高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中地基基礎(chǔ)方案選型探討

李峰

摘要：本文主要針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中地基基礎(chǔ)方案的選型展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)基礎(chǔ)形式方案作了詳細(xì)的闡述，并分別對(duì)比了三種基礎(chǔ)方案，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；地基基礎(chǔ)；方案選型

0 引言

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分，要做好地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，就必須依照上部結(jié)構(gòu)條件和工程地質(zhì)條件，結(jié)合工期、施工條件、造價(jià)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?；诖?，本文就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中地基基礎(chǔ)方案的選型進(jìn)行了探討，相信對(duì)有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m，建筑總高度67m。根據(jù)建筑使用功能要求，本工程主體結(jié)構(gòu)采用框-剪結(jié)構(gòu)體系，地震設(shè)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(shè)防類別為乙類，抗震等級(jí)為框架二級(jí)，剪力墻二級(jí)，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓為0.7kN/m2。

2 工程地質(zhì)情況

2.1 場(chǎng)地巖土層分布情況

根據(jù)本工程鉆探揭露，本場(chǎng)地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：①粉質(zhì)粘土：灰褐色，濕，呈軟塑-可塑狀態(tài)，層厚2.00～3.00m；②淤泥：深灰色，飽和，呈流塑狀態(tài)，層厚3.10～7.80m；③卵石：灰黃色，飽和，呈稍密-密實(shí)狀態(tài)，層厚6.30～8.20m；④凝灰熔巖殘積砂質(zhì)粘性土：灰黃色、黃白色，濕，呈可塑-硬塑狀態(tài)，層厚2.20～12.70m；⑤全風(fēng)化凝灰熔巖：灰黃、灰白色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，散體狀構(gòu)造，層厚8.00～14.30m；⑥-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)凝灰熔巖：褐黃色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，散體狀構(gòu)造，層厚4.70～10.10m；⑥-2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖：褐黃色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，碎裂狀構(gòu)造，層厚2.60～13.10m。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)本工程勘察期間所進(jìn)行的地下位測(cè)量，場(chǎng)地內(nèi)地下水的初見水位埋深為0.52-1.52m，地下水混合穩(wěn)定水位埋深在0.19～1.39m，高程在4.28-4.74m，場(chǎng)地內(nèi)地下水主要賦存于③卵石、④凝灰熔巖殘積砂質(zhì)粘性土、⑤全風(fēng)化凝灰熔巖、⑥-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)凝灰熔巖、⑥-2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖的孔隙裂隙水，各土層地下水水力聯(lián)系較密切，地下水類型為承壓水，其補(bǔ)給來源主要為大氣降水、地表水的垂向滲透補(bǔ)給及相鄰含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給。根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件和氣候特征，本場(chǎng)地環(huán)境類別屬于II類，受地層滲透性影響，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)屬A。

2.3 水文地質(zhì)條件對(duì)基礎(chǔ)選型的影響

雖然本工程勘察時(shí)未發(fā)現(xiàn)危及擬建場(chǎng)地穩(wěn)定性的活動(dòng)斷裂、滑坡、地面沉降、巖溶、崩塌和危巖、泥石流等不良地質(zhì)作用，但是場(chǎng)地中分布有淤泥（地下室開挖時(shí)大部分將被挖除）、殘積土、風(fēng)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(chǎn)生壓縮變形，對(duì)樁基等基礎(chǔ)形式會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力的影響，應(yīng)采取相應(yīng)措施，風(fēng)化巖遇水則有崩解軟化、強(qiáng)度降低等特點(diǎn)，對(duì)本工程所基礎(chǔ)選型有較大影響，增加了本工程基礎(chǔ)選型及設(shè)計(jì)的難度，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)考慮不良地質(zhì)和其地下水的作用效應(yīng)。

3 基礎(chǔ)形式方案

3.1 樁基礎(chǔ)

建筑樁基礎(chǔ)的主要特點(diǎn)是承載力高、穩(wěn)定性好、沉降穩(wěn)定速度快、沉降變形小，能夠抵抗上部結(jié)構(gòu)的上拔和水平力的作用，同時(shí)能夠解決地基震動(dòng)液化現(xiàn)象，利于機(jī)械化施工，可以應(yīng)用于各種復(fù)雜的地質(zhì)條件。特別是當(dāng)?shù)鼗慕韺虞^軟弱而在樁基端部所在的深度處有堅(jiān)硬的地層時(shí)，最適宜采用樁基礎(chǔ)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(yè)廠房以及荷載很大的工業(yè)建筑物，如料倉(cāng)、倉(cāng)庫(kù)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(jié)構(gòu)物（如煙囪、水塔、信號(hào)塔等）；

（5）針對(duì)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(dòng)力響應(yīng)的動(dòng)力機(jī)器的基礎(chǔ)以及需要把樁基礎(chǔ)作為抗震措施的建筑物。

然而樁基礎(chǔ)屬于建筑工程的地下隱蔽工程，特別是預(yù)應(yīng)力管樁（PHC管樁），施工過程中常易出現(xiàn)斷樁、過大的擠土效應(yīng)等影響樁身結(jié)構(gòu)完整性和單樁承載力的強(qiáng)度，甚至導(dǎo)致周邊建筑物開裂的事故，從而造成基礎(chǔ)工程的不利安全隱患。所以樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量也是采用樁基礎(chǔ)與否重要的影響因素。

本工程作為高層建筑，可將樁基礎(chǔ)作為備選方案，主樓內(nèi)采用管樁PHC500-125-AB，樁數(shù)235根，平均樁長(zhǎng)26m，樁徑500mm，承臺(tái)高度2000～2300mm，持力層為⑥-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)凝灰熔巖，其可行的基礎(chǔ)形式如圖1所示。

圖1 備選樁基礎(chǔ)形式

3.2 筏板基礎(chǔ)

筏板基礎(chǔ)是用底板通過連接結(jié)構(gòu)連成整片形式的基礎(chǔ)，亦可稱為筏形基礎(chǔ)、片筏基礎(chǔ)、滿堂紅基礎(chǔ)等。其既可應(yīng)用于建筑墻體之下，也可用于建筑柱體之下。按其結(jié)構(gòu)形式可以分為梁板式和平板式兩類。由于筏板基礎(chǔ)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(diǎn)是其具有較大的面積和完整的平面連續(xù)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(yīng)力，而且具有其它基礎(chǔ)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(kù)、水池等的防滲底板；④能夠適應(yīng)于在其上進(jìn)行的連續(xù)作業(yè)工藝以及設(shè)備重新布置的空間要求；⑤可以增強(qiáng)建筑物的整體抗震性能；⑥對(duì)需要地下室或架空地板的筏板基礎(chǔ)還具有一定的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償功能。

不過也正是由于上述的特點(diǎn)，也同時(shí)給筏板基礎(chǔ)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(diào)整由于地基不均勻沉降造成的過大沉降差異，特別是對(duì)于那些土體與巖體結(jié)合的軟弱明顯不均的地基，則需要進(jìn)行局部處理后才可進(jìn)行選用；由于它的連續(xù)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(fù)彎矩鋼筋，并還需配置有一定數(shù)量的構(gòu)造鋼筋，才能滿足承載力的要求。因此，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也相對(duì)較高。

3.3 樁筏基礎(chǔ)

由于建筑工程中樁筏基礎(chǔ)的整體性好、整體剛度大、豎向承載力高、基礎(chǔ)沉降量小以及調(diào)節(jié)不均勻沉降的作用明顯的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠承受由于風(fēng)荷載或地震荷載引起的水平力，而且其抗傾覆能力強(qiáng)、與上部結(jié)構(gòu)作用協(xié)調(diào)性好、安全性好，是高層建筑地基基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常大量選用的方案。特別是在軟土以及地震設(shè)防等級(jí)較高的地區(qū)，其應(yīng)用前景十分廣闊。

樁筏基礎(chǔ)的主要特點(diǎn)為：①單樁承載力較高、傳力直接，

可布設(shè)于墻柱下，建筑物上部結(jié)構(gòu)80%以上的豎向荷載可由樁來承擔(dān)，而樁間土只需承擔(dān)很小部分的豎向荷載；②由于樁與筏板形成一個(gè)整體，共同作用，基礎(chǔ)剛度大，其調(diào)節(jié)不均勻沉降的能力強(qiáng)；③樁筏基礎(chǔ)可以發(fā)揮樁和筏板互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，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(shí)可以有效避免樁基礎(chǔ)因樁端持力層處存在溶洞、裂隙等的缺陷影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，故可以克服鉆（沖）孔灌注樁、人工挖孔灌注樁以及預(yù)制樁施工方面的不足。

根據(jù)本工程的工程特點(diǎn)，可將樁筏基礎(chǔ)作為備選方案，主樓內(nèi)采用沖（鉆）孔樁，樁數(shù)為34根，平均樁長(zhǎng)26m，樁徑為1000mm，持力層為⑥-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)凝灰熔巖；大筏板1800mm厚，持力層為③卵石。

4 三種方案分析對(duì)比

從以上各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析可以歸納為以下四方面進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 合理性對(duì)比分析

根據(jù)本工程的工程概況和地質(zhì)勘察情況可知，對(duì)于受到不良地基和地下水影響的高層建筑難以單獨(dú)采用樁基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)的形式，對(duì)于樁基礎(chǔ)可能存在較大的擠土效應(yīng)，基礎(chǔ)整體剛度較差等問題，而筏板基礎(chǔ)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(jié)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)由于對(duì)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(chǔ)結(jié)構(gòu)較為優(yōu)化，整體性較好，其沉降量比以上兩種基礎(chǔ)都要小得多，因此本工程采用樁筏基礎(chǔ)將具有較大的優(yōu)勢(shì)。以上三種不同的基礎(chǔ)形式的沉降特征如表1所示。

4.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

根據(jù)當(dāng)?shù)仡A(yù)算定額及有關(guān)預(yù)算規(guī)定，對(duì)以上三種基礎(chǔ)形式綜合造價(jià)比較如表2所示。

通過表2可以看出，筏板基礎(chǔ)造價(jià)最低，樁筏基礎(chǔ)造價(jià)最高。樁基礎(chǔ)在三種基礎(chǔ)中造價(jià)適中，但樁基礎(chǔ)（PHC管樁）作為擠土樁，可能存在無法滿足樁長(zhǎng)控制的要求，需要在壓樁時(shí)引孔，增加額外的費(fèi)用。筏板基礎(chǔ)雖然造價(jià)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(chǔ)便成了本工程相對(duì)最佳的基礎(chǔ)形式。

4.4 施工難度分析

對(duì)于樁基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于機(jī)械化施工，施工難度較小，可以做到標(biāo)準(zhǔn)化施工；而筏板基礎(chǔ)具有較好的連續(xù)性，可直接在基礎(chǔ)上現(xiàn)澆施工，施工工序較少，難度較??；對(duì)于樁筏基礎(chǔ)，由于結(jié)合了樁基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)，其施工工序較多，施工難度相對(duì)較大。

5 結(jié)論及基礎(chǔ)選型的注意事項(xiàng)

雖然樁筏基礎(chǔ)中樁-土-筏共同作用機(jī)理非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)施工難度相對(duì)較大，使得設(shè)計(jì)施工人員不易于采用，但樁筏基礎(chǔ)具有承載力高、整體性好、沉降量小、工期短等優(yōu)點(diǎn)，從概念和理論上講，針對(duì)巖溶地區(qū)或軟土地區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)狀況的高層建筑，則樁筏基礎(chǔ)仍是一種技術(shù)先進(jìn)和安全可靠的基礎(chǔ)型式。因此本工程最終采用樁筏基礎(chǔ)的方案。

對(duì)于建筑工程的基礎(chǔ)選型過程中必須注意以下幾個(gè)方面的問題：

（1）建筑基礎(chǔ)選型必須根據(jù)地基情況和上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮，對(duì)多種方案比較后確定最佳的設(shè)計(jì)方案；

（2）建筑基礎(chǔ)選型應(yīng)進(jìn)行技術(shù)可行性分析、經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，施工可行的目的；

（3）建筑基礎(chǔ)選型時(shí)，地基、基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠協(xié)調(diào)，進(jìn)行整體性考慮，以防止出現(xiàn)安全隱患或造成經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了保障高層建筑的施工質(zhì)量，在施工前，設(shè)計(jì)人員必須要在熟悉掌握高層建筑的選型基礎(chǔ)上，充分考慮建筑的成本、穩(wěn)定性、功能性及耐久性，選取優(yōu)秀的地基基礎(chǔ)方案，以正確指導(dǎo)建筑的施工，確保建筑的順利施工和完工。

參考文獻(xiàn)：

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