對高層建筑巖土地基的處理方法探討

徐煥增

（河北省第四建筑工程公司第六分公司，河北 保定 071051）

1 高層建筑巖土地基強度的影響因素

高層建筑的上部結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，并且和基礎(chǔ)與地基三者同處于一個共同作用的完整系統(tǒng)之中。建筑物的共同作用分析，一般說是頗為復雜的。因為，三者其中任一組成部分的某些變化都會直接影響分析的結(jié)果。工程實踐中，特性多變的地基和形式不一的上部結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了共同作用課題研究的復雜性。

1.1 基礎(chǔ)剛度的影響

在上部結(jié)構(gòu)剛度和地基條件不變的前提下，基礎(chǔ)內(nèi)力隨其剛度增大而增大，而相對撓曲卻隨此而減小。所以，從減小基礎(chǔ)內(nèi)力角度而言，基礎(chǔ)剛度選擇柔性為宜。然而，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)是密切相聯(lián)、相互制約的，上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力隨著基礎(chǔ)剛度的減小而明顯增大，這是因為上部結(jié)構(gòu)中除由外荷載引起的內(nèi)力外，還應包括由于基礎(chǔ)差異沉降所引起的次應力。次應力的大小是同基礎(chǔ)沉降差(相對撓曲)成正比，與基礎(chǔ)剛度成反比，基礎(chǔ)剛度的減小必然在上部結(jié)構(gòu)中引起更大的次應力。所以，就減小上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力而言，基礎(chǔ)更多選擇剛性為宜。

在實際工程中，基礎(chǔ)方案即基礎(chǔ)形式、剛度的確定，應視結(jié)構(gòu)類型和地基條件而定。對于那些對差異沉降不敏感的，上部結(jié)構(gòu)為柔性的結(jié)構(gòu)物，主要能滿足一定的使用要求，基礎(chǔ)剛度的選擇宜柔不宜剛。對于那些建立在高壓縮性土上，上部結(jié)構(gòu)剛度較大的結(jié)構(gòu)物，由于對不均勻沉降的敏感性、順從性，基礎(chǔ)剛度的選擇宜剛不宜柔。

1.2 地基剛度的影響

共同作用的分析還同地基土的特征有關(guān)。隨著地基的變軟，基礎(chǔ)相對撓曲和內(nèi)力均相應地增大；但是，當?shù)鼗鶆偠仍龃蟮较喈敶蟮臅r候，上部結(jié)構(gòu)的剛度對基礎(chǔ)內(nèi)力已沒有什么明顯的影響，因為，此時沉降和不均勻沉降已很小了，已不需要上部結(jié)構(gòu)來幫助減小不均勻沉降了，原先存在于結(jié)構(gòu)物各部分之間的相互制約、相互影響作用己得不到應有的發(fā)揮，當然上部結(jié)構(gòu)的次應力亦可忽略。由此說明，在軟弱地基上的建筑物考慮共同作用分析要比堅硬地基上的建筑物具有更重要的意義。

地基剛度的變化將引起上部結(jié)構(gòu)中縱向結(jié)構(gòu)受力的重分布，這是因為，地基剛度的變化使建筑物沉降和不均勻沉降亦隨之變化，當?shù)鼗鶆偠葴p小時，邊部縱向受力結(jié)構(gòu)加載，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)卸載，這種現(xiàn)象又隨著上部結(jié)構(gòu)剛度的增大而加劇。

2 高層建筑巖土地基處理方法的實例分析

本次研究所涉及到的工程為某住宅小區(qū)#3、#4號樓，兩棟樓房的建筑重要等級均為二級，全部為地上建筑，建筑面積分別為7,354㎡和2,443㎡，均為框架結(jié)構(gòu)。

2.1 地基穩(wěn)定性驗算和有關(guān)加固處理方法

2.1.1 穩(wěn)定性驗算

對于此工程的非均勻性地基，除了要按照有關(guān)標準和規(guī)范的要求對地面建筑物的傾斜、差異沉降和沉降等特征進行分析外，還要根據(jù)建筑物重要性的具體情況對其進行穩(wěn)定性驗算，但是國內(nèi)外對于這一問題的文獻記錄相對較少，使得不少巖土工程師在進行相關(guān)內(nèi)容的處理時僅僅以對基地穩(wěn)定有利或有害輕輕帶過，缺乏具體的說明，讓設(shè)計人員的合理設(shè)計變得缺乏依據(jù)。

國外研究人員以地基整體破壞原理為基礎(chǔ)，利用剛體平衡理論，假設(shè)塑性展開區(qū)的深度為1/3或1/4，并在此基礎(chǔ)上對地基的承載能力進行分析，該方法對于做好整體穩(wěn)定性分析工作具有重要的指導意義。而《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》終則建議通過圓弧法對相關(guān)數(shù)值進行驗算，也就是最危險的滑動面上的力對滑動中心所產(chǎn)生的抗滑力矩MR與滑動力矩MS應符合以下關(guān)系，即：K=MR/MS≥1.2

根據(jù)穩(wěn)定安全系數(shù)，可通過公式進行計算：K=R(Wi,cositani+cili)(p-pc)bx+Hz

公式中的R代表的是圓弧半徑，Wi表示土條重量，ci表示土的抗剪強度，li表示土條的內(nèi)滑弧長度，p-pc為基底附加壓力的平均值，x表示附加壓力的中心到滑弧圓心的水平距離，H表示水平外力。

該式僅適用于偏心荷載建筑物整體穩(wěn)定性的計算，結(jié)果的精確度主要取決于滑弧深度的選擇是否合理、準確，只要能夠準確測定滑弧深度，那么地基土地的整體破壞范圍也就能夠得到確定。根據(jù)以往工程對于地基土圓弧滑動穩(wěn)定性的驗算結(jié)果以及塑性區(qū)的展形范圍，可以認為在基礎(chǔ)外角點底面以下，1/4基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)，且這一點與地面的連線夾角為45°-/2的驗算范圍可以滿足建筑物的使用需求。通過前面介紹的公式對有關(guān)內(nèi)容進行驗算，直到結(jié)果滿意，或者通過采用增強滑帶土抗剪強度的方法來對地基穩(wěn)定性的安全系數(shù)進行重新計算。

2.1.2 對不均勻地基的加固處理方法

不均勻地基的巖土橫向和縱向上的物理學性質(zhì)往往存在著一定的差異，其反力集中的現(xiàn)象往往比均勻地基更加明顯，如果在進行基礎(chǔ)設(shè)計時沒有采取有效措施對其進行處理，就容易給工程埋下安全隱患。所以，在對此類地基進行基礎(chǔ)設(shè)計的時候，除了要首先沿著縱橫向設(shè)置鋼筋外，還要采取以下幾方面措施對其進行處理：

工程中的不同建筑物要盡量采取不同型式的地基。如果建筑物是建造在不均勻的地基土上，應該適當增加其基礎(chǔ)剛度。層數(shù)較多的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的單獨柱基應該沿著縱、橫兩個主軸的方向設(shè)置系梁，尤其是那些各柱基重力荷載代表值的差異非常顯著的柱基或者埋深差異較大的基礎(chǔ)。同一個建筑物的基礎(chǔ)不應該設(shè)置在巖土性質(zhì)截然不同的地基巖土層上。設(shè)置在不均勻地基巖土上的樁基礎(chǔ)，其頂部和底部應該設(shè)置大于1m箍筋加密區(qū)，如果采用的是預制樁則應采用高強度的預應力管樁。

對于設(shè)置在不均勻地基上的底、內(nèi)框架房屋和多層砌體房屋應設(shè)置相應的基礎(chǔ)圈梁。

2.2 基礎(chǔ)方案分析

2.2.1 天然地基淺基礎(chǔ)的可行性分析

根據(jù)工程施工特點以及施工現(xiàn)場的實際條件可知，#3、#4號樓的衙載較大，而淺部地基土的承載能力卻偏低，在軟弱地基土層還存有一定數(shù)量的埋藏較深的溶洞，同時施工現(xiàn)場的地下水資源較為豐富，不適于采用換層法對地基進行處理。天然地基無法滿足建筑物荷載的需求，因此不能采用天然地基淺基礎(chǔ)型式。

2.2.2 人工復合地基淺基礎(chǔ)的可行性分析

#3、#4號樓的施工應采用CFG樁法或深層攪拌樁對上部地基的土層進行加固處理，使其能夠滿足建筑物基礎(chǔ)部分對于地基承載力的要求，以層④作為樁端的持力層，預計樁長約在11.7～15.6m的范圍內(nèi)，實際攪拌深度應根據(jù)場地的實際條件進行相應的調(diào)節(jié)，并配以地基淺基礎(chǔ)--條形基礎(chǔ)。對于攪拌樁承載力特征值的計算可以通過現(xiàn)場單、復合多樁地基荷載的試驗來進行，在初步設(shè)計時可參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)要求進行處理。

結(jié)束語

基礎(chǔ)選型首選成本低、施工簡單、質(zhì)量易控制的形式，一般的選擇順序是：淺基礎(chǔ)→預應力管樁→人工挖孔樁→鉆沖孔樁、樁筏式基礎(chǔ)。無論選擇哪種基礎(chǔ)，勘察除查明地層的物理力學特性外，還要注意施工的可行性、地下水的條件、持力層在施工開挖及地下水的作用下性質(zhì)的改變、周邊環(huán)境與施工的相互影響等4個方面的因素，只有經(jīng)過全面的分析才能選擇合理的基礎(chǔ)形式，才能確保地基施工質(zhì)量。

[1] 劉勝.試論巖土工程勘察報告中建筑工程基礎(chǔ)選型的若干問題[J].建材與裝飾，2008，(4).

[2] 貴州建筑巖土工程技術(shù)規(guī)范 (DB22/46-2004)[S].