论高层建筑结构中的基础设计

摘要：基础在高层建筑结构中是重要的组成部分，不仅建筑物的安全性方面起到至关重要的作用，在造价和施工工期上也起到非常大的影响。所以设计者在设计过程中，要根据地地质资料、荷载、结构类型、施工条件、施工材料等等因素做到全方位的考虑，使设计的基础即安全实用，又经济合理，同时也能方便施工。文章主要是从基础设计的合理性，分析方法，适用类型，部分优化来进行论述。

关键词：高层建筑；基础结构；设计与优化

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

一 高层建筑基础设计的现实意义

1.1安全性地基和基础位于地面以下，系隐蔽工程。它的勘察、设计和施工质量，直接影响建筑物的安全。设计时保证与之上部结构相适应的基础选型是影响结构安全的重要因素。如果建筑在基础选型设计上与上部结构不相适应、与所处的地基条件不协调、与上部结构不能在整体上协同受力等，有可能造成建筑物的不均匀沉降、建筑物开裂或倾斜甚至倒塌等严重后果。一旦发生质量事故，补救和处理往往很困难，甚至是不可能的。所以，高层建筑基础设计的现实意义。

1.2经济性基础形式设计合理有利于工程造价的降低。地基基础工程的造价和施工工期在建筑总造价中所占的比例与多种因素有关，在建筑工程造价中基础工程占有的比重可达到25%左右，有时由于地质、结构的复杂性、施工条件等，则基础造价更高。保证结构安全性前提下，合理的基础选型，尽量降低工程造价。

1.3时间性基础形式的合理有利于缩短施工工期。据相关统计，基础工程的施工工期可占到土建工程总工期的约30%左右，因此，在当今经济飞速发展的大时代背景下，基础形式的合理选择对缩短施工工期具有重大意义。

二 勘察成果在高层建筑基础设计中的影响及采取的措施

上部结构与地基、基础按整体共同作用的分析方法是目前最理想的。在上部结构与地基、基础之间可对满足接触点的静力平衡和接触点的变形协调同时满足，即将把其看成彼此协调的整体来进行分析。

由于地基土形成的自然条件各异，因而它们的性质是千差万别的，不同地区的土有不同的特性，即使是同一地区的土，其特性在水平方向和深度方向也可能存在较大的差异。所以，从某种意义上说，一个最优的地基基础设计方案更依赖与完整的地质、地基土资料和符合实际情况的周密分析。目前的工程勘察和技术手段,一般还只能做到相对的准确。如果把不太准确地质资料没有根据具体的工程情况分析就提供给设计人员,就造成设计人员也只能做出相对的地基处理与基础设计,容易导致在施工过程中不可避免的要根据地质条件的变化而修改设计。

如何使工程勘察得以准确,勘察成果得以给基础设计提供更多可靠的设计时，可采用以下措施：

2.1当考虑采用天然地基时应查明建筑物荷载影响范围内地基土的物理力学性质、土层分布、深度、厚度及均匀性,以及有无不良工程地质现象,如古河道、古池塘、坑道、土洞等,对地基的稳定性及承载力、变形指标等作出评价。对岩石残积土地区,还应划分出残积土中由岩脉分化成的相对软弱层。

2.2当考虑采用沉管灌注桩及预制桩时,应查明在桩基影响范围内各土层岩性、分布、深度、厚度,应提供标准贯入试验击数值,对花岗岩和下古生界的混合岩分布区,尚应着重查明残积土中的未风化球体及岩脉的存在,并提供各土层的承载力及桩周摩擦力。

2.3当考虑采用冲、钻、挖孔桩时,应查明建筑物范围内第四系地层与基岩的分布、埋深、厚度,并提供各土层的承载力及桩周摩擦力,应划分土层与岩层及各种风化带分界线,及岩层中有无断层构造带,并查明其产状及宽度、厚度。

2.4另外应查明地下水的埋藏条件、类型和水质。当采用挖孔桩或深基础时,可用抽水试验方法查明地质的渗透性、地层涌水量、水位变化和规律以及出现流沙的可能性。

三 常见基础适用条件分析

3.1 筏型基础适用条件为：①对于软土地基，当使用条形基础不能满足上部结构的容许变形和地基容许承载力时；②当高层建筑的柱距较小，而柱子的荷载较大，必须将基础连成一整体，才能满足地基容许承载力时；③风荷载或地震荷载起主要作用的高层建筑，需保证基础有足够的刚度和稳定性时。

3.2 箱形基础具有很大的刚度和整体性。对地基的不均匀沉降起到调节或减小的作用。因此适用于上部荷载大而地基土又比较软弱的情况。

3.3 桩基础适用条件为：①浅表土层软弱，在较深处有能承受较大荷载土层作为桩基础的持力层时；②在较大深度范围内，土层均较软弱，且承载力较低时；③高层建筑结构传递给基础的垂直和水平荷载很大时；④高层建筑对于不均匀沉降非常敏感和控制严格时；⑤地震区采用桩基础可提高建筑物的抗震能力时。

3.4 柱下独立基础适用条件为：当上部结构为框架结构、无地下室、地基土质较好、荷载较小、柱网分布较均匀时，可采用柱下独立基础。在抗震设防区，其纵横方向应设连系梁，连系梁可按柱垂直荷载的10%引起的拉力和压力分别验算。

3.5 十字交叉钢筋混凝土条形基础适用条件为：①当上部结构为框架剪力墙结构、无地下室、地基条件较好时；②当上部结构为框架剪力墙结构、有地下室、无特殊防水要求、柱网、荷载及开间分布比较均匀、地基较好时；③当上部结构为框架或剪力墙结构、无地下室、地基较差、荷载较大时，为了增加基础的整体性和减少不均匀沉降。

3.6 其它基础形式，如板式、桩箱基础、桩筏基础等，设计者可根据实际情况来进行合理的选择。

四 高层建筑基础部分优化设计案例分析

在当今开发商追求最大利润化的背景下，设计者如何在确保安全的前提下做到设计合理、省时，保质保量，降低成本地完成任务。这就要对基础方案进行优化设计了。

某高层建筑位于繁华地段；地下2 层，地上26层，其中一、二层为商业用途，功能上要求大跨柱距，以上均为住宅；建筑高度为78.6m，总面积约48000m2；为A 级高度钢筋混凝土高层建筑，抗震设防烈度为6 度，抗震设防类别为丙类，场地土类别为Ⅱ类，结构体系为部分框支剪力墙结构。

4.1地质分析

根据岩土工程勘察报告，本工程场区地层结构逐层为：杂素填土、碎石层、粘土层、闪长岩残积土、全风化闪长岩、强风化闪长岩和中风化闪长岩。场区内地下水属壤中潜水型，埋深3.40~3.80m。

4.2桩基方案优化

本工程原设计采用桩径600mm 的钻孔灌注桩，以中风化闪长岩为桩端持力层，桩长约18m，单桩承载力特征值为1800kN，桩总数为862 颗，需要满堂布桩，因此采用桩筏基础，基础筏板厚1800mm，上、下皮各配置两排双向Φ25@150 受力钢筋网，板厚中部配置两排双向Φ12@300 构造钢筋网。

在进行优化设计时，可提高单桩的承载力，从而减少桩数、使桩筏基础改为桩承台基础，以达到施工进度加快、使工程造价降低的目的。而提高单桩承载力的方法如加大桩径，加长桩身，变换桩端持力层、改变成桩工艺，改变桩型等。最后经过各种调研、分析比较、试算，以确定采用钻孔灌注桩后压浆技术提高单桩承载力。

目前在许多高层建筑中钻孔灌注桩后压浆技术得到大量应用。该技术的产生主要是针对钻孔灌注桩的某些弱点，该弱点主要体现为：①桩端沉渣难以清除干净，导致沉降量较大；②由于桩身混凝土常需在水下浇注，须采用泥浆护壁措施，这层“泥皮”使桩侧摩阻力减小。后压浆技术的原理是：在桩身中预埋导管，当桩身混凝土达到一定强度后，通过导管向桩端压送高压水泥砂浆，此砂浆首先将桩端的虚土挤压密实，然后沿桩身周围逐渐上升，直至溢出地面。由此可见，后压浆技术可以减少桩基沉降，改善桩侧土的受力性能，从而达到提高单桩承载力的目的。从施工角度看，后压浆技术已由最初的技术垄断到目前的相对普及，其操作方便，容易掌握，所需设备简单，材料及人力投入少，成本较低廉。

本工程优化设计将原桩长减少2m，桩径由600mm 增大至700mm，其它条件不变，采用钻孔灌注桩后压浆技术后，单桩承载力特征值由优化前的1800kN 增大到3500kN，桩总数由优化前的862 颗减少到388 颗，将原设计的满堂桩筏基础方案修改为柱下独立承台或墙下条形承台＋构造防水底板方案，承台厚度与筏板厚度相同，均为1800mm，但是只需在承台下皮单层配筋，防水底板厚度为600mm。由此可见，优化设计后，在桩身混凝土用量基本不变的情况下，桩的数量和长度、基础混凝土用量均得以减少，有利于加快施工进度、缩短工期、降低造价。

4.3经济优势

经估算，本工程采用钻孔灌注桩后压浆技术后，单桩承载力增加94%；桩身混凝土用量节省约2100 立方米，节省比例约47%；基础底板混凝土用量节省约3550 立方米，节省比例约48%；合计节约工程造价约374 万元。同时由于缩短了施工工期，加快了资金周转，取得了令业主满意的直接经济效益和综合社会效益。

五 结束语

基础具有重要作用，是上部结构的根本。因此在进行基础设计时要做到按实际情况出发，收集充足的资料，进行综合分析对比，最终选择一个经济合理的方案。这样才能保质保量地完成业主交代的任务，同时也给社会带来效益。

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