關于高層建筑基礎設計的若干探討

　　關鍵詞：高層建筑,基礎設計,嵌巖樁基礎,筏式基礎,樁筏基礎

　　1.前言

　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展, 高層建筑在城市空間的利用中扮演著越來越重要的角色，同時，迅速發(fā)展的高層建筑也給設計師提出了諸多新的挑戰(zhàn)。而高層建筑的基礎作為高層建筑結構體系的一個非常重要的部分, 因此，在進行地基基礎設計時，除了考慮基礎的強度和剛度外, 還應考慮考慮地基的強度、穩(wěn)定性及變形的要求，考慮上部結構體系、地理環(huán)境條件、施工條件等諸多因素, 才能設計出既安全又經(jīng)濟的基礎形式

　　2.高層建筑基礎選型

　　基礎工程設計中的關鍵問題是如何根據(jù)各地區(qū)不同的地質(zhì)條件,選擇安全經(jīng)濟的基礎形式。一般情況下，高層建筑應考慮如下幾個條件:①高層建筑基礎保證基礎本身的強度要求,同時，基礎上部傳遞的荷載分布應盡量均勻;②高層建筑基礎應支承在較堅固或較均勻的地基上,充分考慮持力層及其下臥層的整體穩(wěn)定性,同一棟建筑不宜采用多種不同類型的基礎形式;③高層建筑基礎應滿足相關的構造要求,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;④高層建筑基礎要滿足上部結構的正常使用的要求;⑤高層建筑基礎一般埋置較深,因此對于施工過程而言,高層建筑的基礎應充分考慮深基坑開挖和地下水抽排對周圍建筑物的影響,保證施工過程的安全與質(zhì)量。

　　2.1嵌巖樁基礎

　　在進行嵌巖樁基礎設計時，應注意如下幾個問題：①現(xiàn)行規(guī)范是國內(nèi)設計方法的典型代表,但規(guī)范存在諸多問題，在使用規(guī)范時應結合具體的地層條件和當?shù)氐脑O計經(jīng)驗;②嵌巖樁的成樁方式不同,其承載性狀有較大差異，為盡可能充分發(fā)揮樁側、 樁端阻力，應按不同方式設計;設計標準上，應從承載力單方面控制向承載力和變形雙向控制進行轉(zhuǎn)化;③樁端阻力及樁身設計參數(shù)的取值，要考慮樁的荷載傳遞規(guī)律,使樁端阻力、樁側阻力能最大限度地得到發(fā)揮;④嵌巖樁的設計應以樁身混凝土強度、地基對樁所能提供的承載力及樁體總沉降量作為三個控制標準進行設計。對嵌于強度較高巖層中的樁,樁的承載力一般由樁身混凝土強度控制。合理的嵌巖深度一般取(0.5-1.0)倍樁徑即可。因此, 應加強對嵌巖樁施工質(zhì)量的控制。

　　2.2 天然地基鋼筋混凝土筏式基礎

　　由于特定的地質(zhì)歷史條件,我國的沿海地區(qū)往往形成了一種上軟下硬的巖土地層,該類型的地層結構硬土層的埋深較淺,因此，較為適合選擇作具有兩層地下室的高層建筑基礎持力層。選擇采用天然地基作基礎持力層時,需特別注意考慮地基承載力確定及地基變形驗算問題�；�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(jié)約投資等優(yōu)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

　　樁筏基礎的基本原理是樁土的協(xié)同工作,樁與土在沉降及收縮固結過程中相互協(xié)調(diào)達到穩(wěn)定的平衡狀態(tài),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?shù)纫蛩?筏板底土層具有一定的承載力。所以設計時可根據(jù)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�？紤]摩擦樁的特點,樁筏基礎設計樁直徑不宜過大。筏板厚度的確定除滿足沖切要求外尚需滿足抗彎、抗剪的要求。

　　目前,我國現(xiàn)行規(guī)范GB5000722002 建筑地基基礎設計規(guī)范第8. 5. 14 條規(guī)定,樁基設計時,應結合地區(qū)經(jīng)驗考慮樁、土、承臺的共同工作。相關規(guī)范對樁筏復合基礎的計算方法并未做出統(tǒng)一規(guī)定,采用的計算方法也不盡相同,多根據(jù)當?shù)厍闆r和經(jīng)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(shù)較多時,也可均勻布樁。根據(jù)國內(nèi)外專家的理論,國內(nèi)一些設計單位在樁基設計中,當群樁數(shù)量較多時,采用了“外密內(nèi)疏”的內(nèi)樁方法,即適當減少群樁中部的樁數(shù)而增加外圍樁數(shù)。

　　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(shù)量及筏板厚度得以減少。

　　3 減沉設計

　　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(chǎn)生過大沉降的緣故,這時可采用數(shù)量較少的樁使沉降量減小到允許的范圍內(nèi),這種樁一般是摩擦樁,在承臺產(chǎn)生一定沉降的情況下,樁可充分發(fā)揮并能繼續(xù)保持其全部極限承載力,能有效地減小沉降量。2) 減沉設計的內(nèi)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(chǎn)生一定沉降時樁仍可充分發(fā)揮并能繼續(xù)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(fā)揮樁身材料的承載能力。承臺埋深及其地面尺寸的初步確定:首先按外荷載,全部由承臺承擔時其極限承載力仍有一定安全儲備的原則,先初步確定承臺的埋深及其底面尺寸,然后確定減沉設計的用樁量,再驗算承臺的初步尺寸,并給予調(diào)整。

　　4　變剛度調(diào)平設計

　　變剛度調(diào)平設計的內(nèi)容。在樁筏變剛度調(diào)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�？紤]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(fā)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。

　　2) 變剛度調(diào)平設計的步驟。按建筑物性質(zhì)、荷載、地質(zhì)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(jù)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。

　　5.結語

　　樁筏基礎設計是雙控的,從優(yōu)化角度理解,承載力和沉降僅僅是兩個約束條件。在特定條件下,承載力和沉降往往只是其中一個起主控作用。在深厚軟黏土地基上的樁筏基礎,沉降往往是設計的主控要素,應提倡以沉降控制設計的設計思想。樁土共同工作理論在樁筏復合基礎設計中具有明顯的效益。在高層建筑設計中,基礎方案十分重要,應采用穩(wěn)妥可靠經(jīng)濟的方法,充分發(fā)揮地基潛力,降低造價。

　　參考文獻

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