高层建筑几种常用的基础适用范围及经济比较

摘要：随着经济的不断发展，高层建筑在我国建筑领域所占的比例越来越大。基础工程作为上部结构和下部地基联系的纽带，对整个建筑尤其是高层建筑的安全至关重要，同时由于基础工程的造价和施工工期在整个建筑中占有的比重较大，所以在工程设计中选出最佳最优的基础型式成为设计的关键。本文阐述了高层建筑在基础选型与设计时的相关依据和影响因素，并结合工程实例，对三种基础型式做了经济技术的分析比较，对工程建设当中的一些常见的基础型式适用范围也进行了简单的介绍。

关键词:高层建筑基础选型设计

0.引言

基础工程不仅对高层建筑的安全和建成后建筑的正常使用非常重要，同时由于它在整个工程中所占的造价比重及工期比重都很大：如果基础形式选择不合理，会造成资金浪费，施工工期延长；反之可以节约资金，缩短施工工期，所以选择科学合理的基础方案是高层建筑设计工作中的一个重要环节。在具体工程的设计当中，设计人员对于高层建筑的一些基础形式和方案通常只是从安全的角度进行对比选择，由于对施工工艺和工程造价方面知识的欠缺，往往忽视了对不同基础型式的施工工期和施工技术的难易程度和工程造价的比较，甚至于对一些地区独具的习惯性做法与规定性的做法都没有考虑。例如设计高层建筑的时候就习惯性地采用桩基础。[1]这样一些现象显然既不经济，也不科学。在今天，工程技术在日益发展，施工工艺不断改进，在对工程的社会效益和经济效益的双重要求下，更应该重视高层建筑的基础工程设计，用科学的方法选出最佳的基础方案。

1.案例的分析

XX住宅小区坐落于安徽省合肥市市区。住宅区的交通便捷，配套设施完善，是一高档住宅项目。本案例中的建筑就是其中一栋高层的住宅楼，地上20 层，高度约为60m；地下二层，为自行车库和设备用房，层高大约为3m，基础底面积约1200m2。本工程为钢筋混凝土剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，设计基本加速度值为0.15g,设计地震分组为第二组，基础设计等级是乙级，抗震等级为三级。

该拟建场地属于抗震一般地段，场地土类别是II类中硬场地。地层分布基本均匀，变化不大，适宜本工程建设。地下水的稳定水位埋深为12.60m，场地环境类型为Ⅱ类，经判别，地下水对混凝土及混凝土中的钢筋具弱腐蚀性，对外露钢筋具弱腐蚀性。现场各土层的物理力学的性能指标详见表1、表2。

表1 场地各岩土层分布及主要力学指标

岩土名称 平均厚度（m） 承载力特征值fak(KPa) 压缩模量Es(MPa)

①素填土 5.36 70 3．1

②粉质粘土 4.07 90 1．90

③粉质粘土 3.51 170 10．82

④粉质粘土 11.49 180 7．40

④1 粉砂 10.87 200 22．77

⑤强风化泥岩 11.33 300

⑥1 粉质粘土 3.61 170 4．78

⑥强风化泥质粉砂岩 10.90 300

表2 水的腐蚀性评价表

腐蚀介质 水中含量

（mg/L） 水对砼结构的腐蚀等级 水对砼结构中钢筋的腐蚀等级 水对钢结构的腐蚀等级

气候影响因素 渗透影响因素

环境类别 腐蚀等级 渗透类别 腐蚀等级

SO 122.00-320.00 Ⅱ 弱

Mg2+ 1.60-2.04

NH 0.03-0．04

OH - /

总矿化度 171.99-310.21

pH值 7.6 A 微

侵蚀性CO2 1.03-2.05

HCO

（mmol/L） 36.98-56.89

Cl- 0.35-0.71 弱

30.5-80.0

Cl-+SO 122.70-320.35 微

腐蚀等级

综合评价 地下水对砼结构及砼结构中的钢筋具弱腐蚀性，对外露钢结构具弱腐蚀性。

2.1方案的初步的拟定

天然地基上的筏板基础是高层建筑设计时最先考虑的基础型式，本工程设计之初考虑的就是此种基础型式。经过初步的估算，本工程的基底平均压力为 440 kPa，但从地勘报告中的地层剖面和岩土性质来分析，地下室开挖以后，基础的持力层是粉质粘土层，经过宽度及深度的修正之后其承载力大约是150 kPa，所以天然地基不能满足其上部荷载的要求,不能采用此种地基。由于高层建筑多采用桩基础，所以选择在不同的桩基础间进行对比。本文选用钻孔灌注桩、预应力混凝土管桩、复合地基。现在比较常用的复合地基是高压旋喷桩复合地基、CFG桩复合地基,复合地基主要是通过对地基的处理，减少地基的变形，提高地基的承载力，从而满足设计的要求。

2.1.1方案一 ：沉管灌注桩基础

根据地勘报告，本项目场地平坦，地下水埋深大，含水量小等特点，由于施工钻孔灌注桩泥浆水会对①层素填土产生软化，不宜采用钻孔灌注桩，可以采用沉管灌注桩。沉管灌注桩是利用锤击打桩设备或振动沉桩设备，将带有钢筋混凝土的桩尖(或钢板靴)或带有活瓣式桩靴的钢管沉入土中(钢管直径应与桩的设计尺寸一致)，造成桩孔，然后放入钢筋骨架并浇筑混凝土，随之拔出套管，利用拔管时的振动将混凝土捣实，便形成所需要的灌注桩。根据本工程的受力要求，采用直径700~800左右的沉管灌注桩，选用⑥层强风化泥质粉砂岩作为桩基础持力层，预估桩长25米，单桩承载力达到3000KPa。此方案优点是单桩承载力高，抗水平力强。缺点是：1）桩身质量不容易控制，易产生缩颈现象而导致钢筋笼保护层厚度减小，在场地内地下水具有弱腐蚀性的情况下导致结构安全性不高；2）此种施工方法施工周期长，一般每台机组每天只能施工4根左右的桩，3）由于施工过程中，锤击会产生较大噪音，振动会影响周围建筑物，同时施工过程中会污染地下水，不太适合在市区运用。综上所述，本项目不考虑此种基础方案。

2.1.2 方案二 ：预应力管桩基础

预应力混凝土管桩（以下简称预应力管桩或管桩）可分为后张法预应力管桩和先张法预应力管桩。先张法预应力管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍等组成。管桩按混凝土强度等级分为预应力混凝土管桩、预应力高强混凝土管桩。管桩的接头一般采用端头板电焊连接法。端头板是管桩顶端的一块圆环形铁板，厚度一般为18-22毫米，端板外缘沿圆周留有坡口，管桩对接后坡口变成U型，烧焊时将管桩周过的U型坡口填满即可。 预应力管桩沉入土中的第一节桩称为底桩。底桩下端部如承载力不够，还可设置桩尖（靴）。本工程不需设置桩尖（靴）。管桩沉桩方法有多种，施工方法有：锤击法、静压法、震动法、射水法、预钻孔法及中掘法等，而以静压法用得最多。由于柴油锤打桩时震动剧烈、噪音大，为适应市区施工需要，近几年来我国各地开发了大吨位的静力压桩机施压预应力管桩的工艺，静力压桩机又可分为顶压式和抱压式，抱压式是桩机的夹板夹紧桩身，依靠持板的磨擦力大于入土阻力的原理工作，静力压桩机最大压桩力可达5000-6000kN，可将直径500mm、600mm的预应力管桩压到设计要求的持力层，从而大大推动了预应力管桩的应用和发展。依据地质勘察报告结果，本工程可以考虑使用PHC500-125静压预应力管桩，选用第 6 层土作为其桩尖的持力层，桩长大约25米左右，单桩承载力特征值达到3000KPa，桩间距为2000mm，预计需要270根φ500的管桩。预应力管桩方案的优点是：桩身质量稳定可靠、强度高、单桩承载力大、施工快捷方便、噪音小、无污染等优点，在我国7度及以下抗震地区的基础工程中应用越来越广泛，因此可以考虑使用此种基础。但由于本项目的设计桩长25米左右，需要接桩，容易造成地下水对混凝土的腐蚀导致抗腐蚀能力降低。

2.1.3方案三：高压旋喷桩复合地基

这一地基处理的具体做法如下所述：高压旋喷桩是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土中预定的深度，以20MPa~40MPa压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，切割土层使浆液和土混合形成共同受力体。一般情况下，桩体材料采用普通硅酸盐水泥，其强度等级不低于32.5。这种复合地基适用于淤泥、淤泥质土、粉质粘土、粉土、砂土、湿陷性黄土等，适用于10~30层高层建筑地基的处理，可以提高地基承载力2倍~5倍，经济长度为5m~15m，桩径为φ500~φ700。针对本工程桩径取为φ600，桩长15米左右，上设300mm的级配砂石褥垫层，桩距1.8米，需要布桩约420根。由于此种方案施工噪音小、无污染、施工工艺简单、适用范围广而被越来越多的项目采用。

2.1.4 方案四：CFG桩复合地基

CFG桩是近年中国建筑科学研究院近年研制出的用碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的可变强度桩。通过调整水泥掺量及配比，其强度等级在C15-C25之间变化，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作，故可根据复合地基性状和计算进行工程设计。CFG桩一般不用计算配筋，并且还可利用工业废料粉煤灰和石屑作掺和料，进一步降低了工程造价。CFG桩的适用范围很广，在砂土、粉土、粘土、淤泥质土、杂填土等地基均有大量成功的实例。CFG桩对独立基础、条形基础、筏基都适用。通过此种地基处理方案后，地基承载力标准值可以达到250KPa~600KPa。针对本工程桩径取为φ400，桩长15米左右，上设300mm的级配砂石褥垫层，等边三角形的形式满堂进行布置，桩距1.5米，需要布桩约550根。此方案的优点是施工工期短，按单桩长15米计算，单机每天可以施工25根，由于没有钢筋，桩的质量容易保证，抗腐蚀性强。

2.2方案的经济效益比较

基础选型的影响因素有很多，其中包括建筑物上部的结构体系，具体的抗震要求、水文地质的条件和施工工期、工程的造价、施工技术的难易程度等等。下面我们就本着经济适用的原则，对预应力管桩基础、高压旋喷桩复合地基、CFG桩复合地基进行经济性分析，以便选出最佳的方案。

表3 三种地基基础方案的工程造价对比

基础方案 预应力管桩基础 高压旋喷桩复合地基 CFG桩复合地基

桩型 PHC500-125 φ600 φ400

设计桩数 270 420 550

设计桩长（m） 25 15 15

总桩长（m） 6,750 6,300 8,250

桩体造价（元/m） 170 150 90

桩基总价（元） 1,147,500 945,000 742,500

承台造价（元） 821,600

底板造价（元） 142,200 445,830 445,830

褥垫层造价（元） 40,500 40,500

基础总价（元） 2,111,300 1,431,330 1,228,830

通过表3的对比我们可以看出，CFG桩复合地基的基础工程造价最低，预应力管桩基础的基础工程造价最高。同时考虑CFG复合地基的其它优点，针对本工程CFG复合地基成为最佳的地基基础方案。

3.结论

设计人员在选择高层建筑的基础方案时，必须要综合考虑结构的安全性、建筑功能要求、施工工期长短、施工工艺的难易程度、工程的综合造价以及对环境的影响等等因素，同时对各种可能的基础方案经过分析对比之后，才能选择出最佳的基础设计方案。

参考文献：

[1] 钱力航.高层建筑箱形与筏形基础的设计计算[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2] 中华人民共和国建设部. GB50007-2002 建筑地基基础设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002

[3] 丁园，孙鹏程，厉晔. 某高层建筑基础选型及经济分析[J].江苏建筑，2010，（1）：70-73.

作者简介：

王立平：女，北京人，中房集团建筑设计有限公司（100035）工程师，研究方向：建筑结构设计。

姚春燕：女，北京人，中房集团建筑设计有限公司（100035）工程师，研究方向：建筑结构设计。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。