高層建筑結構設計中地基基礎方案選型探討

李峰

摘要：本文主要針對高層建筑結構設計中地基基礎方案的選型展開了探討，通過結合具體的工程實例，對基礎形式方案作了詳細的闡述，并分別對比了三種基礎方案，以期能為有關方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；地基基礎；方案選型

0 引言

地基基礎設計是建筑工程結構設計的關鍵組成部分，要做好地基基礎的設計，就必須依照上部結構條件和工程地質條件，結合工期、施工條件、造價等方面的要求合理選擇方案，因地制宜，以確保建筑物的安全和正常使用。基于此，本文就高層建筑結構設計中地基基礎方案的選型進行了探討，相信對有關方面的需要能有一定幫助。

1 工程概況

某辦公樓地上14層，地下2層，標準層層高為4.2m，建筑總高度67m。根據建筑使用功能要求，本工程主體結構采用框-剪結構體系，地震設防烈度是7度，制定地震基本加速度是0.1g，地震分組為第三組，建筑抗震設防類別為乙類，抗震等級為框架二級，剪力墻二級，場地類別為Ⅱ類，基本風壓為0.7kN/m2。

2 工程地質情況

2.1 場地巖土層分布情況

根據本工程鉆探揭露，本場地內地層結構自上而下依次為：①粉質粘土：灰褐色，濕，呈軟塑-可塑狀態，層厚2.00～3.00m；②淤泥：深灰色，飽和，呈流塑狀態，層厚3.10～7.80m；③卵石：灰黃色，飽和，呈稍密-密實狀態，層厚6.30～8.20m；④凝灰熔巖殘積砂質粘性土：灰黃色、黃白色，濕，呈可塑-硬塑狀態，層厚2.20～12.70m；⑤全風化凝灰熔巖：灰黃、灰白色，凝灰質結構，散體狀構造，層厚8.00～14.30m；⑥-1砂土狀強風凝灰熔巖：褐黃色，凝灰質結構，散體狀構造，層厚4.70～10.10m；⑥-2碎塊狀強風化凝灰熔巖：褐黃色，凝灰質結構，碎裂狀構造，層厚2.60～13.10m。

2.2 水文地質條件

根據本工程勘察期間所進行的地下位測量，場地內地下水的初見水位埋深為0.52-1.52m，地下水混合穩定水位埋深在0.19～1.39m，高程在4.28-4.74m，場地內地下水主要賦存于③卵石、④凝灰熔巖殘積砂質粘性土、⑤全風化凝灰熔巖、⑥-1砂土狀強風凝灰熔巖、⑥-2碎塊狀強風化凝灰熔巖的孔隙裂隙水，各土層地下水水力聯系較密切，地下水類型為承壓水，其補給來源主要為大氣降水、地表水的垂向滲透補給及相鄰含水層側向徑流補給。根據場地地質條件和氣候特征，本場地環境類別屬于II類，受地層滲透性影響，對混凝土結構腐蝕性評價屬A。

2.3 水文地質條件對基礎選型的影響

雖然本工程勘察時未發現危及擬建場地穩定性的活動斷裂、滑坡、地面沉降、巖溶、崩塌和危巖、泥石流等不良地質作用，但是場地中分布有淤泥（地下室開挖時大部分將被挖除）、殘積土、風化巖屬于特殊性巖土，淤泥屬軟弱土，在外加荷載作用下易產生壓縮變形，對樁基等基礎形式會產生負摩阻力的影響，應采取相應措施，風化巖遇水則有崩解軟化、強度降低等特點，對本工程所基礎選型有較大影響，增加了本工程基礎選型及設計的難度，在設計和施工時應考慮不良地質和其地下水的作用效應。

3 基礎形式方案

3.1 樁基礎

建筑樁基礎的主要特點是承載力高、穩定性好、沉降穩定速度快、沉降變形小，能夠抵抗上部結構的上拔和水平力的作用，同時能夠解決地基震動液化現象，利于機械化施工，可以應用于各種復雜的地質條件。特別是當地基的近表層較軟弱而在樁基端部所在的深度處有堅硬的地層時，最適宜采用樁基礎形式。具體地說，其主要適用于以下情況：

（1）建筑地基不允許有過大的沉降或不均勻沉降的高層建筑以及其它主要的較高大建筑物；

（2）重型的工業廠房以及荷載很大的工業建筑物，如料倉、倉庫等；

（3）具有軟弱地基或某些特殊性土的各類永久性建筑；

（4）承受較大的水平力和力矩的高聳結構物（如煙囪、水塔、信號塔等）；

（5）針對某些地下水位或地表水位較高而且施工排水較困難的條件的建筑物；

（6）需要削弱其動力響應的動力機器的基礎以及需要把樁基礎作為抗震措施的建筑物。

然而樁基礎屬于建筑工程的地下隱蔽工程，特別是預應力管樁（PHC管樁），施工過程中常易出現斷樁、過大的擠土效應等影響樁身結構完整性和單樁承載力的強度，甚至導致周邊建筑物開裂的事故，從而造成基礎工程的不利安全隱患。所以樁基礎的施工質量也是采用樁基礎與否重要的影響因素。

本工程作為高層建筑，可將樁基礎作為備選方案，主樓內采用管樁PHC500-125-AB，樁數235根，平均樁長26m，樁徑500mm，承臺高度2000～2300mm，持力層為⑥-1砂土狀強風凝灰熔巖，其可行的基礎形式如圖1所示。

圖1 備選樁基礎形式

3.2 筏板基礎

筏板基礎是用底板通過連接結構連成整片形式的基礎，亦可稱為筏形基礎、片筏基礎、滿堂紅基礎等。其既可應用于建筑墻體之下，也可用于建筑柱體之下。按其結構形式可以分為梁板式和平板式兩類。由于筏板基礎能夠以其較大的片狀板體覆蓋于建筑物地基之上，因而其明顯特點是其具有較大的面積和完整的平面連續性，不僅能夠滿足軟弱地基承載力的要求，可以較大地減小地基的附加應力，而且具有其它基礎所沒有的功能，如：①能夠跨越地下淺層的小洞穴和局部的軟弱層；②可以提供比較寬敞的地下使用空間；③可以作為油庫、水池等的防滲底板；④能夠適應于在其上進行的連續作業工藝以及設備重新布置的空間要求；⑤可以增強建筑物的整體抗震性能；⑥對需要地下室或架空地板的筏板基礎還具有一定的結構補償功能。

不過也正是由于上述的特點，也同時給筏板基礎帶來一定程度的不足：由于其具有較大平面面積，而厚度上卻不可能做得非常厚，造成其抗彎剛度較小，不能調整由于地基不均勻沉降造成的過大沉降差異，特別是對于那些土體與巖體結合的軟弱明顯不均的地基，則需要進行局部處理后才可進行選用；由于它的連續性，在局部荷載作用下，既要配置有正彎矩鋼筋，也要配置有負彎矩鋼筋，并還需配置有一定數量的構造鋼筋，才能滿足承載力的要求。因此，其經濟指標也相對較高。

3.3 樁筏基礎

由于建筑工程中樁筏基礎的整體性好、整體剛度大、豎向承載力高、基礎沉降量小以及調節不均勻沉降的作用明顯的優點，同時能夠承受由于風荷載或地震荷載引起的水平力，而且其抗傾覆能力強、與上部結構作用協調性好、安全性好，是高層建筑地基基礎的工程設計中經常大量選用的方案。特別是在軟土以及地震設防等級較高的地區，其應用前景十分廣闊。

樁筏基礎的主要特點為：①單樁承載力較高、傳力直接，

可布設于墻柱下，建筑物上部結構80%以上的豎向荷載可由樁來承擔，而樁間土只需承擔很小部分的豎向荷載；②由于樁與筏板形成一個整體，共同作用，基礎剛度大，其調節不均勻沉降的能力強；③樁筏基礎可以發揮樁和筏板互補的優勢，由于筏板的剛度較大，可以跨越地下淺層小洞穴或局部軟弱層，具有良好的整體性，同時可以有效避免樁基礎因樁端持力層處存在溶洞、裂隙等的缺陷影響上部結構的穩定，故可以克服鉆（沖）孔灌注樁、人工挖孔灌注樁以及預制樁施工方面的不足。

根據本工程的工程特點，可將樁筏基礎作為備選方案，主樓內采用沖（鉆）孔樁，樁數為34根，平均樁長26m，樁徑為1000mm，持力層為⑥-1砂土狀強風凝灰熔巖；大筏板1800mm厚，持力層為③卵石。

4 三種方案分析對比

從以上各種方案的優缺點分析可以歸納為以下四方面進行對比分析。

4.1 合理性對比分析

根據本工程的工程概況和地質勘察情況可知，對于受到不良地基和地下水影響的高層建筑難以單獨采用樁基礎和筏板基礎的形式，對于樁基礎可能存在較大的擠土效應，基礎整體剛度較差等問題，而筏板基礎則存在抗彎剛度過小、地基不均勻沉降影響較大等問題，如果將二者結合則可解決兩者的不足，具備較大的整體剛度、控制沉降量及滿足一定的豎向承載力的要求。

4.2 基礎沉降分析

本工程地基土的壓縮層厚度變化很大，這是引起地基不均勻沉降的不利因素，因此基礎形式的選擇直接影響著地基不均勻沉降的程度。由于樁基礎的入土深度較大，具有較高的承載能力，其總體沉降量較小；筏板基礎由于對軟土地基的改善效果較差，不均勻沉降較明顯，其總體沉降量較大；樁筏基礎結構較為優化，整體性較好，其沉降量比以上兩種基礎都要小得多，因此本工程采用樁筏基礎將具有較大的優勢。以上三種不同的基礎形式的沉降特征如表1所示。

4.3 經濟性對比分析

根據當地預算定額及有關預算規定，對以上三種基礎形式綜合造價比較如表2所示。

通過表2可以看出，筏板基礎造價最低，樁筏基礎造價最高。樁基礎在三種基礎中造價適中，但樁基礎（PHC管樁）作為擠土樁，可能存在無法滿足樁長控制的要求，需要在壓樁時引孔，增加額外的費用。筏板基礎雖然造價最低，但基于其不均勻沉降較為明顯，需采取一定的措施（如打樁）來克服不均勻沉降，因此樁筏基礎便成了本工程相對最佳的基礎形式。

4.4 施工難度分析

對于樁基礎，其結構簡單，便于機械化施工，施工難度較小，可以做到標準化施工；而筏板基礎具有較好的連續性，可直接在基礎上現澆施工，施工工序較少，難度較小；對于樁筏基礎，由于結合了樁基礎和筏板基礎，其施工工序較多，施工難度相對較大。

5 結論及基礎選型的注意事項

雖然樁筏基礎中樁-土-筏共同作用機理非常復雜，設計施工難度相對較大，使得設計施工人員不易于采用，但樁筏基礎具有承載力高、整體性好、沉降量小、工期短等優點，從概念和理論上講，針對巖溶地區或軟土地區等復雜地質狀況的高層建筑，則樁筏基礎仍是一種技術先進和安全可靠的基礎型式。因此本工程最終采用樁筏基礎的方案。

對于建筑工程的基礎選型過程中必須注意以下幾個方面的問題：

（1）建筑基礎選型必須根據地基情況和上部結構進行綜合考慮，對多種方案比較后確定最佳的設計方案；

（2）建筑基礎選型應進行技術可行性分析、經濟性對比，達到技術先進、經濟合理，施工可行的目的；

（3）建筑基礎選型時，地基、基礎及上部結構應能夠協調，進行整體性考慮，以防止出現安全隱患或造成經濟損失。

6 結語

綜上所述，為了保障高層建筑的施工質量，在施工前，設計人員必須要在熟悉掌握高層建筑的選型基礎上，充分考慮建筑的成本、穩定性、功能性及耐久性，選取優秀的地基基礎方案，以正確指導建筑的施工，確保建筑的順利施工和完工。

參考文獻：

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