關(guān)于高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

【摘要】高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)對保證建筑物的正常使用和安全至關(guān)重要，是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)應(yīng)綜合考慮根據(jù)地基土質(zhì)情況、上部結(jié)構(gòu)形式、有無抗震設(shè)防要求、場地環(huán)境和施工技術(shù)等因素。本文對高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；筏型基礎(chǔ)

引言

高層建筑基礎(chǔ)是高層建筑結(jié)構(gòu)體系中一個(gè)重要組成部分，逐漸被業(yè)內(nèi)人士重視起來。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，首先保證基礎(chǔ)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，其次考慮地基的穩(wěn)定性、承載力及變形要求等，進(jìn)一步確定合適的基礎(chǔ)形式。

一、高層建筑基礎(chǔ)選型的主要依據(jù)

在基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)各地區(qū)不同的地質(zhì)條件，選擇合理的基礎(chǔ)形式，是個(gè)關(guān)鍵問題。一般情況下應(yīng)考慮以下條件：高層建筑基礎(chǔ)首先應(yīng)滿足基礎(chǔ)本身的強(qiáng)度要求，上部荷載分布應(yīng)盡量均勻；基礎(chǔ)應(yīng)支承在較堅(jiān)固或較均勻的地基上，應(yīng)考慮持力層及其下臥層的整體穩(wěn)定性，同一棟建筑不宜采用多種不同類型的基礎(chǔ)形式；應(yīng)滿足建筑物使用上的要求，例如人防要求、設(shè)置地下車庫、地下酒吧、地下商場、地下餐廳等要求；應(yīng)滿足構(gòu)造的要求，如高層建筑箱基的埋深、高度，基底平面形心與結(jié)構(gòu)豎向靜荷載重心相重合，對偏心距的要求、沉降控制等；根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)形式選配合理的基礎(chǔ)形式；高層建筑基礎(chǔ)，一般埋置較深，因此，應(yīng)考慮深基坑開挖和地下水抽排對周圍建筑物的影響，以及地下水造成施工難度的增加和對工程質(zhì)量的影響。

二、高層建筑基礎(chǔ)選型

在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，常用的基礎(chǔ)類型有嵌巖樁基礎(chǔ)、天然地基鋼筋混凝土塊式或筏式基礎(chǔ)以及樁筏基礎(chǔ)等。在基礎(chǔ)選型時(shí)必須考慮建設(shè)場地的地質(zhì)條件，合理選擇基礎(chǔ)持力層，同時(shí)還應(yīng)考慮施工周期，工程投資等綜合因素。

2.1嵌巖樁基礎(chǔ)

在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，由于上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載大，故常用的設(shè)計(jì)方法是選擇以一定厚度的中風(fēng)化巖層或穩(wěn)定的微風(fēng)化巖層作持力層，通過嵌巖樁將上部結(jié)構(gòu)荷載傳至巖層。采用嵌巖樁基礎(chǔ)持力層變形幾乎趨向于零，樁尖承載力大，同時(shí)還可考慮樁側(cè)與土的摩擦力，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，單樁承載力高，較容易滿足上部結(jié)構(gòu)荷載對基礎(chǔ)承載力要求，且設(shè)計(jì)計(jì)算簡單，但亦存在著施工周期較長，特別是樁施工完后要等樁的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度時(shí)方可對樁身質(zhì)量進(jìn)行檢測，對施工工期有一定的影響，工程造價(jià)也略微偏高。

2.2天然地基鋼筋混凝土塊式或筏式基礎(chǔ)

基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般可選擇鋼筋混凝土塊式基礎(chǔ)或筏式基礎(chǔ)。采用塊式基礎(chǔ)較為簡便，中筒部分可考慮由筏板承托，基礎(chǔ)之間結(jié)合地下室底板結(jié)構(gòu)布置剛度較大的連梁，并考慮平面剛度極大的地下室底板的連接，基礎(chǔ)整體性良好，具有極佳的抗不均勻沉降能力。天然地基塊式或筏式基礎(chǔ)具有施工方便、工期短、節(jié)約投資等優(yōu)點(diǎn)，建議設(shè)計(jì)人員在條件允許情況下盡量選用。

2.3樁筏基礎(chǔ)

在我國沿海城市如上海、海口、汕頭等，其巖土地層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是基巖層埋深較深，嵌巖樁基礎(chǔ)幾乎無法實(shí)施，只能采用摩擦樁基礎(chǔ)，但摩擦樁承載力較低，不一定能滿足高層建筑上部結(jié)構(gòu)荷載對基礎(chǔ)承載力的要求，因此樁筏基礎(chǔ)是這部分地區(qū)高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要選擇。樁筏基礎(chǔ)的基本原理是樁土的協(xié)同工作，樁與土在沉降及收縮固結(jié)過程中相互協(xié)調(diào)達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，筏板底土層與摩擦樁共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載。一般來說，考慮地下室開挖后地基補(bǔ)償?shù)纫蛩兀ぐ宓淄翆泳哂幸欢ǖ某休d力。所以設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)筏板底土層情況，考慮土承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載的比例。通過對筏板的分析，筏板四周的應(yīng)力最大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)在筏板四周應(yīng)均勻布置樁且樁距應(yīng)加密，中部各豎向構(gòu)件樁的布置宜采用梅花形布置。

三、高層建筑樁筏復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1樁筏復(fù)合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論

目前，我國現(xiàn)行規(guī)范GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范第8.5.14條規(guī)定，樁基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)考慮樁、土、承臺(tái)的共同工作。相關(guān)規(guī)范對樁筏復(fù)合基礎(chǔ)的計(jì)算方法并未做出統(tǒng)一規(guī)定，采用的計(jì)算方法也不盡相同，多根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r和經(jīng)驗(yàn)確定，大致有以下兩種計(jì)算方法：

方法1：假定整個(gè)建筑物和重量全部由樁傳到地基中去，而承臺(tái)板只起連接樁頂和傳遞上部荷載的構(gòu)造作用。在群樁布置中使樁的受力均勻，樁群形心與上部結(jié)構(gòu)傳給基礎(chǔ)的荷載重心盡量重合。對于框架結(jié)構(gòu)，可按荷載大小，在柱下集中布樁。對于框剪結(jié)構(gòu)或框筒結(jié)構(gòu)，柱下布樁與框架結(jié)構(gòu)相同，剪力墻或筒體下沿墻布樁。當(dāng)樁數(shù)較多時(shí)，也可均勻布樁。

方法2：參考樁土共同作用，利用天然地基的承載力，使樁基與天然地基互補(bǔ)，采用控制沉降的方法將上部荷載由樁和筏板共同互補(bǔ)承擔(dān)，使樁的數(shù)量及筏板厚度得以減少。

3.2減沉設(shè)計(jì)

1）減沉設(shè)計(jì)的基本原理。減沉設(shè)計(jì)是指按沉降控制原則設(shè)計(jì)樁筏基礎(chǔ)。減沉設(shè)計(jì)概念主要應(yīng)用于軟土地基上多層建筑設(shè)計(jì)，在軟土地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，有時(shí)決定采用樁基主要并不是因?yàn)猷徑乇淼耐翆訌?qiáng)度不足，而是較深處的軟弱土層產(chǎn)生過大沉降的緣故，這時(shí)可采用數(shù)量較少的樁使沉降量減小到允許的范圍內(nèi)，這種樁一般是摩擦樁，在承臺(tái)產(chǎn)生一定沉降的情況下，樁可充分發(fā)揮并能繼續(xù)保持其全部極限承載力，能有效地減小沉降量。同時(shí)，承臺(tái)或筏板也能分擔(dān)部分荷載，與按樁承擔(dān)全部荷載設(shè)計(jì)的樁基相比，根據(jù)不同的容許沉降量要求，用樁量有可能大幅度減少，樁的長度也可能減短，因而可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

2）減沉設(shè)計(jì)的內(nèi)容。樁長及樁身斷面選擇：選擇樁長應(yīng)盡可能穿過壓縮性高的土層，樁端持力層壓縮性應(yīng)相對較低。在承臺(tái)產(chǎn)生一定沉降時(shí)樁仍可充分發(fā)揮并能繼續(xù)保持其全部極限承載力。選擇樁身斷面應(yīng)使樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定的單樁容許承載力與地基土對樁的極限承載力二者匹配，以充分發(fā)揮樁身材料的承載能力。

3.3變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)

1）變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

在樁筏變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)中，群樁剛度與單一筏板剛度的比值kpr最為關(guān)鍵。最合適的kpr值與樁筏面積比有關(guān)，且當(dāng)有關(guān)樁筏面積比范圍為16%～25%時(shí)， kpr值接近于1。當(dāng)樁筏面積比較大時(shí)，為減小沉降差， kpr值應(yīng)稍微增大。考慮到樁的非線性，比完全彈性分析所得到的稍大（約50%），kpr值可能更為合適。為減小樁的承載能力明顯發(fā)揮（大于50%）后的沉降差，只要kpr=1的條件滿足，任何實(shí)際樁長都可采用。當(dāng)然，為獲得樁承載特性的合理發(fā)揮，樁的承載力應(yīng)以側(cè)摩阻力為主，而不是樁端阻力。研究表明，樁的總承載力發(fā)揮的強(qiáng)度與樁的極限承載力的比值m不應(yīng)超過0.8，以避免沉降差明顯增加，在m<0.8范圍內(nèi)，最合適群樁實(shí)際分擔(dān)荷載相當(dāng)于2.5倍～3倍群樁區(qū)域上的總荷載，僅為整個(gè)筏板上總外荷載的40%～70%。

2）變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的步驟。

按建筑物性質(zhì)、荷載、地質(zhì)條件等進(jìn)行初始布樁并確定板厚，對上部結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)與地基共同作用進(jìn)行分析，繪制沉降等值線。對沉降等值線進(jìn)行分析，當(dāng)天然地基總體沉降不大而局部沉降過大時(shí)，根據(jù)具體條件對沉降過大部分采用局部加強(qiáng)處理，如采用筏底布樁或復(fù)合地基，在樁基沉降較小部位，應(yīng)抽掉一部分樁，或視土層情況適當(dāng)縮短樁長或減小樁徑。對沉降較大的部位，應(yīng)適當(dāng)加密布樁或視土層情況，適當(dāng)增加樁徑樁長，重新形成剛度體系，進(jìn)行共同工作迭代計(jì)算，直至沉降差減到最小。

四、結(jié)束語

基礎(chǔ)工程造價(jià)在整個(gè)工程造價(jià)中比例很大，不同的基礎(chǔ)型式造價(jià)相差也較大，針對工程地質(zhì)及建筑物結(jié)構(gòu)形式不同，合理選擇基礎(chǔ)形式的意義重大。

參考文獻(xiàn)：

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