摘要：隨著高層建筑的迅速發(fā)展，高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)愈來愈受到設(shè)計(jì)人員的重視，如何從高層建筑的地質(zhì)條件出發(fā)，綜合考慮各種因素，選擇經(jīng)濟(jì)安全的結(jié)構(gòu)形式成了設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問題，本文從常見的高層建筑的結(jié)構(gòu)形式入手，介紹幾類常見的高層建筑基礎(chǔ)，并討論優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑,基礎(chǔ)設(shè)計(jì),嵌巖樁基礎(chǔ),筏式基礎(chǔ),樁筏基礎(chǔ)

　　1.前言

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)，迅速發(fā)展的高層建筑也給設(shè)計(jì)師提出了諸多新的挑戰(zhàn)。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)非常重要的部分, 因此，在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮基礎(chǔ)的強(qiáng)度和剛度外, 還應(yīng)考慮考慮地基的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形的要求，考慮上部結(jié)構(gòu)體系、地理環(huán)境條件、施工條件等諸多因素, 才能設(shè)計(jì)出既安全又經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式

　　2.高層建筑基礎(chǔ)選型

　　基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中的關(guān)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(jì)的基礎(chǔ)形式。一般情況下，高層建筑應(yīng)考慮如下幾個(gè)條件:①高層建筑基礎(chǔ)保證基礎(chǔ)本身的強(qiáng)度要求,同時(shí)，基礎(chǔ)上部傳遞的荷載分布應(yīng)盡量均勻;②高層建筑基礎(chǔ)應(yīng)支承在較堅(jiān)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(chǔ)形式;③高層建筑基礎(chǔ)應(yīng)滿足相關(guān)的構(gòu)造要求,如高層建筑箱基的埋深、高度,基底平面形心與結(jié)構(gòu)豎向靜荷載重心相重合,對(duì)偏心距的要求、沉降控制等;④高層建筑基礎(chǔ)要滿足上部結(jié)構(gòu)的正常使用的要求;⑤高層建筑基礎(chǔ)一般埋置較深,因此對(duì)于施工過程而言,高層建筑的基礎(chǔ)應(yīng)充分考慮深基坑開挖和地下水抽排對(duì)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(chǔ)

　　在進(jìn)行嵌巖樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問題：①現(xiàn)行規(guī)范是國內(nèi)設(shè)計(jì)方法的典型代表,但規(guī)范存在諸多問題，在使用規(guī)范時(shí)應(yīng)結(jié)合具體的地層條件和當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn);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(cè)、 樁端阻力，應(yīng)按不同方式設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上，應(yīng)從承載力單方面控制向承載力和變形雙向控制進(jìn)行轉(zhuǎn)化;③樁端阻力及樁身設(shè)計(jì)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(cè)阻力能最大限度地得到發(fā)揮;④嵌巖樁的設(shè)計(jì)應(yīng)以樁身混凝土強(qiáng)度、地基對(duì)樁所能提供的承載力及樁體總沉降量作為三個(gè)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)嵌于強(qiáng)度較高巖層中的樁,樁的承載力一般由樁身混凝土強(qiáng)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(yīng)加強(qiáng)對(duì)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(chǔ)

　　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(jié)構(gòu)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(chǔ)持力層。選擇采用天然地基作基礎(chǔ)持力層時(shí),需特別注意考慮地基承載力確定及地基變形驗(yàn)算問題。基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般可選擇鋼筋混凝土塊式基礎(chǔ)或筏式基礎(chǔ)。采用塊式基礎(chǔ)較為簡便,中筒部分可考慮由筏板承托,基礎(chǔ)之間結(jié)合地下室底板結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(chǔ)具有施工方便、工期短、節(jié)約投資等優(yōu)點(diǎn),建議設(shè)計(jì)人員在條件允許情況下盡量選用。

　　2.3 樁筏基礎(chǔ)

　　樁筏基礎(chǔ)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(jié)過程中相互協(xié)調(diào)達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài),筏板底土層與摩擦樁共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載。一般來說,考慮地下室開挖后地基補(bǔ)償?shù)纫蛩?筏板底土層具有一定的承載力。所以設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)筏板底土層情況,考慮土承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載的比例。通過對(duì)筏板的分析,筏板四周的應(yīng)力最大,因此在設(shè)計(jì)時(shí)在筏板四周應(yīng)均勻布置樁且樁距應(yīng)加密,中部各豎向構(gòu)件樁的布置宜采用梅花形布置。考慮摩擦樁的特點(diǎn),樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范第8. 5. 14 條規(guī)定,樁基設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)考慮樁、土、承臺(tái)的共同工作。相關(guān)規(guī)范對(duì)樁筏復(fù)合基礎(chǔ)的計(jì)算方法并未做出統(tǒng)一規(guī)定,采用的計(jì)算方法也不盡相同,多根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r和經(jīng)驗(yàn)確定,大致有以下兩種計(jì)算方法:

　　方法1 :假定整個(gè)建筑物和重量全部由樁傳到地基中去,而承臺(tái)板只起連接樁頂和傳遞上部荷載的構(gòu)造作用。在群樁布置中使樁的受力均勻,樁群形心與上部結(jié)構(gòu)傳給基礎(chǔ)的荷載重心盡量重合。對(duì)于框架結(jié)構(gòu),可按荷載大小,在柱下集中布樁。對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)或框筒結(jié)構(gòu),柱下布樁與框架結(jié)構(gòu)相同,剪力墻或筒體下沿墻布樁。當(dāng)樁數(shù)較多時(shí),也可均勻布樁。根據(jù)國內(nèi)外專家的理論,國內(nèi)一些設(shè)計(jì)單位在樁基設(shè)計(jì)中,當(dāng)群樁數(shù)量較多時(shí),采用了“外密內(nèi)疏”的內(nèi)樁方法,即適當(dāng)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(bǔ),采用控制沉降的方法將上部荷載由樁和筏板共同互補(bǔ)承擔(dān),使樁的數(shù)量及筏板厚度得以減少。

　　3 減沉設(shè)計(jì)

　　減沉設(shè)計(jì)的基本原理。減沉設(shè)計(jì)是指按沉降控制原則設(shè)計(jì)樁筏基礎(chǔ)。減沉設(shè)計(jì)概念主要應(yīng)用于軟土地基上多層建筑設(shè)計(jì),在軟土地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,有時(shí)決定采用樁基主要并不是因?yàn)猷徑�地表的土層�?qiáng)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(shí)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(tái)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(shè)計(jì)的內(nèi)容。樁長及樁身斷面選擇:選擇樁長應(yīng)盡可能穿過壓縮性高的土層,樁端持力層壓縮性應(yīng)相對(duì)較低。在承臺(tái)產(chǎn)生一定沉降時(shí)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(yīng)使樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定的單樁容許承載力與地基土對(duì)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(tái)埋深及其地面尺寸的初步確定:首先按外荷載,全部由承臺(tái)承擔(dān)時(shí)其極限承載力仍有一定安全儲(chǔ)備的原則,先初步確定承臺(tái)的埋深及其底面尺寸,然后確定減沉設(shè)計(jì)的用樁量,再驗(yàn)算承臺(tái)的初步尺寸,并給予調(diào)整。

　　4　變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)

　　變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的內(nèi)容。在樁筏變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)中,群樁剛度與單一筏板剛度的比值kpr最為關(guān)鍵。最合適的kpr值與樁筏面積比有關(guān),且當(dāng)有關(guān)樁筏面積比范圍為16 %～25 %時(shí), kpr值接近于1 。當(dāng)樁筏面積比較大時(shí),為減小沉降差, kpr值應(yīng)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(fā)揮(大于50 %) 后的沉降差,只要kpr = 1 的條件滿足,任何實(shí)際樁長都可采用。

　　2) 變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的步驟。按建筑物性質(zhì)、荷載、地質(zhì)條件等進(jìn)行初始布樁并確定板厚,對(duì)上部結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)與地基共同作用進(jìn)行分析,繪制沉降等值線。對(duì)沉降等值線進(jìn)行分析,當(dāng)天然地基總體沉降不大而局部沉降過大時(shí),根據(jù)具體條件對(duì)沉降過大部分采用局部加強(qiáng)處理,如采用筏底布樁或復(fù)合地基,在樁基沉降較小部位,應(yīng)抽掉一部分樁,或視土層情況適當(dāng)縮短樁長或減小樁徑。對(duì)沉降較大的部位,應(yīng)適當(dāng)加密布樁或視土層情況,適當(dāng)增加樁徑樁長,重新形成剛度體系,進(jìn)行共同工作迭代計(jì)算,直至沉降差減到最小。

　　5.結(jié)語

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

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]GB50007-2002 .建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[ S] .

　　[2]JGJ3-2002.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[ S].

　　[3]JGJ6299.高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范[ S] .