某高層建筑基礎優化選型研究

劉明林

(河南省建筑設計研究院有限公司，河南鄭州450003)

隨著國家經濟的可持續發展，高層建筑的建設與發展已進入新階段［1-2］。高層建筑的基礎形式已成為建筑物安全、造價和工期的關鍵因素。出于承載力和變形控制的需要，大多高層建筑采用樁基或地基處理后的復合地基，而直接將天然地基作為高層建筑基礎的案例非常少［3-5］。基于高層建筑天然地基基礎型式選擇的成功案例，可為類似工程提供參考和實踐經驗。

1 工程概況

擬建場地位于鄭州市京廣路與代莊南街交叉口西北角，擬建建筑主要有3棟22～27層、2～5層商業組成，地下3層連為一體。建筑物特征如表1所示，各建筑物的平面布置如圖1所示。

表1 擬建場地建筑物特征

2 工程地質條件

2.1 地質概況

場地地層主要包括粉土、粉質粘土及粉砂等。根據建筑物基礎埋深，基礎持力層為粉質粘土層，硬塑，層厚為5.51 m，下部無軟弱下臥層。基礎持力層及以下主要地層的物理力學參數如表2所示。

圖1 擬建場地建筑物平面布置圖(單位:mm)

表2 主要地層物理力學參數表

2.2 水文條件

擬建場地潛水位埋深約18.0 m左右，潛水位年變化幅度0.5～1.0 m。

3 基礎選型分析

3.1 承載力驗算

根據建筑物基礎埋深，第8層粉質粘土為持力層，設計的基礎形式為主樓采用筏板基礎，地下車庫及裙樓采用獨立基礎加防水板，分別通過修正式(1)和式(2)對地基承載力進行驗算，計算結果分別為fa=307.8 kPa和fa=348 kPa，均小于各建筑物基底壓力，因此，天然地基不滿足承載力要求，具體計算參數和結果如表3所示。

根據設計基礎形式，天然地基承載力不滿足要求，經與設計方協商后，建筑物基礎形式調整為主裙樓均采用筏板基礎，將車庫基底壓力折算成土層厚度與主樓底板厚度一起作為基礎埋深，通過式(1)對地基承載力進行修正，得出fa=481 kPa，小于A座和B座建筑的基底壓力，不滿足承載力要求，但大于C座建筑基底壓力，滿足承載力要求。具體計算參數和結果如表3所示。

式中:fak為某地層地基土承載力特征值;ηb為基礎寬度的地基承載力修正系數;γ為基礎底面以下土的重度;b為基礎底面寬度;ηd為基礎埋置深度的地基承載力修正系數;γm為基礎底面以上土的加權平均重度;d為基礎埋置深度;Mb、Md、Mc為承載力系數。

表3 地基承載力驗算表

在主裙樓均采用筏板基礎的條件下，可將A座25層樓和B座27層樓的基礎外擴，以滿足承載力要求。當A座樓和B座樓分別外擴1.0 m和1.5 m時，基底壓力分別為475 kPa和476 kPa，滿足地基承載力要求。因此，采用天然地基是可行的。

3.2 沉降分析

按調整后的基底壓力，采用分層總和法對建筑物的沉降和差異沉降進行估算，計算結果如表4所示。

表4 天然地基沉降計算結果匯總表

由計算表分析可以看出，主樓的最大沉降在100～122 mm之間;建筑物封頂時沉降量達總沉降量的60%，主裙樓沉降差在60 mm左右，小于《建筑地基基礎設計規范》平均沉降值200 mm，整體傾斜遠小于規范允許值0.25%，滿足規范要求。

綜上所述，擬建場地建筑在主裙樓采用筏板基礎情況下，A座25層樓、C座22層樓基礎外擴1.0米以上，B座27層樓外擴1.5米以上，采用天然地基是可行的。

4 平板載荷試驗驗證

4.1 平板載荷試驗

根據擬建場地建筑物布置情況和基礎埋深，在持力層位置進行平板載荷試驗，從而得到該土層的變形模量以及承載力特征值，對地基承載力進行驗證，試驗結果如表5所示。

表5 天然地基淺層平板載荷試驗概況表

由表5試驗結果可得，第⑧土層的變形模量最大平均值E08=44.56 MPa，平均值為38.234 MPa，承載力特征值fak=320 kPa。

4.2 承載力驗算

通過平板載荷試驗，計算得出持力層的承載力特征值fak=320 kPa，大于設計時的250kPa。因而，在主裙樓均采用筏板基礎形式的條件下，A座、B座及C座建筑物地基承載力均滿足要求，故采用天然地基是可行的。

4.3 沉降驗算

根據平板載荷試驗結果，按比例估算各土層變形模量，根據變形模量對天然地基的沉降進行計算分析，變形模量計算結果如表6所示。

表6 各土層變形模量計算結果

根據各土層變形模量對各建筑的最終沉降量進行估算，并和按分層總和法計算的沉降結果進行對比分析，分析結果如表7所示。

表7 各建筑物最終沉降量對比分析表

由表7分析可得:地基承載力滿足要求，各主樓的最終沉降量、整體傾斜、主裙樓的差異沉降也滿足《建筑地基基礎設計規范》要求。因此，在裙樓采用筏板基礎情況下，A座、B座和C座地基滿足承載力要求，進一步驗證采用天然地基是可行的。

5 沉降觀測

按照變形觀測精度等級為一級工程的沉降觀測要求，根據規范及現有場地的條件，在施工過程中對建筑物進行實時監測。從基礎開始施工到建筑物封頂期間，分別對A座、B座、C座進行沉降觀測，結構封頂時的觀測結果如圖2所示，AB裙樓和BC裙樓沉降觀測結果如圖3所示。

圖2 建筑A、B、C座主樓各監測點沉降量散點圖

由圖2分析可得，A座、B座、C座建筑物在施工期間都產生了沉降，累計沉降量最大值分別為10.90 mm、10.84 mm、16.00 mm，基本不存在差異沉降，各主樓沉降值都在控制范圍內。C座建筑物沉降量大，主要是由于其周圍環境較為復雜，西側距住宅樓較近，荷載稍大。

由圖3分析可得，A、B座間裙樓和B、C座間裙樓建筑物隨著主樓建筑物的施工，產生了不同的沉降，A、B座間裙樓和B、C座間裙樓建筑物累計沉降量最大值分別為4.37 mm和1.98 mm，各監測點的沉降值相差不大，基本不存在沉降差異。

圖3 AB裙樓和BC裙樓各監測點沉降量散點圖

綜上分析，主裙樓均采用筏板基礎，天然地基承載力滿足要求，沉降量也滿足規范要求。現場實測各建筑物沉降數據均小于理論計算值，主要原因是計算過程中所取的參數及相應的簡化計算造成的。在以后類似工程計算中進一步優化參數的選取，可使計算結果更符合工程實際。

6 結論

(1)高層建筑多采用主裙樓一體結構形式，若采用天然地基，首先要滿足地基承載力和沉降量的要求，在此基本條件下，可優化基礎選型，達到設計規范要求;同時可降低成本，取得較好的經濟效益。

(2)高層建筑采用天然地基都要遵循計算—驗算—校核的過程，以保證擬建工程的安全。本工程通過理論計算、現場淺層平板載荷試驗驗算及校核，總結得出:建筑物采用主裙樓均為筏板基礎形式，地基承載力滿足要求，主樓平均沉降量、整體傾斜、主裙樓的差異沉降也滿足要求。

(3)通過現場布置沉降監測點，監測結果表明:在A座、B座、C座主裙樓均采用筏板基礎，并且主樓基礎外擴1.0米以上時，建筑物沉降值均在規范允許范圍內，并且基本不存在差異沉降，說明本工程天然地基是成功的，同時具有較好的經濟效益，可為類似工程提供參考。

(4)無論采用分層總和法，還是采用變形模量計算的沉降量均大于實測沉降量，說明選取的參數與實際有一定偏差，需進一步積累資料，完善取值方法。

［1］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］金云平，顧曉魯.高層建筑天然地基基礎形式的運用［J］.巖土力學，2001(2):0189-0191.

［3］鐘聞華，張克恭，劉松玉.天然地基上的筏板基礎受力及變形分析［J］.中山大學學報:自然科學版，2002(2):93-96.

［4］楊潔嘯，張克恭.高層建筑采用天然地基的探索［J］.東南大學學報，1997(S1):133-137.

［5］盤霞，黃強.高層建筑天然地基穩定性評價［J］.科技致富向導，2010(24):79-81.