论高层建筑地基与基础设计选择

摘 要：近些年，随着国内高层建筑项目的数量、规模不断加大，为保证建筑实体结构的质量可靠、安全生产，在具体的设计、施工中就必须加强重视对工程地基的勘察与验算，结合项目自身的特点与要求，合理选择各种地基处理、基础设计方案，从而才能更好的抵御、承受建筑主体结构的荷载与作用力。本文就高层建筑地基与基础设计选择作简要的分析、探讨。

关键词：高层建筑；地基处理；基础设计；选型

长期以来，国内多数建筑项目在施工建设、后期使用的过程中出现的质量病害、安全事故，其很大程度上是由建筑地基的不规则沉降所造成，而作为地基与实体建筑的有效连接体，基础结构的设计水平、施工质量也有着一定影响。对此，随着建筑项目的设计规模、建设高度逐步加大，地基处理方法、基础设计方案的选择，已逐渐成为广大专家、学者以及从业人员普遍关注的话题。若要有效保证高层建筑的稳定性、耐久性、可靠性，就必须综合考虑施工现场的环境条件、地质构造等实际情况，加强对工程地基的勘察、分析、验算，选择最佳的处理、设计方案。

1 高层建筑地基处理方法与选择

2.1 挤密、振密法

顾名思义，高层建筑工程项目的地基处理，所使用的挤密、振密法，其主要是以人工操作、机械运行的方式，通过挤动、振动、压实土体来减少其孔隙率，从而直接增强、提高原有地基的强度、承载力。在具体的应用中，根据地基处理面的不同，可将其分为表层压实、浅层加固以及重夯实三种形式，而对于深层地基土体的加固则需要采用重量达、冲击力强的强夯实法。

在实际进行高层建筑的地基处理时，倘若遇到的是非饱和粘性土、杂填土、湿陷性黄土，可采用表层压实法；倘若施工地基是以素填土、湿陷性黄土为主，而这些土质又位于地下水位的上方，也可采用灰土桩、土桩挤密法进行处理；对于由颗粒含量在10%以下的中砂、粗砂所构成的地基土体，可采用振冲密实法进行处理。

2.2 拌入、置换法

对于建筑施工地基的处理，置换法的应用，主要是先行挖除作业面中的不良土质，改换、回填稳定性、空隙率、质量强度较好的碎石、砂子等土料，以保证建筑地基的稳固性，而拌入法的使用，则是根据地基土体的实际情况，有针对性的选择各种化学药剂、胶结硬化材料，将其注入、掺入至松软的地基土中，从而形成一个复合体，从而大幅提高施工地基的整体性、承载力、稳固性，并显著减少压缩量。

在实际进行高层建筑的地基处理时，倘若建筑的实体结构的个别区域、部位座落于基岩上，则可采用褥垫法加以处理；对于杂填土、软粘土构成的地基土体，可采用石灰桩法进行处理；对于抗剪强度在20Kpa以上、排水性较差的黄土、人工填土、粘性土，可采用振冲置换法；倘若施工地基为淤泥地，且厚度较小，一般可采用基于置换法加以处理。此外，还有换土垫层法、EPS超轻质料填土法、化学加固法、砂石桩法等多种处理方式，具体的选择与应用需综合考虑项目施工的整体需要、实际状况。

2.3 排水固结法

对于高层建筑项目的施工，排水固结法的应用，其主要是分别以加压、排水的方式，直接降低地基土体中的水分、减少孔隙，随着时间的延长地基土体将逐渐固结，从而有效减少地基沉降，并大幅提高其质量强度、承载力。堆载预压法是在建筑物施工前, 用其他荷重或堆土的手段对地基进行预压, 从而提高地基承载能力, 减少建筑物建成后的沉降量。为了加速地基承载能力的提高,缩短预压时间,常在地基打入沙井,然后进行堆载预压, 这种方法称为沙井堆载预压法。在实际进行高层建筑项目的施工建设时，倘若遇到的软粘土质的地基结构，则可采用此种方法加以处理。

2 高层建筑基础设计选型条件

施工区域地质条件很大程度上影响高层建筑基础工程设计，为合理选择高层建筑物基础型式，要从多方面进行考虑，确保施工安全，建筑质量符合标准。首先，不同建筑对地基强度要求不同，根据高层建筑特点，保证基础自身强度，实现上部荷载均匀、有效分布，施工质量达标。其次，要保证地基整体坚固，其中包含持力层及下卧层的稳定，以此为前提进行基础设计，从而确保基础的稳定性。在选择基础型式上应一致，不同基础型式不同用于同一建筑物。第三，高层建筑基础设计应考虑其使用功能，以此为指导，合理设计，人防、地下车库或酒吧、商场等全面满足建筑使用功能，都要作为基础设计考虑因素。第四，设计遵循建筑构造要求，制定合理标准，避免建筑物结构缺失。第五，上部结构类型对基础型式要求不同，针对高层建筑物高层上部结构，合理的搭配基础形式，保证整体协调统一。第六，由于高层建筑基础埋置深度要求高，在基础设计时，应对周边进行细致勘探，确保建筑基础施工不会影响周边建筑，勘察是否存在地下水，如果存在，能否造成施工难度增加及工程质量下降的问题产生，全面保证建筑物安全使用。目前，我国高层建筑较为常用的基础类型主要包括以下几种：

（1）嵌岩桩基础。由于上部结构的荷载较大，国内多数高层建筑的基础设计，通常是将较为稳定的微风化岩层、厚度适中的中风化岩层作为持力层，通过地基上方布置嵌岩桩，直接将荷载传递至岩层中，相较于其他基础设计，嵌岩桩的顶端需承受较大荷载，而持力层则不易变形。此外，考虑桩侧与岩土层之间的摩擦力，依据相关公式计算发现，嵌岩桩能够充分满足建筑水平、竖向荷载的要求，此种基础设计的风险较小，具有计算简便、工艺成熟的优点，但却需要一定的施工周期，而桩身检测则需要在施工混凝土的强度充分满足设计标准后进行，整体造价相对较高。

（2）桩筏基础。桩筏基础的基本原理是桩、土在沉降及收缩固结过程中，相互协调达到稳定的平衡状态，筏板底土层与摩擦桩共同承担上部结构荷载。设计时可根据筏板底土层情况，考虑土承担上部结构荷载的比例，但土承担总荷载比例不宜超过25%。通过对筏板的分析，筏板四周的应力最大，因此在设计时在筏板四周应均匀布置桩且桩距应加密，中部各竖向构件桩的布置宜采用梅花形布置。考虑摩擦桩的特点，桩筏基础设计桩直径不宜过大一般以φ800-φ1000为宜。筏板厚度的确定除满足冲切要求外尚需满足抗弯、抗剪的要求，一般说来对层左右的建筑筏板厚度1.8m左右该基础类型对工期投资等没有什么优越性，但对于岩层埋深较深地区高层建筑基础选型还是可行的。在实际进行高层建筑的桩筏基础设计时，不仅需要突出反映筏板、桩顶之间的连接方式、结构形式，同时还需注意这些部位的防水做法，倘若实体建筑的上部结构采用的是剪力墙结构，则需要尽可能的将桩结构安排在墙下，对于心距相对较小的桩基，在条件允许的情况下应尽量采用间隔施工的方法。

（3）筏式基础、天然地基钢筋混凝土块式基础。目前在我国广东地区高层建筑中的应用最为广泛，由于该地区的地质结构为上软、下硬的岩土地层，加上强风化软岩、硬塑残积层的埋深相对较浅，从而可将其作为持力层来设计带有地下室的高层建筑基础。在具体的基础设计中，倘若建筑基础的持力层为天然地基，则需要重点考虑、勘察、验算施工地基的承载力及变形。值得注意的是，对于地基承载力的取值，综合考虑勘探报告与室内土工试验，参考依据、试验结果之间存在一定的出入，应更多的结合压板、标贯试验结果来判断、确定地基承载力的标准值。一般情况下，强风化岩的承载力标准大致在600Kpa左右，而硬塑坚硬残积土在450Kpa到500Kpa之间。对于地基变形的验算，以我国目前地质、工程专业的理论水平来看，仍无法保证验算成果的准确性，实测结果、沉降值存在明显出入，而倘若将压缩模量Es作为标准参数，具体的验算结果将出现更大的偏差。对此，可采用变形模量Eo，虽然计算得出的沉降量相对较大，但却接近于项目的实测结果。总体而言，这两种高层建筑基础设计，具有施工简便、成本造价低廉、施工效率高等优点，在条件允许的情况下，应尽可能的予以采纳。在实际进行高层建筑的基础设计时，倘若采用的是筏板基础结构，则需要着重考虑上、下层钢筋之间的支撑问题。对此，在设计、安排支撑结构时，可采用梅花状的镫筋或常规钢管，同时注意在设计方案中标注、列明筏板封边钢筋的结构形式、施工要求等内容。此外，对于结构厚度在2m以上的筏板，应在其中间区域布置一层构造钢筋；对于筏板结构的角部位置，应以放射状的设计形式增设构造钢筋；最后，在基础集水坑的结构设计中增设抗裂斜筋。

3 实例介绍

本文以东南沿海的某栋民用高层建筑为例，对基础工程的设计与选择作简要的分析、探讨。该项目主体结构设计的地上部分为33层、地下为2层的剪力墙结构，其实际标高设定为131.35m，而建筑基础板的底标高设定在18.3m。项目施工现场的地基土质为花岗岩。

由于该项目的整体设计的荷载较大，在经过与之相应的物理力学计算的前提下，我们发现倘若建筑基础工程的设计采用箱基，就需要保证施工地基的承载力超出700Kpa。与此同时，由于建筑设计带有地下部分，考虑到两层地下室的承载力、稳定性，从而需要保证主楼基底的持力层处于施工地基的花岗岩层内。通过设计单位与各参建单位间的分析、探讨，项目的基础设计可采用桩箱复合基础，具体施工采用的是净长为34.2m的钻孔灌注桩，建筑桩基的布置一共使用了213根桩。在施工现场完成试桩后，从试验、计算结果中发现，复合基桩实际的竖向承载力为7366.1kN。

在实际的施工过程中，受地基中的饱和水影响，桩基自身与项目施工的质量无法保障，加上具体施工的效率较差、进度缓慢，更无法充分满足工程合同中的工期约定。对此，各建设单位组织进行了专业的技术会审，以评定是否需要改换其他类型的基础设计，在实施荷载试验后，就具体结果来看，该项目的基础施工可有效利用天然地基。然而，有关勘察单位所提出的意见是将地基承载力进行划分，分别设定标准值与花岗岩层上半部的荷载值。综合考虑两种意见，各参建单位在总结、分析后，决定在充分满足地基承载力的前提下，改换为箱形基础设计进行施工，而对于地基承载力的考虑则是以776kN/m2为标准，同时将箱基底板高度增大7-8m进行施工。

基于上述方案，通过长时间的观测发现，该民用高层建筑在整个生产周期内，实际的最大沉降量为44.2mm，充分符合我国相关规范、标准中的沉降量要求。

4 结束语

综上所述，高层建筑的自重、荷载相对较大，对于基础工程、施工地基的质量强度、承载能力有着一定的要求，若要从根本上保证实体建筑的可靠性、耐久性、稳定性，就必须在具体的设计、施工中，加强重视岩土勘察工作，深入了解、掌握地基土体的特点性质、内部构造，结合项目自身的设计要求、施工标准，有针对性的选择地基处理方法，并经过系统的分析、验算，确定最佳基础设计方案，从而为后续的整体施工及使用打下良好基础。

参考文献

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