高层建筑结构设计中地基基础方案选型探讨

李峰

摘要：本文主要针对高层建筑结构设计中地基基础方案的选型展开了探讨，通过结合具体的工程实例，对基础形式方案作了详细的阐述，并分别对比了三种基础方案，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。

关键词：高层建筑；结构设计；地基基础；方案选型

0 引言

地基基础设计是建筑工程结构设计的关键组成部分，要做好地基基础的设计，就必须依照上部结构条件和工程地质条件，结合工期、施工条件、造价等方面的要求合理选择方案，因地制宜，以确保建筑物的安全和正常使用。基于此，本文就高层建筑结构设计中地基基础方案的选型进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定帮助。

1 工程概况

某办公楼地上14层，地下2层，标准层层高为4.2m，建筑总高度67m。根据建筑使用功能要求，本工程主体结构采用框-剪结构体系，地震设防烈度是7度，制定地震基本加速度是0.1g，地震分组为第三组，建筑抗震设防类别为乙类，抗震等级为框架二级，剪力墙二级，场地类别为Ⅱ类，基本风压为0.7kN/m2。

2 工程地质情况

2.1 场地岩土层分布情况

根据本工程钻探揭露，本场地内地层结构自上而下依次为：①粉质粘土：灰褐色，湿，呈软塑-可塑状态，层厚2.00～3.00m；②淤泥：深灰色，饱和，呈流塑状态，层厚3.10～7.80m；③卵石：灰黄色，饱和，呈稍密-密实状态，层厚6.30～8.20m；④凝灰熔岩残积砂质粘性土：灰黄色、黄白色，湿，呈可塑-硬塑状态，层厚2.20～12.70m；⑤全风化凝灰熔岩：灰黄、灰白色，凝灰质结构，散体状构造，层厚8.00～14.30m；⑥-1砂土狀强风凝灰熔岩：褐黄色，凝灰质结构，散体状构造，层厚4.70～10.10m；⑥-2碎块状强风化凝灰熔岩：褐黄色，凝灰质结构，碎裂状构造，层厚2.60～13.10m。

2.2 水文地质条件

根据本工程勘察期间所进行的地下位测量，场地内地下水的初见水位埋深为0.52-1.52m，地下水混合稳定水位埋深在0.19～1.39m，高程在4.28-4.74m，场地内地下水主要赋存于③卵石、④凝灰熔岩残积砂质粘性土、⑤全风化凝灰熔岩、⑥-1砂土状强风凝灰熔岩、⑥-2碎块状强风化凝灰熔岩的孔隙裂隙水，各土层地下水水力联系较密切，地下水类型为承压水，其补给来源主要为大气降水、地表水的垂向渗透补给及相邻含水层侧向径流补给。根据场地地质条件和气候特征，本场地环境类别属于II类，受地层渗透性影响，对混凝土结构腐蚀性评价属A。

2.3 水文地质条件对基础选型的影响

虽然本工程勘察时未发现危及拟建场地稳定性的活动断裂、滑坡、地面沉降、岩溶、崩塌和危岩、泥石流等不良地质作用，但是场地中分布有淤泥（地下室开挖时大部分将被挖除）、残积土、风化岩属于特殊性岩土，淤泥属软弱土，在外加荷载作用下易产生压缩变形，对桩基等基础形式会产生负摩阻力的影响，应采取相应措施，风化岩遇水则有崩解软化、强度降低等特点，对本工程所基础选型有较大影响，增加了本工程基础选型及设计的难度，在设计和施工时应考虑不良地质和其地下水的作用效应。

3 基础形式方案

3.1 桩基础

建筑桩基础的主要特点是承载力高、稳定性好、沉降稳定速度快、沉降变形小，能够抵抗上部结构的上拔和水平力的作用，同时能够解决地基震动液化现象，利于机械化施工，可以应用于各种复杂的地质条件。特别是当地基的近表层较软弱而在桩基端部所在的深度处有坚硬的地层时，最适宜采用桩基础形式。具体地说，其主要适用于以下情况：

（1）建筑地基不允许有过大的沉降或不均匀沉降的高层建筑以及其它主要的较高大建筑物；

（2）重型的工业厂房以及荷载很大的工业建筑物，如料仓、仓库等；

（3）具有软弱地基或某些特殊性土的各类永久性建筑；

（4）承受较大的水平力和力矩的高耸结构物（如烟囱、水塔、信号塔等）；

（5）针对某些地下水位或地表水位较高而且施工排水较困难的条件的建筑物；

（6）需要削弱其动力响应的动力机器的基础以及需要把桩基础作为抗震措施的建筑物。

然而桩基础属于建筑工程的地下隐蔽工程，特别是预应力管桩（PHC管桩），施工过程中常易出现断桩、过大的挤土效应等影响桩身结构完整性和单桩承载力的强度，甚至导致周边建筑物开裂的事故，从而造成基础工程的不利安全隐患。所以桩基础的施工质量也是采用桩基础与否重要的影响因素。

本工程作为高层建筑，可将桩基础作为备选方案，主楼内采用管桩PHC500-125-AB，桩数235根，平均桩长26m，桩径500mm，承台高度2000～2300mm，持力层为⑥-1砂土状强风凝灰熔岩，其可行的基础形式如图1所示。

图1 备选桩基础形式

3.2 筏板基础

筏板基础是用底板通过连接结构连成整片形式的基础，亦可称为筏形基础、片筏基础、满堂红基础等。其既可应用于建筑墙体之下，也可用于建筑柱体之下。按其结构形式可以分为梁板式和平板式两类。由于筏板基础能够以其较大的片状板体覆盖于建筑物地基之上，因而其明显特点是其具有较大的面积和完整的平面连续性，不仅能够满足软弱地基承载力的要求，可以较大地减小地基的附加应力，而且具有其它基础所没有的功能，如：①能够跨越地下浅层的小洞穴和局部的软弱层；②可以提供比较宽敞的地下使用空间；③可以作为油库、水池等的防渗底板；④能够适应于在其上进行的连续作业工艺以及设备重新布置的空间要求；⑤可以增强建筑物的整体抗震性能；⑥对需要地下室或架空地板的筏板基础还具有一定的结构补偿功能。

不过也正是由于上述的特点，也同时给筏板基础带来一定程度的不足：由于其具有较大平面面积，而厚度上却不可能做得非常厚，造成其抗弯刚度较小，不能调整由于地基不均匀沉降造成的过大沉降差异，特别是对于那些土体与岩体结合的软弱明显不均的地基，则需要进行局部处理后才可进行选用；由于它的连续性，在局部荷载作用下，既要配置有正弯矩钢筋，也要配置有负弯矩钢筋，并还需配置有一定数量的构造钢筋，才能满足承载力的要求。因此，其经济指标也相对较高。

3.3 桩筏基础

由于建筑工程中桩筏基础的整体性好、整体刚度大、竖向承载力高、基础沉降量小以及调节不均匀沉降的作用明显的优点，同时能够承受由于风荷载或地震荷载引起的水平力，而且其抗倾覆能力强、与上部结构作用协调性好、安全性好，是高层建筑地基基础的工程设计中经常大量选用的方案。特别是在软土以及地震设防等级较高的地区，其应用前景十分广阔。

桩筏基础的主要特点为：①单桩承载力较高、传力直接，

可布设于墙柱下，建筑物上部结构80%以上的竖向荷载可由桩来承担，而桩间土只需承担很小部分的竖向荷载；②由于桩与筏板形成一个整体，共同作用，基础刚度大，其调节不均匀沉降的能力强；③桩筏基础可以发挥桩和筏板互补的优势，由于筏板的刚度较大，可以跨越地下浅层小洞穴或局部软弱层，具有良好的整体性，同时可以有效避免桩基础因桩端持力层处存在溶洞、裂隙等的缺陷影响上部结构的稳定，故可以克服钻（冲）孔灌注桩、人工挖孔灌注桩以及预制桩施工方面的不足。

根据本工程的工程特点，可将桩筏基础作为备选方案，主楼内采用冲（钻）孔桩，桩数为34根，平均桩长26m，桩径为1000mm，持力层为⑥-1砂土状强风凝灰熔岩；大筏板1800mm厚，持力层为③卵石。

4 三种方案分析对比

从以上各种方案的优缺点分析可以归纳为以下四方面进行对比分析。

4.1 合理性对比分析

根据本工程的工程概况和地质勘察情况可知，对于受到不良地基和地下水影响的高层建筑难以单独采用桩基础和筏板基础的形式，对于桩基础可能存在较大的挤土效应，基础整体刚度较差等问题，而筏板基础则存在抗弯刚度过小、地基不均匀沉降影响较大等问题，如果将二者结合则可解决两者的不足，具备较大的整体刚度、控制沉降量及满足一定的竖向承载力的要求。

4.2 基础沉降分析

本工程地基土的压缩层厚度变化很大，这是引起地基不均匀沉降的不利因素，因此基础形式的选择直接影响着地基不均匀沉降的程度。由于桩基础的入土深度较大，具有较高的承载能力，其总体沉降量较小；筏板基础由于对软土地基的改善效果较差，不均匀沉降较明显，其总体沉降量较大；桩筏基础结构较为优化，整體性较好，其沉降量比以上两种基础都要小得多，因此本工程采用桩筏基础将具有较大的优势。以上三种不同的基础形式的沉降特征如表1所示。

4.3 经济性对比分析

根据当地预算定额及有关预算规定，对以上三种基础形式综合造价比较如表2所示。

通过表2可以看出，筏板基础造价最低，桩筏基础造价最高。桩基础在三种基础中造价适中，但桩基础（PHC管桩）作为挤土桩，可能存在无法满足桩长控制的要求，需要在压桩时引孔，增加额外的费用。筏板基础虽然造价最低，但基于其不均匀沉降较为明显，需采取一定的措施（如打桩）来克服不均匀沉降，因此桩筏基础便成了本工程相对最佳的基础形式。

4.4 施工难度分析

对于桩基础，其结构简单，便于机械化施工，施工难度较小，可以做到标准化施工；而筏板基础具有较好的连续性，可直接在基础上现浇施工，施工工序较少，难度较小；对于桩筏基础，由于结合了桩基础和筏板基础，其施工工序较多，施工难度相对较大。

5 结论及基础选型的注意事项

虽然桩筏基础中桩-土-筏共同作用机理非常复杂，设计施工难度相对较大，使得设计施工人员不易于采用，但桩筏基础具有承载力高、整体性好、沉降量小、工期短等优点，从概念和理论上讲，针对岩溶地区或软土地区等复杂地质状况的高层建筑，则桩筏基础仍是一种技术先进和安全可靠的基础型式。因此本工程最终采用桩筏基础的方案。

对于建筑工程的基础选型过程中必须注意以下几个方面的问题：

（1）建筑基础选型必须根据地基情况和上部结构进行综合考虑，对多种方案比较后确定最佳的设计方案；

（2）建筑基础选型应进行技术可行性分析、经济性对比，达到技术先进、经济合理，施工可行的目的；

（3）建筑基础选型时，地基、基础及上部结构应能够协调，进行整体性考虑，以防止出现安全隐患或造成经济损失。

6 结语

综上所述，为了保障高层建筑的施工质量，在施工前，设计人员必须要在熟悉掌握高层建筑的选型基础上，充分考虑建筑的成本、稳定性、功能性及耐久性，选取优秀的地基基础方案，以正确指导建筑的施工，确保建筑的顺利施工和完工。

参考文献：

[1]陶忠、张耀春、韩林海、王光远.关于高层建筑结构选型设计的初步探讨[J].哈尔滨建筑大学学报.2000（01）.

[2]徐健.浅析某多层建筑地基基础方案选型[J].科技创新导报.2013（30）.