多高层建筑地基基础设计方案浅议.docx

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多高层建筑地基基础设计方案浅议

多高层建筑地基基础设计浅议

摘要本文简单介绍了几种常见基础类型的选择原则和设计方法，供设计同行们借鉴和参考。

关键词独立柱基筏形基础桩筏基础

一.概述

随着社会的发展,多高层建筑越来越多,多高层建筑地基基础费用在整个工程工程总造价中占有很大的比例,基础工程所耗费的钢材、混凝土用量多,施工难度大。

一般情况下基础工程造价占土建工程总造价的20%左右，工期占土建工程的20%~30%，当地质条件复杂时，其造价和工期所占比重还会增加。

多高层建筑地基基础不同方案的选择与工程造价关系极大，为节约投资，应该对地基基础进行多方案比较，优化设计。

二.多高层建筑地基选择

一般来讲，多高层建筑宜优先考虑采用天然地基，有利于方便施工，缩短工期，节省造价；当天然地基的变形和承载力不能满足要求时，可结合工程实际情况和当地地基处理经验及施工条件，优先考虑采用CFG桩等复合地基，采用复合地基与一般桩基相比可节约造价30%以上；当复合地基也不能满足变形及承载力要求时，应采用桩基方案，至于具体采用哪种桩基形式，均应根据工程实际和当地具体情况进行不同的选择。

三.多高层建筑基础选型及设计

多高层建筑的基础选型，应综合考虑建筑场地的地质状况及水位、上部结构类型、使用功能、施工条件以及相邻建筑的相互影响，应选用整体性好、能满足地基承载力和建筑物容许变形的要求，并能调节不均匀沉降，达到安全实用和经济合理的目的。

下面对多高层建筑几种经常用到的基础类型的选择及设计作一些简要的分析。

1.独立柱基

多层建筑，当地基土较好承载力较大时，宜优先考虑采用独立柱基，因为此做法土方量少，方便施工，造价低，如果有地下室且地下水位较低，可采用独立柱基加抗水板，这种结构形式传力明确且工程费用节约。

独立柱基在进行内力及配筋计算时，以轴压柱为例，计算简图如下：

而实际上由于土体局部承压提高了承载力，独立柱基范围内的地基反力分布是不均匀的，力是沿着最短的路径传递，而且刚度大的部分传的多，即捷径传递和刚度集聚，造成了冲切破坏锥体以内部分的地基反力集度高，冲切破坏锥体以外部分地基反力下降，地基土的刚度越大，下降的越多，如为软弱地基，地基反力的分布几乎是均匀的，如为岩石地基，锥体内外反力分布极其悬殊，一般地基介与软弱地基与岩石地基之间[1]。

如下图所示：

这种实际上的内力分布图使得独立柱基内力计算结果要小，对冲切计算也有利。

独立柱基底板的边长大于等于2.5m时，在该方向的钢筋长度可减短10%，并交错布置，如下图所示：

独立柱基的截面通常是台阶形或坡形，边缘高度一般取200mm,而柱或墙边的高度根据荷载不同而出入很大，如果按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）要求的最小配筋率配筋，取边缘高度还是最大高度或平均高度进行计算，配筋量有很大不同，规范中对此问题没有明确规定，《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》8.3.5条规定，当基础受力钢筋实际配筋量比计算所需多1/3以上，且满足直径不小于10mm,间距不大于200mm的配筋构造要求时，可不受国家标准最小配筋率的要求。

2.筏形基础

高层建筑工程设计中，常遇到这样的地质情况，地下室底板下的岩土层为风化残积土层、全风化岩层、强风化岩层或中风化软岩层，因此有可能采用天然地基。

高层建筑地下室通常作为地下停车库，机电用房等，建筑上不允许设置过多的内墙，因而限制了箱形基础的使用，筏板基础既能充分发挥地基承载力，调整不均匀沉降，又能满足停车库的空间使用要求，因此就成为比较理想的基础型式，且筏形基础和周边的钢筋混凝土外墙相结合，整体刚度也很大，因此在现在的高层建筑基础设计中，没有必要刻意要求采用箱形基础。

筏板基础主要构造形式有平板式筏基和梁板式筏基，当建筑物层数较多，基底反力很大时，宜优先采用平板式，采用梁板式筏基，基础梁截面大，必然增加基础埋置深度，当水位高时更加不利，梁板的混凝土需分层浇注，梁支模费事，因而增长工期，综合经济效益反而比平板式差。

高层建筑的筏板基础，以往不少结构设计人员认为梁板式筏基比平板式筏基经济性好，如仅从结构专业考虑此概念是对的，但从多项工程实际测算比较，考虑层高、土方、护坡、墙柱高度、防水、基础梁间回填材料、工期等诸多方面，综合造价平板式筏基比梁板式筏基低[2]。

现有的一些资料表明，目前工程实际中，许多高层基础筏板内钢筋实际受力，都远远小于实配钢筋的强度设计值[3]，某些工程中实测到的钢筋应力，仅为其屈服强度值的1/4~1/10[4]，基础内钢筋承载能力远远没有发挥出来。

出现这种基础底板内力远远小于常规计算方法的因素很多，如在基础底板施工时，只有底板的自重，且无任何上部结构的边界约束，而混凝土的硬化收缩力大，在底板的收缩应变过程中，使混凝土中的纵向钢筋产生预压应力，从而在正常工作状态下抵消了部分拉应力，使钢筋受力变小；另外基础底面和地基土之间巨大的摩擦力起着一定程度的反弯曲作用，使基础底板的内力和挠曲率会相应减小；再有天然地基设计承载力按平均值取用，而实测基底反力表明，由于土体局部承压提高了承载力，在柱和墙下的反力比平均值大得多，如下图所示：

根据结构力学原理，此时计算出的基础底板反力比假设基底为平均反力情况下要小。

除上述因素外，最主要的就是上部结构和地下室整体刚度的贡献，并参与了基础的共同抗力，起到了拱的作用，从而减小了底板的挠曲和内力。

还有由于地下室具有一定的埋置深度，周边都有按设计要求夯实的回填土，地下室外墙的被动土压力限制了基础的摆动，而其与周边回填土的摩擦阻力平衡了部分建筑物的自重，使得基础底板的压力分布趋于平缓和减小。

鉴于高层基础筏板有很大的内在潜力，在具体工程工程的设计中，必须细心把握，否则则基础截面和配筋量都比实际所需的大得多，造成很大的浪费。

现在采用的有关基础计算软件，不同的软件对相同工程计算结果不一致，有的相互间差的较大，可以采用所得内力小的软件的计算结果，按计算结果不宜再放大，筏板的裂缝没有必要计算，双向板的裂缝实际无法计算，还有实际应力比计算其实小很多。

当平板式筏基采用倒楼盖经验系数法计算时，柱下板带和跨中板带的弯矩值均比JCCAD基础软件计算出的结果要小。

当对平板式筏基按照无梁楼盖经验系数法进行设计时，由于a.平板式筏基和地基共同作用，与一般无梁楼盖受力显然不同，b.无梁楼盖的板厚比较薄，平板筏基则一般比较厚，如果再套用薄板理论计算，并根据薄板理论计算结果直接配筋显然不妥。

根据以往的工程经验，可以采用如下原则进行设计[5]：

a.考虑其受力特点，平板式筏基仍采用无梁楼盖经验系数法计算，但最后的弯矩结果均乘以折减系数0.8后再进行基础底板的配筋。

b.当平板筏基的厚度不小于跨度的1/7~1/8时，对带柱帽平板1/10~1/12时，筏基配筋不再区分柱下板带和跨中板带，一律平均配置，以方便施工。

3.桩筏基础

高层建筑桩筏基础受力情况非常复杂，对于其准确的内力计算非常困难，有关的国家规范、各地方的标准均未对高层建筑桩筏基础承台板的计算方法进行详细规定，一般仅笼统的提示采用考虑地基-基础-上部结构共同作用的电算法或倒楼盖法等简化计算，倒楼盖法等简化计算一般仅考虑局部弯矩，应用时有很大的局限性，而考虑地基-基础-上部结构共同作用的电算法虽然可行，但计算工作量大，且因各分析软件对上部结构刚度、节点约束等处理的不同，经常导致不同软件计算结果差异很大，因此高层建筑桩筏承台板的计算是一个十分重要但至今仍未很好解决的问题，目前各设计院均采用计算机进行内力分析，再用传统方法进行复核。

筏形基础下桩的布置，宜优先考虑布置在墙下、梁板式筏形基础的梁下或平板式筏形基础的柱下，以减少承台筏板的厚度以及内力。

针对高层建筑桩筏基础传统设计方法带来的碟形差异沉降问题和主裙楼的差异沉降问题，新的行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）提出了变刚度调平设计新概念，其基本思路是：

考虑地基、基础与上部结构的共同作用，对影响沉降变形场的主导因素—桩土支撑刚度分布实施调整，“抑强补弱：

，促使沉降趋向均匀。

具体而言，包括高层建筑内部的变刚度调平和主裙房间的变刚度调平，对于前者，主导原则是强化中央，弱化外围，对于荷载集中，相互影响大的核心区，实施增大桩长或调整桩径、桩距；对于外围区，则减少布桩，布较短桩，发挥承台承载作用。

调平设计过程就是调整布桩，进行共同作用迭代计算的过程。

对于主裙楼的变刚度调平，主导原则是强化主体，弱化裙房，裙房采用天然地基是首选方案，必要时采取增沉措施，当主裙楼差异沉降小于规范容许值时，不必设沉降缝，甚至后浇带也取消。

在桩直径大小的选择上要进行研究分析，对于摩擦型桩，应尽量选择混凝土体积小而表面积大的桩径，如Φ800mm的桩每立方M混凝土可提供5m2/m3表面积，而Φ1000mm的桩每立方M混凝土只能提供4m2/m3表面积，因此对摩擦型的小直径桩每立方M混凝土可提供的桩基承载力要比大直径桩大，相应造价就低。

当选用钻孔灌注桩基础方案时，如果条件允许，宜优先考虑采用后注浆技术，可以提高单桩承载力，减少基础沉降量，普通灌注桩的桩端沉渣现象也不复存在。

钻孔灌注桩后压浆技术目前在工程中已经得到了广泛的应用，取得了良好的效果。

四.结束语

以上对几种常见的地基基础类型简要进行了分析，并提出了设计上的一些建议，供同行们借鉴和参考，限于作者水平，有不当或错误之处，欢迎指正。

参考文献

[1]李华亭王立超李鑫李健柱下基础设计新思路

《第二十届全国高层建筑结构学术交流会论文集》P991~996

2008年6月

[2]李国胜多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造P47~482008年12月

[3]兰倩杜永峰高层建筑筏形基础受力实验研究及拓扑优化

《第十八届全国高层建筑结构学术交流会论文集》P1054

2004年10月

[4]李华亭张冬云岩土地基中高层建筑地下室的设计

《第十七届全国高层建筑结构学术交流会论文集》P658

2002年11月

[5]金来建刘茵大型建筑群地基基础设计中若干问题的探讨

《第二十届全国高层建筑结构学术交流会论文集》P948~951

2008年6月

[6]建筑地基基础设计规范GB50007-2011中国建筑工业出版社2011年

[7]混凝土结构设计规范GB50010-2010中国建筑工业出版社

2010年

[8]李国胜混凝土结构设计禁忌及实例2007年1月

[9]李国胜多高层建筑基础及地下室结构设计2011年9月