關于高層建筑基礎設計的幾點思考

【摘要】高層建筑的基礎設計對保證建筑物的正常使用和安全至關重要，是高層建筑結構設計的重要內容。高層建筑結構的基礎應綜合考慮根據地基土質情況、上部結構形式、有無抗震設防要求、場地環境和施工技術等因素。本文對高層建筑基礎設計的幾點思考進行分析。

【關鍵詞】高層建筑；基礎設計；筏型基礎

引言

高層建筑基礎是高層建筑結構體系中一個重要組成部分，逐漸被業內人士重視起來。地基基礎設計時，首先保證基礎具有足夠的剛度和強度，其次考慮地基的穩定性、承載力及變形要求等，進一步確定合適的基礎形式。

一、高層建筑基礎選型的主要依據

在基礎工程設計中，根據各地區不同的地質條件，選擇合理的基礎形式，是個關鍵問題。一般情況下應考慮以下條件：高層建筑基礎首先應滿足基礎本身的強度要求，上部荷載分布應盡量均勻；基礎應支承在較堅固或較均勻的地基上，應考慮持力層及其下臥層的整體穩定性，同一棟建筑不宜采用多種不同類型的基礎形式；應滿足建筑物使用上的要求，例如人防要求、設置地下車庫、地下酒吧、地下商場、地下餐廳等要求；應滿足構造的要求，如高層建筑箱基的埋深、高度，基底平面形心與結構豎向靜荷載重心相重合，對偏心距的要求、沉降控制等；根據上部結構的不同結構形式選配合理的基礎形式；高層建筑基礎，一般埋置較深，因此，應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量的影響。

二、高層建筑基礎選型

在高層建筑基礎設計中，常用的基礎類型有嵌巖樁基礎、天然地基鋼筋混凝土塊式或筏式基礎以及樁筏基礎等。在基礎選型時必須考慮建設場地的地質條件，合理選擇基礎持力層，同時還應考慮施工周期，工程投資等綜合因素。

2.1嵌巖樁基礎

在高層建筑基礎設計中，由于上部結構傳至基礎的荷載大，故常用的設計方法是選擇以一定厚度的中風化巖層或穩定的微風化巖層作持力層，通過嵌巖樁將上部結構荷載傳至巖層。采用嵌巖樁基礎持力層變形幾乎趨向于零，樁尖承載力大，同時還可考慮樁側與土的摩擦力，按經驗公式計算，單樁承載力高，較容易滿足上部結構荷載對基礎承載力要求，且設計計算簡單，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度達到設計要求的強度時方可對樁身質量進行檢測，對施工工期有一定的影響，工程造價也略微偏高。

2.2天然地基鋼筋混凝土塊式或筏式基礎

基礎的結構設計一般可選擇鋼筋混凝土塊式基礎或筏式基礎。采用塊式基礎較為簡便，中筒部分可考慮由筏板承托，基礎之間結合地下室底板結構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具有施工方便、工期短、節約投資等優點，建議設計人員在條件允許情況下盡量選用。

2.3樁筏基礎

在我國沿海城市如上海、海口、汕頭等，其巖土地層結構的特點是基巖層埋深較深，嵌巖樁基礎幾乎無法實施，只能采用摩擦樁基礎，但摩擦樁承載力較低，不一定能滿足高層建筑上部結構荷載對基礎承載力的要求，因此樁筏基礎是這部分地區高層建筑基礎設計的重要選擇。樁筏基礎的基本原理是樁土的協同工作，樁與土在沉降及收縮固結過程中相互協調達到穩定的平衡狀態，筏板底土層與摩擦樁共同承擔上部結構荷載。一般來說，考慮地下室開挖后地基補償等因素，筏板底土層具有一定的承載力。所以設計時可根據筏板底土層情況，考慮土承擔上部結構荷載的比例。通過對筏板的分析，筏板四周的應力最大，因此在設計時在筏板四周應均勻布置樁且樁距應加密，中部各豎向構件樁的布置宜采用梅花形布置。

三、高層建筑樁筏復合基礎設計

3.1樁筏復合基礎的設計理論

目前，我國現行規范GB50007-2002建筑地基基礎設計規范第8.5.14條規定，樁基設計時，應結合地區經驗考慮樁、土、承臺的共同工作。相關規范對樁筏復合基礎的計算方法并未做出統一規定，采用的計算方法也不盡相同，多根據當地情況和經驗確定，大致有以下兩種計算方法：

方法1：假定整個建筑物和重量全部由樁傳到地基中去，而承臺板只起連接樁頂和傳遞上部荷載的構造作用。在群樁布置中使樁的受力均勻，樁群形心與上部結構傳給基礎的荷載重心盡量重合。對于框架結構，可按荷載大小，在柱下集中布樁。對于框剪結構或框筒結構，柱下布樁與框架結構相同，剪力墻或筒體下沿墻布樁。當樁數較多時，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，采用控制沉降的方法將上部荷載由樁和筏板共同互補承擔，使樁的數量及筏板厚度得以減少。

3.2減沉設計

1）減沉設計的基本原理。減沉設計是指按沉降控制原則設計樁筏基礎。減沉設計概念主要應用于軟土地基上多層建筑設計，在軟土地基的基礎設計中，有時決定采用樁基主要并不是因為鄰近地表的土層強度不足，而是較深處的軟弱土層產生過大沉降的緣故，這時可采用數量較少的樁使沉降量減小到允許的范圍內，這種樁一般是摩擦樁，在承臺產生一定沉降的情況下，樁可充分發揮并能繼續保持其全部極限承載力，能有效地減小沉降量。同時，承臺或筏板也能分擔部分荷載，與按樁承擔全部荷載設計的樁基相比，根據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濟效果。

2）減沉設計的內容。樁長及樁身斷面選擇：選擇樁長應盡可能穿過壓縮性高的土層，樁端持力層壓縮性應相對較低。在承臺產生一定沉降時樁仍可充分發揮并能繼續保持其全部極限承載力。選擇樁身斷面應使樁身結構強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，以充分發揮樁身材料的承載能力。

3.3變剛度調平設計

1）變剛度調平設計的內容。

在樁筏變剛度調平設計中，群樁剛度與單一筏板剛度的比值kpr最為關鍵。最合適的kpr值與樁筏面積比有關，且當有關樁筏面積比范圍為16%～25%時， kpr值接近于1。當樁筏面積比較大時，為減小沉降差， kpr值應稍微增大。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揮（大于50%）后的沉降差，只要kpr=1的條件滿足，任何實際樁長都可采用。當然，為獲得樁承載特性的合理發揮，樁的承載力應以側摩阻力為主，而不是樁端阻力。研究表明，樁的總承載力發揮的強度與樁的極限承載力的比值m不應超過0.8，以避免沉降差明顯增加，在m<0.8范圍內，最合適群樁實際分擔荷載相當于2.5倍～3倍群樁區域上的總荷載，僅為整個筏板上總外荷載的40%～70%。

2）變剛度調平設計的步驟。

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

四、結束語

基礎工程造價在整個工程造價中比例很大，不同的基礎型式造價相差也較大，針對工程地質及建筑物結構形式不同，合理選擇基礎形式的意義重大。

參考文獻：

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[2]張玉鑫，王素花.淺談高層建筑基礎設計的內在潛力[J].中小企業管理與科技（下旬刊）.2009（02）