高层建筑基础设计探讨

高层建筑基础设计探讨

孙健

关键词：高层建筑；基础设计；基础选型；注意问题

一、前言

所谓基础设计，就是在工程施工之前，所要做的基本准备，为方便工程施工打下基础。对高层建筑的基础设计进行研究探讨，是我国城市化进程中必不可少的一步。分析问题因素，提出解决方案，对整个建筑工程的效益都有很大意义，有研究的必要。

二、高层建筑基础设计概述

1.高层建筑基础设计的重要性

由于高层建筑物的荷载较大、质心高，基础底面一般会有偏心，在沉降的过程中，高层建筑物的总重量对基础底面形心会产生新的倾覆力矩增量，这种倾覆力矩增量会产生新的倾斜增量，倾斜会随之不断增长，直到地基变形稳定为止，为此，设计人员一定要加强高层建筑的基础设计。为了避免基础产生倾斜，应该依据《高层规程》中的相关规定，采取措施对偏心距进行限制，如果地基比较均匀，筏形基础和箱型基础的平面形心最好与建筑物的上部结构竖向永久荷载重心相重合。对于高层建筑物中的端承桩基和低压缩地基的基础，可以适当放宽偏心距的限制。

高层建筑基础类型的选择没有固定的模式，设计单位要从建筑物自身的特点出发，实事求是，综合考虑建筑物的上部结构要求、抗震设防要求、工程地质情况、施工场地以及周围的建筑物等环境条件，对各种基础设计方案进行比选，优先选择可以满足建筑物地基承载力、整体性较好并且可以调节不均匀沉降的基础形式。

2.高层建筑基础设计要点

高层建筑与一般的多层建筑相比较，在建筑的基础设计方面有共性的一面，也有个性的一面。对高层建筑而言，建筑物的层数较多、建筑物的上部结构荷载较大、对地基承载能力、压缩性、稳定性等要求较高等因素，使得高层建筑物的基础施工具有周期长、用材多、难度大以及工程造价较高、对周围环境的影响大，受地质条件和周围环境约束大等特点，因此高层建筑的基础设计应该要注意以下几方面的问题，首先，严格依据法律法规和规范、规程要求进行设计，要保证满足复合地基承载力以及桩基承载力的要求；其次，控制高层建筑物的基础总沉降量与差异沉降量在规范允许的范围之内，确保建筑物的施工和使用安全；另外，设计人员要综合考虑经济效益，包括基础的造价、用料，以及降水、工地条件和建设工期等因素。

3、高层建筑基础设计的模型

从我国的地理环境上分析，很多的软土、液化土等分布在城市房屋建设的地带上，给高层建筑的基础设计带来了更多的挑战和难题。当前我国的设计规范还没有统一，因此必须借助模型的帮助，来为设计师做出各种精确计算，确保基础设计的正确性和稳定性。当前最常使用的地基基础计算的模型工具为文克尔模型和弹性半无限体模型。

文克尔模型主要针对基底反力与变形的线性关系进行系数计算。弹性半无限体模型将地基作为弹性连续介质，考虑到土的扩散能力。设计师普遍对文克尔模型的接受度较高，而弹性半无限体模型由于计算起来较复杂，在实际的基础设计中并不是很实用，接受度较低。其中需要注重指出的是，虽然地基受到重力的作用可以被看做弹性匀质体，但是一些特殊的软土质结构在建筑上部的重压下，也会产生一定的变形，因此不能够按照静态来分析情况。

上面介绍的两种模型虽然存在着些许的不足，无法计算出最科学、最合理的结果，因此，当务之急是研制和开发新的计算模型，解决当前基础计算中的偏差。

三、高层建筑基础选型

在高层建筑基础设计中，常用的基础类型有嵌岩桩基础、天然地基钢筋混凝土块式或筏式基础以及桩筏基础等。在基础选型时必须考虑建设场地的地质条件，合理选择基础持力层，同时还应考虑施工周期，工程投资等综合因素。

1、嵌岩桩基础

如图1所示，在高层建筑基础设计中，由于上部结构传至基础的荷载大，故常用的设计方法是选择以一定厚度的中风化岩层或稳定的微风化岩层作持力层，通过嵌岩桩将上部结构荷载传至岩层。采用嵌岩桩基础持力层变形几乎趋向于零，桩尖承载力大，同时还可考虑桩侧与土的摩擦力，按经验公式计算，单桩承载力高，较容易满足上部结构荷载对基础承载力要求，且设计计算简单，但亦存在着施工周期较长，特别是桩施工完后要等桩的混凝土强度达到设计要求的强度时方可对桩身质量进行检测，对施工工期有一定的影响，工程造价也略微偏高。

2、天然地基钢筋混凝土块式或筏式基础

我国广东省部分地区由于特定的地质历史条件，形成了一种典型的上软下硬的岩土地层，该地层结构硬塑残积层或强风化软岩埋深较浅，较为适合选择作具有两层地下室的高层建筑基础持力层。选择采用天然地基作基础持力层时，需特别注意考虑地基承载力确定及地基变形验算问题。天然地基块式或筏式基础具有施工方便、工期短、节约投资等优点，建议设计人员在条件允许情况下尽量选用。如图2所示：

3、桩筏基础

在我国沿海城市如上海、海口、汕头等，其岩土地层结构的特点是基岩层埋深较深，嵌岩桩基础几乎无法实施，只能采用摩擦桩基础，但摩擦桩承载力较低，不一定能满足高层建筑上部结构荷载对基础承载力的要求，因此桩筏基础是这部分地区高层建筑基础设计的重要选择。桩筏基础的基本原理是桩土的协同工作，桩与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。

四、高层建筑基础设计注意的问题

1.桩基础

（1）桩的布置

桩的布置要严格按规范要求进行。首先，布桩时最好使每个桩承台承载力合力点与相应的竖向永久荷载合力作用点重合，并使桩基的水平力产生的力矩较大的方向有较大的抵抗矩；其次，等直径的桩的中心距不应该小于3倍桩横截面的直径或者边长；扩底桩的中心距不能小于扩底直径的1.5倍，并且两个扩大头之间的净距不能小于1000mm；再次，柱顶嵌入承台的长度，对中等直径的桩应该大于50mm，对于大直径的桩应该至少大于100mm，混凝土桩的桩顶纵筋要伸入承台内部，并且锚固长度大于35d；最后，对于平板式桩筏基础的桩要尽量布置在墙下或柱下，必要时也可以满堂布置，而且核心筒下一定要适当地增加布桩的密度；对梁板式桩筏基础的桩则应该布置在基础梁下或者柱下。

（2）承台的构造

为了确保高层建筑物的基础设计质量，桩基承台的构造要注意以下几方面内容。桩基承台的构造，在满足抗剪切、抗冲切、抗弯承载力和上部结构的要求之外，承台的宽度应该大于500mm，承台的最小厚度要大于300mm。对于矩形承台，要注意钢筋双向均匀布置，间距不宜大于200mm，承台梁的主筋在满足计算要求之外，还要符合混凝土结构设计规范中的相关规定，如纵筋直径不应该小于12mm，箍筋直径应该至少6mm等要求。

2.筏形基础

（1）当高层建筑物的地基较差，而且柱荷载以及柱间距变化较大时，筏板内力按弹性地基板进行分析；但是当地基比较均匀，并且上部结构刚度较好，上部结构柱间距与柱荷载的变化不超过20%时，高层建筑的筏板基础一般只考虑局部的弯曲作用、按倒楼盖法进行计算，地基反力可以视为均布，并注意扣除地面自重以及底板自重。

（2）筏基设计时应注意如下问题

应尽量使上部结构的荷载合力重心与筏基形心相重合，从而确定底板的形状和尺寸；当需将底板设计成悬挑板时，要综合考虑各种因素以减小基础端部基底反力过大而对基础弯矩的影响。有肋梁的筏基宜将梁一同挑出；底板厚度由抗冲切和抗剪强度验算确定。

五、结束语

我国城市化的快速发展，对高层建筑的使用需求量不断增多，要想建筑物保质保量的完成，首先就要进行高层建筑基础设计。进行这项设计需要有一批专业人士，对高层建筑基础设计中的一些常见问题进行分析，研究解决问题的方法，合理设计有效的基础设计方案，为提高后期施工进程、工程质量、安全保障、经济效益等做好策划。

参考文献：

[1]建筑地基基础设计规范，GB50007-2002.

[2]JGJ6-88，高层建筑箱行与筏行基础设计[S]

[3]洪晏.高层建筑基础设计的探讨[J].山西建筑，2008，30：25-26.