刍议高层建筑地基设计重要性

摘要：本文从以下几个方面探讨高层建筑地基设计的重要性：一是地基的处理方法；二是传统地基设计中存在的问题，如基础刚度过大引发的问题、碟形沉降问题等；三是高层建筑的基础选型与设计，根据传统地基设计中存在的问题，采取有针对性的控制对策，准确计算出上部结构的荷载，做好地基的基础选型，增强地基的承载力。

关键词：高层建筑，地基设计，处理方法，基础选型

对于任何建筑工程项目来说，地基设计都是至关重要的，甚至决定着整个工程的安全性、稳定性与可靠性。地基承受着整个建筑物的竖向体系负荷，用它的承载力承载着整个建筑。从整体的建筑构成上来说，如果建筑物是竖向的结构体系，那么它自身的负荷就会就会集中到点或者线形上，地基就会承载这一负荷点或者负荷线，成为整个建筑工程的支承机构。鉴于地基承载能力的重要性，一定要高度重视高层建筑地基设计工作，利用合理的地基设计方法，确保高层建筑的地基具有良好的承载能力。

1 地基的处理方法

如果高层建筑的施工地段属于淤泥质的土层，那么应在其上覆盖土质较好的土层，使持力层的土质符合施工要求。如果淤泥质上覆盖的土层过薄，应当尽量避免在施工时对淤泥质土进行扰动。在冲填地基时，可以在其中冲填一些建筑垃圾或者是一些工业废料，但一定要保持这些工业废料具有较强的性能稳定性。在冲填过程中，要确保地基的均匀性和密实度，这样才能确保地基更好地发挥持力层的作用。另外，对于很多生活垃圾来说，有机质的含量较大，很多工业废料也具有较强的侵蚀性，在冲填之前必须对其进行适当的处理，这样才能满足高层建筑持力层的需要。如果地基部分存在着局部软弱土层，或者存在着暗沟和暗塘，可以采取基础梁或者换桩基的方法来处理，或者是换土。如果地基的土层不符合要求，在处理之前要综合考虑工程建设的要求和当地的地质条件与水文情况，在结合建筑物的结构类型和地基要求的基础上，选择合理的施工材料和施工方案，并对比各方案的经济指数指标，选出最优化的地基设计方案。

2 传统地基设计中存在的若干问题

2.1 加大基础刚度引发的问题

在传统的概念设计中，很多建筑设计的基础刚度设置不当，导致一系列问题的发生。以某国际大厦为例，这个高层建筑在地基设计时选用的是双层箱基，高度为11.8m，但是也有高层建筑运用的是高度为4m的箱基。然而，我们观察某国际大厦的沉降等值线就可以发现，这项高层建筑的最大差异沉降过大，已经远远超过了规范的允许值，发生了碟形沉降的现象。具体沉降等值线情况如图1所示。

根据某国际大厦的地基设计问题，我们需要进一步对地基设计的问题进行探究。如果高层大厦利用天然地基，那么基础就必须考虑到传布荷载和抵抗冲、变形协调等问题，还需要考虑各种剪内力和弯内力。因此，在传统的设计理念的指导下，箱筏基础就必须要具备足够的强度，这样才能与高层建筑的荷载相匹配，也才能和高层建筑的柱强布置相一致。然而，在这种传统的设计理念指导下，也存在着一系列的问题，天然地基方案有待于进一步优化，需要继续对此加以深入的研究与分析。

2.2 碟形沉降问题

对于高层建筑荷载所产生的作用力，同样也会导致约束状态下的变形问题，二者的作用力相同。如果发生约束状态下的变形，那么这种受力部位就会产生附加应力。在上述案例中，如果箱筏基础存在着碟形沉降的问题，就会导致地基部位存在附加应力，上部结构也会存在一定的附加应力，这样就会导致有附加应力的部位存在裂缝问题，甚至会降低整个建筑体的使用寿命，存在一定的安全隐患。上例中信大厦的地基情况表明，即使在地基设计阶段采取加大箱基高度的措施，仍然不能降低碟形沉降值，不符合相关设计规范的允许范围。

2.3 马鞍形反力分布问题

对于箱形与筏形基础设计，我国早就制定了相关的技术规范，也对基础反力系数做出了一定的规范，要求内部与之间的比例必须在允许的范围内，二者之比应在1.25～1.39的范围内，这样才能保证地基结构的稳固性与承载力。但是由于地基基础上存在着马鞍性的土反力，那么就会产生一系列的负面效应，如剪力增大、弯距增大等问题。通过观察图1所示的箱基设计方案我们可以明确，我们可以通过运用近似计算的方法，利用长度方向上的B截面为参考数据，计算出整体的单位宽度弯距。经过计算得知，此建筑基地的压力平均值为pav=550kPa，那么这个建筑基底的地基反力系数就可以通过国家制定的技术规范计算出来，那就是：

箱基作用力也可以通过图表反映出来，如图2所示。

接下来，通过计算B截面处的弯距和基底土反力，就能够对土反力和整体弯距之间的相互关系进行明确，总体来说，在这个高层建筑中，马鞍形的反力分布会导致弯距增加16.2%左右。在高层建筑地基设计领域，人们通过大量的试验了解到，如果基础结构刚度过大，那么马鞍性的基础反力也会随之增大，也会进一步导致整体的剪力与弯距增大，这是传统地基设计中存在的重要问题。

2.4 主裙基础的差异变形问题

除了上述马鞍形反力分布的问题之外，在传统的地基设计中还存在着主裙基础差异变形问题，如某大厦的主裙基础就存在着差异变形的问题，如图3所示。

这栋大厦的整体高度为156m，包括四层裙房和三层地下室，4m的箱型和0.8m的底板，在测量时Smin=10.2cm，Smin=1.72cm，ΔSmax>0.004L。由上图可知，外排柱与核心筒之间，主楼与裙房之间发生了较大程度的差异沉降。在总体上形成了一种碟形沉降，主要表现为核心筒的不对称，我们可以通过测算得知其沉降量甚至可以达到20cm。

2.5 均匀布桩导致的问题

在高层建筑的地基设计环节，通常会选择筏形或者是箱形的桩基设计，利用均匀布桩的方式进行施工，这是一种最为常见的设计模式。在传统理念的指导下，这种均匀布桩的模式非常普遍，目的是要达到桩基抗力能够与荷载总体平衡。但是，在这种设计理念下，整体的均匀布桩设计没有足够的调整空间，容易导致以下两个方面的问题：一是差异沉降的问题。在传统设计理念的指导下，很多高层建筑的地基由于均匀布桩的方式，那么核心筒就会布置在中间地带，容易发生碟形沉降的问题。通常来说，采用均匀布桩的方式，如果荷载差异增大，或者是桩距和桩长存在差距，那么就会导致差异沉降增大的问题；二是桩顶反力分布增大的问题。均匀布桩的方式与天然地基箱筏的方式相比，在桩顶反力分布上会存在较大的差异，均匀布桩的方式所产生的桩顶反力通常较大。由于桩顶反力分布存在的这些问题，会导致承台所受的力变大，如剪力和弯矩的加大等问题。在此情况下，核心筒位置产生的冲切力也会加大，这个问题如果过于严重，就容易导致高层建筑的承台开裂问题。

3 高层建筑的基础选型与设计

3.1 基础选型

近年来，随着我国建筑行业的快速发展，人们对高层建筑施工的要求也越来越高，对地基的选型当然也更为重视。在高层建筑的基础选型设计上，通常会出现强度不符合要求，抗震性不好，或者是不均匀沉降等问题。因此，相关设计单位一定要在设计地基基础之前，考察好建筑工程的实际需求和场地的实际情况，对地基进行适当的处理。在实际的操作过程中，地基有多种处理方法，要根据工程建设的需要和当地的实际情况选择合适的地基处理方法，要综合考量每种方法的优劣，选出最佳的施工方法。除此之外，还需要考虑到工程建设的技术要求和建设成本，多方面地考量高层建筑的地基基础选型问题，运用更合理的方法对基地进行处理。

总体而言，高层建筑的地基基础设计需要注意以下几个方面：一是要注意地基的负荷，要在地基本身的承载能力之内，避免出现负荷量过大的情况，防止出现地基土剪切的问题，导致地基的稳定性降低；二是要在地基翻地时，要控制好变形量，不能超出可允许的范围，避免因为地基设计不当产生的上部结构损坏等问题，确保建筑物的稳定性与安全性，更好地发挥建筑物的功能。最后，要利用技术手段，准确分析地基的耐久性和强度，重点对刚度的数据进行系统的研究与分析，为高层建筑打造合理的地基结构。

3.2 基础设计

在基础设计阶段，设计单位要提出具体的指标与要求，并且要结合勘察单位提供的地质勘察和水文勘察数据，详细了解施工场地的地质情况，根据勘察单位提供的地质报告对施工场地的土质和土层情况进行详细的了解与分析，在综合考量、分析论证的基础上完成基础设计。很多设计单位为了寻求方便，往往以其他相邻建筑的地质勘察资料为依据，这样做是不科学的，容易因为土地的地质情况不符，出现一系列的土质问题，甚至出现土质问题导致的变形。在基础设计阶段，如果地基的土质较为松软，那么就应当采取一定的加固措施，防止因为土质问题导致地基变形。另外，不能将上部结构的荷载全部由大型基础断面来承载，这样会引起很多问题，即使基础断面较大，与上部结构相比，土质还是较柔的。因此，在地基设计中，要综合考虑地基处理和基础选型这两方面的问题，进行综合设计。要充分了解高层建筑的整体布局，根据建筑物的结构、荷载、布局等情况，合理地进行地基选型，把握地基设计各环节的整体性。在设计形式方面，要使地基设计形式符合上部结构的需要，与上部结构相统一，成为一个相互适应和相互配合的统一体，这样才能增强整个工程的稳固性和安全性。对于相邻建筑在施工阶段的地质资料，可以参考，但不能仅仅依靠相邻建筑物的勘察资料，还需要分析高层建筑之间的相互影响和干扰，分析临近建筑物对地基产生的作用和影响，是否会因为临近建筑物的干扰导致地基变形，从而影响新建高层建筑地基的功能发挥。另外，在施工进度和整体布局方面，也要考虑临近建筑物的影响，对于这些影响和可能发生的作用，要根据实际调研得来的数据进行严密的分析与论证，确保地基设计的合理性与科学性，选择合理的地基设计方案，确保高层建筑工程得到顺利的开展。另外，高层建筑施工队伍的素质也在一定程度上决定着工程的质量，因此，要选择素质较高、技术水平过硬的施工队伍，更好地进行地基基础建设。在综合考虑到上述几个方面的条件之后，再根据建筑工程的实际情况制定出最优化的设计方案，更快捷、有序、有效地完成建筑工程的基础设计。

4 桩基础设计中经常存在的问题及对策

在高层建筑地基设计过程中，容易发生桩基础设计方案不合理的问题，如上文中提到的传统地基设计理念下均匀布桩导致的一系列问题。对此，我们要准确分析出桩基础存在问题的原因，有针对性地提出合理的解决对策。通常来说，桩基础设计中通常会存在以下几个方面的问题。

第一，桩基础到达承受极限，无法压至设计标高。出现这种问题的原因通常包括以下两个方面，一是勘察单位提供的勘察资料有问题，对地质情况的分析有误，导致桩基础的承载力计算值错误，无法准确地推断出桩基础的承载力；二是土质本身存在着问题，例如土质中的孔隙水压力过大，桩基础无法压入，需要采取一系列的施工措施。在面对这些问题时，要制定出合理的施工工序，在确保桩基础产生的水压力消散之后再进行下一个桩基础的施工。也可以应用压桩力更强的机械设备。也可以采用引孔的方法，在桩基础周边设置排水孔，减小水压力。更重要的是，在压桩施工时要控制好压桩的力度，不能超过桩身的极限强度，并避免压桩过程对临边建筑物的影响。

第二，施工质量不达标。为此，要采取一系列的质量控制措施，如贯彻和落实质量第一的理念，对施工人员和管理人员进行培训与教育，提高施工队伍的素质，使其能够严格按照施工要求进行操作。要实行施工人员的准入制度和上岗教育，提高施工人员的综合素质与技术水平，并要坚持持证上岗的制度。此外，要定期对桩位进行复核，避免出现桩位偏差，并定期对场区控制点进行复测。要控制好桩基础的技术指标，将竖向偏差控制在（+100，-50）这个区间范围内，对桩顶的标高进行严格的控制。

5 结语

在高层建筑的地基设计阶段，要准确推算出上部荷载，做好地基结构选型，做好地基结构计算工作。在做好地基结构计算的基础上，选择合理的地基结构形式，为高层建筑构建稳固的建筑结构体系，确保整个建筑工程的稳固性、可靠性与安全性，促进高层建筑事业的发展。