慮基礎先、后期沉降的比例問題，并了解后澆帶對沉降差的釋放情況，還要通過對工程地質條件和當地的地方性規范進行相當的了解，最后結合施工期間現場差異沉降量觀測值在規范容許范圍內時才可以進行后澆帶混凝土的澆注。[3]

結語：

總之，高層建筑的基礎設計是一個復雜的過程，在當今高層建筑高速發展的時代，深入高層建筑基礎的研究使基礎設計更加合理是我們結構設計工程師不斷加強對結構原理、規范細節學習、探索的目標。

參考文獻：

[1]許培福.黃小坤[S]《高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ 3-2010 J 186-2010）》北京，中國建筑工業出版社.2011

[2]錢力航.宮劍飛[S]《高層建筑筏形與箱型基礎技術規范（JGJ 6 -2011）》北京，中國建筑工業出版社.2011

[3]黃熙齡.騰延京[S]《建筑地基基礎設計規范（GB 50007-2011）》北京，中國建筑工業出版社.2012