高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與選型

【摘要】高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到建筑物的安全和造價(jià)，是高層建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，如何在滿足技術(shù)要求的條件下優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理選型，本文闡述了作者在實(shí)際工程中的一些思考方法供同行設(shè)計(jì)人員參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑基礎(chǔ)；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言：

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高層建筑在我國的工程建設(shè)中的比重越來越大了，而高層建筑的基礎(chǔ)作為高層建筑結(jié)構(gòu)體系的一個(gè)重要組成部分，也歷來被工程設(shè)計(jì)人員所重視。在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合理的基礎(chǔ)形式、準(zhǔn)確的計(jì)算直接關(guān)系到建筑物的安全和造價(jià)?；A(chǔ)工程的費(fèi)用與建筑物總造價(jià)的比例可為百分之幾到百分之幾十之間，安全、合理優(yōu)化的基礎(chǔ)方案是至關(guān)重要的。

經(jīng)過多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐，現(xiàn)將高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的一些問題總結(jié)如下：

一、 高層建筑基礎(chǔ)選型應(yīng)考慮的因素

（一）上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響很大，應(yīng)多角度綜合考慮：

1、如建筑物體型是否規(guī)則，這決定基礎(chǔ)應(yīng)力是否均勻。

2、建筑上部結(jié)構(gòu)形式不同、剛度不同，基礎(chǔ)計(jì)算模型也不應(yīng)相同[1 ]。

3、地下室層數(shù)、深度和抗浮水位標(biāo)高對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響。對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來說，基礎(chǔ)的沉降由地基有效壓力的增加而產(chǎn)生的，如果地基有效壓力不變，則基礎(chǔ)不會沉降，如果開挖地下室移去土的重量與增加建筑物重量基本平衡，那么建筑物的沉降量就會很小，如果抗浮水位較高應(yīng)進(jìn)行整體抗浮驗(yàn)算，若浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出建筑物自重，設(shè)計(jì)時(shí)必須采取措施加大結(jié)構(gòu)自重，必要時(shí)應(yīng)采用永久性抗浮錨樁。這里一定要注意地下水位并不一定是抗浮水位，設(shè)計(jì)人員一定要明確相關(guān)概念，避免錯誤計(jì)算給工程造成安全隱患。[3]

（二）充分考慮建筑物所在地的地質(zhì)條件、持力層情況

持力層的承載力和壓縮模量是基礎(chǔ)選型極其重要的因素。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一定要從承載力計(jì)算和變形計(jì)算兩方面考慮。

（三）建筑物基礎(chǔ)的施工工藝要考慮對周邊環(huán)境的影響如振動、噪聲及施工空間是否可以正常開挖、自然放坡，如施工空間有限則應(yīng)采取相應(yīng)的支護(hù)措施等；樁基礎(chǔ)還要考慮樁的尺寸限制，施工工藝對周邊環(huán)境的影響以及施工周期等諸多因素。

（四）基礎(chǔ)選型造價(jià)、周期的綜合比對，應(yīng)從工程整體的經(jīng)濟(jì)效益全面考慮論證。

二、 高層建筑常用基礎(chǔ)類型的適用條件

1、柱下獨(dú)立基礎(chǔ)

適用于上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，地質(zhì)條件較好，荷載較小的情況。

2、條形基礎(chǔ)

適用于地質(zhì)條件較好，荷載較小但獨(dú)立基礎(chǔ)連片無法分開設(shè)置的情況。

3、筏形基礎(chǔ)

是高層建筑常用的基礎(chǔ)形式之一。主要適用于上部結(jié)構(gòu)荷載較大，條形基礎(chǔ)仍不能滿足容許變形和地基容許承載力的要求。

4、箱形基礎(chǔ)

在高層建筑基礎(chǔ)中應(yīng)用廣泛，適用于上部荷載大，地基土承載力不高的情況，其剛度很大，整體性好，可以調(diào)節(jié)減少地基的不均勻沉降。

5、樁基礎(chǔ)

主要適用于上層土較軟弱，無法滿足承載力及沉降設(shè)計(jì)要求，下層有能承受較大荷載土層作為樁基礎(chǔ)的持力層。

三、 高層建筑基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議

1、上部結(jié)構(gòu)與地基、基礎(chǔ)共同作用分析方法

高層建筑結(jié)構(gòu)隨著層數(shù)的增加，整體自重也將大大增加，在豎向荷載作用下，基礎(chǔ)實(shí)際沉降是碟形的，整體結(jié)構(gòu)邊跨沉降與中部沉降是不同的，由于上部結(jié)構(gòu)剛度的影響及筏板剛度的協(xié)調(diào)使得基礎(chǔ)內(nèi)力重分布，及各層豎向結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件尤其是底層豎向結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件內(nèi)力重分布引起上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)內(nèi)力的變化，共同作用整體分析中才能反映出結(jié)構(gòu)內(nèi)力的真實(shí)情況。高層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，若地基土壓縮性較高，則基礎(chǔ)宜適當(dāng)加大剛度。當(dāng)采用樁基礎(chǔ)時(shí)，可考慮根據(jù)上部結(jié)構(gòu)剛度、荷載分布情況布樁的方式如可在剛度或荷載較大的部位加大樁徑或樁長，也可加密布樁，調(diào)整樁基的豎向承載力或支撐剛度，這樣可減小基礎(chǔ)沉降差，也可減小基礎(chǔ)的內(nèi)力，降低基礎(chǔ)含鋼量。[1]

2、高層建筑箱（筏）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的建議

對高層建筑箱（筏）基礎(chǔ)在豎向荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力由上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)按剛度進(jìn)行分配、共同分擔(dān)。上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)剛度比對上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)內(nèi)力產(chǎn)生較大影響。在同一地基條件的情況下，上部結(jié)構(gòu)其剛度增大，其基礎(chǔ)內(nèi)力會減小，相對撓曲隨之增大；反之，基礎(chǔ)內(nèi)力隨其本身的剛度增大而增大，相對撓曲隨之減小。高層建筑箱（筏）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮上部結(jié)構(gòu)參與工作，并調(diào)整上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)為合理的剛度，合適的剛度比，單純的一味的加大或減小其中的任何一項(xiàng)剛度都是不可行的，這樣才能有利于降低基礎(chǔ)的整體彎曲應(yīng)力，計(jì)算出的整體彎曲基礎(chǔ)鋼筋應(yīng)力比較符合實(shí)際，避免浪費(fèi)。

3、高層建筑樁箱（筏）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的建議

樁基礎(chǔ)主要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載，這樣可大大減小箱（筏）基礎(chǔ)整體內(nèi)力，而且底板的基底土反力明顯減小，箱（筏）基礎(chǔ)的沉降也大大減小，一般情況下，上部荷載作用下樁頂反力的分布是不均勻的邊、角樁反力較大，內(nèi)部樁較小。因此高層箱（筏）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可不必要均勻布樁，根據(jù)剛度、荷載分布情況，調(diào)整樁基的樁徑及樁距，使得樁頂反力分布均勻，也可考慮群樁效應(yīng)充分利用樁間土承擔(dān)一部分豎向荷載，適當(dāng)加大樁距；若上部結(jié)構(gòu)為剪力墻或核心筒則可適當(dāng)加密樁距或增加樁長，可將樁沿剛度較大的豎向構(gòu)件軸線布置，這樣與整個(gè)箱（筏）基礎(chǔ)下均勻布樁相比可以大大減少樁數(shù)、并減小底板內(nèi)力，節(jié)約工程造價(jià)。

4、高層建筑基礎(chǔ)后澆帶設(shè)計(jì)的建議

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師必須要計(jì)算高層建筑高、低層之間的沉降差后，再考慮基礎(chǔ)先、后期沉降的比例問題，并了解后澆帶對沉降差的釋放情況，還要通過對工程地質(zhì)條件和當(dāng)?shù)氐牡胤叫砸?guī)范進(jìn)行相當(dāng)?shù)牧私猓詈蠼Y(jié)合施工期間現(xiàn)場差異沉降量觀測值在規(guī)范容許范圍內(nèi)時(shí)才可以進(jìn)行后澆帶混凝土的澆注。[3]

結(jié)語：

總之，高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，在當(dāng)今高層建筑高速發(fā)展的時(shí)代，深入高層建筑基礎(chǔ)的研究使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更加合理是我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師不斷加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)原理、規(guī)范細(xì)節(jié)學(xué)習(xí)、探索的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]許培福.黃小坤[S]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3-2010 J 186-2010）》北京，中國建筑工業(yè)出版社.2011

[2]錢力航.宮劍飛[S]《高層建筑筏形與箱型基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范（JGJ 6 -2011）》北京，中國建筑工業(yè)出版社.2011

[3]黃熙齡.騰延京[S]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50007-2011）》北京，中國建筑工業(yè)出版社.2012