浅析高层建筑地基基层的特点、设计和施工

浅析高层建筑地基基层的特点、设计和施工
杜丽华
【摘要】高层建筑地基处理主要解决地基的承载力和变形问题，其设计需采用承载力和变形双控进行设计。合理方案的实施，还取决于对施工过程的质量控制。地基处理施工需采用信息化施工管理，对施工全过程进行信息采集。通过对信息的分析，及时发现问题、解决问题，才能确保超高层建筑地基处理的施工质量。
【关键词】高层建筑地基基层设计施工
近年来随着我国经济的发展和人口的增长，城市建筑用地更加紧张，高层建筑迅猛发展，对地基承载力的要求越来越高，高层建筑几乎成为现代化城市的象征。高层建筑地基处理主要解决地基的承载力和变形问题，其设计需采用承载力和变形双控进行设计。在设计中需考虑周围环境对建筑物可能产生的影响．如是否存在相邻建筑产生的应力叠加，是否存在相邻埋深更大的地下车库，是否存在建筑物的荷重偏心等问题。确定合理的地基处理方案是至关重要的，但是合理方案的实施，还取决于对施工过程的质量控制。地基处理施工需采用信息化施工管理，对施工全过程进行信息采集。通过对信息的分析，及时发现问题、解决问题，才能确保超高层建筑地基处理的施工质量。本文就高层建筑的地基基层的特点、设计和施工进行探讨。
1、高层建筑地基基层特点
高层建筑与一般中低层建筑在地基基础方面相比主要特点是：工程造价比较高，基础方案的选择需要更准确可靠的工程地质勘察资料和更全面深入的分析比较，才能作出既符台安全质量要求，又经济合理的地基评价和设计处理方案；对地基承载力的要求比较高，除了垂直荷载比较大以外，还要考虑抵抗水平风力和地震力的稳定性；对不均匀沉降比较敏感，受压层深度比较深，需要更确切的变形指标和计算方法；基础埋深或要求处理地基的深度比较大，与现有施工条件及设备、材料的关系比较密切。
因此，高层建筑地基基础方案的选择是关系到整个工程的安全质量和经济效益的重大问题，也是牵涉到工程地质条件，建筑物类型性质以及勘察设计与施工等条件的综合课题，常常需要长时间的调查研究和多方面的反复协商才能最后定寨，类似地区，特别是当地的已有建筑经验和工程实录在这方面具有特别重要的参考价值。另外，由于问题的复杂性和当前的理论研究尚未成熟到能够准确地预计各种变化因素的影响程度，因此系统和完整的工程实录资料还能起到验证各种已有理论假设和出现新问题的重要作用。
2、高层建筑地基基层设计因素和要求
影响高层建筑设计的因素很多，很复杂，如结构上的作用、岩土工程勘察资料、抗震设防要求、上部结构类型、地下室层数、建筑竖向布置和平面布置(主楼与裙房)。要依据这些因素全面分析地基基础设计的安全性、合理性及经济性。特别应该强调的是，岩土工程的勘察报告必须真实可信，这是地基基础设计的最基本依据。
高层建筑地基基础设计的要求比较严格、复杂，涉及的问题很多，如要保证地基的稳定性，结构的整体稳定性，结构的整体抗倾覆，结构抗滑移，天然地基的竖向承载力，桩基的竖向承载力和抗震水平承载力，天然地基的变形计算、桩基的沉降计算和水平变位的计算，基础结构的承裁力计算，基础结构的变形、抗裂、裂缝宽度的计算。特别要强调的是这些设计要求，一方面要在定性设计即概念设计方面满足要求，另一方面需要进行复杂的精确计算满足承载力和变形的要求，在计算机广泛应用的今天，以变形控制设计地基基础是完全有可能的。
地基基础的设计应满足下列三项基本要求。一是要求作用于地基的荷载不超过地基的承载力，对防止地基土剪切和丧失稳定性方面有足够的安全性；二是应控制地基的变形量，使之不超过建筑物的地基变形允许值，以免引起基础不利截面和上部结构的损坏、或影响建筑物的使用功能和外观；三是基础的型式、构造和尺寸，除应能适应上部结构、符合使用要求、满足地基承载力(稳定性)和变形要求外，还应满足对基础结构的强度，刚度和耐久性的要求。
高层建筑的上部结构具有较大刚度，并且与基础和地基三者同处于一个完整的共同作用体系。由于以前设计计算手段的限制，在分析高层建筑的基础结构时不考虑共同作用，用常规的基础设计方法(忽略上部结构作用)来设计基础结构。显然，常规的基础设计方法是和上部结构、基础与地基三者结合一个整体这个事实不符合的。多年来，大量建造高层建筑的丰富实践，高层建筑地基基础的现场测试研究，以及计算机与计算机技术的迅速发展，才为解决高层建筑与地基基础的共同作用分析提供了可行性。目前，把上部结构、基础和地基三者结合一体进行整体分析的思想，日益受到工程技术人员的重视和采纳。各种计算程序和计算方法的相继提出。然而，整体的分析对计算机容量提出较高的要求，为减少计算机的储存问题，目前已有一些方法，例如子结构方法、波前法和分块求解法等，对于高层建筑与地基基础共同作用的整体分析，以子结构法较为有效。它不仅解决大型结构与计算机的储存量问题，而且可以反映施工期间结构逐层增加，荷载与结构刚度的实际变化及其对共同作用结果的影响。在耦合各个不同结构单元体系等方面，均有独特之处。
3、高层建筑地基基层施工工艺
在高层建筑基础施工中，由于上部传来的荷载非常巨大，少则几百吨，多则上万吨，要承担如此巨大的荷载，一般的地基是难以承担的，而对于软弱地基就更不可能了，因此，对地基进行加固处理，以达到设计地基极限承载力及沉降的要求，就显得非常重要。在目前技术条件下，可供选择的方案很多，如打桩 (钢板桩、混凝土预制桩、沉管混凝土灌注桩等)基础换填土、整体式基础等，究竞选择那种方式，要根据工程地质特性，业主经济能力，设计部门的能力经验，工程所在地区的经验习惯，施工单位能力 (施工单位往往对某一专业实力较强)等进行选择。而在诸多方案中，预制桩和混凝土灌注桩方案被较多采用，但不论采用何种方案，必须考虑技术与经济的最佳结合，也就是既要讲究技术方案的可靠性，又要力求技术方案的经济合理性。
影响整体倾斜的因素比较复杂，主要与荷载偏心，相邻建筑物的影响及施工因素有关。上层结构参与地基基础协同作用的影响除增大整体刚度外，主要表现在改变内外墙或柱传给基础荷载大小的比例关系，在深厚软土地区一般表现为加大外墙或柱的荷载，但这种影响并不是无限增大的，而是有一定的限度，在楼层施工到一定的高度后不再增加。实测钢筋应力受温度的影响，所测得的应力远小于设计应力，故今后在设计墙板式结构的箱基时，可不计整体弯曲应力。采用折板式浮筏基础和筏式圆筒型薄壳基础，节省基础的造价。
高层建筑的基础埋置深度和地下空间的利用JGJ3--2002规定，高层建筑基础的埋深可取建筑高度的1／15—1／18。这是考虑场地土层对高层建筑的嵌固作用，增强高层建筑结构的稳定性、抗倾覆和抗滑移的能力。经过一些高层建筑结构在风载和地震作用下的抗倾覆验算表明，在不考虑场地土层的侧压力时，一般就可满足要求。如高层建筑有裙房大底盘，建筑周边有刚性的散水或密实的填土时，一般抗倾覆也是能满足要求的。在确定高层建筑基础埋深时，要经过精确的计算和全面的综合考虑。不能盲目的加深基础埋深，以免造成基础工程的浪费。在类似青岛有硬质基岩的场地建造高层建筑，可考虑采用锚杆基础，既保证结构的抗倾覆，又能节约基础的造价。
高层建筑地基基础形式一般采取灌注桩基础。在我国有些地区，地貌属于山前冲积平原单元，地质在穿过粘土层后，是一层较厚的碎石层，能否将这一地层加固，达到设计要求。基于这种考虑，我国设计和施工工作者经过多年的探索和实践，总结了一套钻孔灌注桩后压浆法加固桩端地基的方法，大大缩短了桩长，取得了良好的经济效益。
桩基方案选择的理论依据本工程地质报告显示，最理想的持力层在37m至一40m，其承载力达到 3 400kPa，而且厚度较厚，用该层作为持力层承载力很高，这一工程特性决定了该工程地基处理方案应该选择预制桩或灌注桩 (一般情况)较适宜。这是因为，这么厚的土层，采用其他处理方案很困难，而且经济上也是不可估量的。而采用桩基方案正好发挥了其端桩承载力高、混凝土单位用量少的特性。根据本工程地质资料以及玉溪地区的地基处理经验，桩基方案被广泛采用，因此，该工程地基处理不考虑其它方案，而在预制桩和灌注桩中选择。
当地基上部软弱而下部不太深埋藏有坚硬地层时，宜采用桩基。按施工方法的不同分为预制桩和灌注桩两大类：预制桩可采用钢筋混凝土、钢材或木材在现场预制或工厂制作后以锤击、振动打人、静压或旋人等方式设置。灌注桩是直接在所设计桩位处开孔，在孔内放钢筋笼 (或省去)，再浇灌混凝土而成保证灌注桩承载力的关键在于施工时桩身的成形和混凝土的质量。灌注桩有几十个品种，常用的有沉管灌注桩、钻(冲、磨)孔灌注桩和挖孔桩。沉井是一个用混凝土或钢筋混凝土等制成的井筒结构物。施工时，先就地制作第一节井筒，然后用适当的方法在井筒内挖土，使井筒在自重的作用下克服土的阻力而下沉。随着井筒的下沉，逐步加高井筒，沉到设计标高后在其下端浇注混凝土封底。利用专门成槽机械钻(挖或冲)进，使用膨润土泥浆护壁，在土中开出狭长的深槽，于其中安放钢筋笼(网)后，以导管法浇灌水下混凝土，以便形成一个墙段。顺序完成的墙段以特定的方式连接组成一遭完整的现浇地下连续墙。
高层建筑地基基础设计的工程实践表明，高层建筑基础设置沉降缝弊远大于利。一般可不设置沉降缝。首先设置沉降缝的原因是由于主楼与裙房荷载差异较大或由于地基土层不均匀而可能造成基础沉降不均匀，导致结构的内力集中或结构不能承受的变形，为此可以调整基础底面的尺寸、基础底面的压力、基础的结构型式或施工顺序，消除基础的不均匀沉降。若设置沉降缝对基础和地下室在土层中的嵌固作用很不利，并且防水处理很困难，使基础结构更加复杂化。