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高层建筑地基基础设计的若干问题讨论

2015-07-14 492 0

随着我国经济的腾飞和城市人口的急剧增加，高层建筑逐渐成为城市建设的主要内容，它可以减轻城市用地压力、人口压力，是城市建筑物的极优之选。但是由于高层建筑自身高度大、体积大等特点，特别是近年很多高层建筑需要设置单层或者多层地下室、地下商城、地下车库等，使施工难度逐渐加大，尤其体现在地基基础设计方面，探讨高层建筑地基基础设计问题，以期对高层建筑结构的安全与稳定有所帮助。
　　1 地基基础设计的重要性
　　建筑施工设计首要考虑地基基础设计，它是建筑物建设的首要部位，是一个建筑的根本和立足点。地基基础设计的难度较大，因为地基深埋于土地之中，不仅要经受复杂且变化多端的地质情况，还要受到地下水等因素的影响。根据有关数据统计，普通地基基础和地下室造价在整个土建造价中占 5～6%之间，若是地质情况复杂，埋置较深，需要经过特殊技术处理的地基基础，其造价更可达10%以上。由此可见，地基基础造价对整个建筑物来说是比例较大的部分，所以，设计过程中通过对不同基础形式方案的比较，择优而用，降低造价可以产生较好的经济效益。
　　2 高层建筑地基基础设计的基本要求和主要依据
　　2.1 高层建筑地基基础设计的基本要求相比普通多层建筑，高层建筑在地基基础设计时设计要求相对复杂，受到的影响因素也比较多。高层建筑地基基础设计的基本要求是要满足建筑结构的抗震性与稳定性；满足地基的牢固性，确保地基竖向的承载力和横向抗滑移能力；注意地基土层压力变形范围和抗压能力；还需要注意沉降指数等问题。因此，在设计地基基础时，既要考虑建筑外观要求，也要考虑地面条件和建筑结构要求，并且将后者作为考虑重点。在科技发展的推动下，日益成熟的勘测技术和模拟技术也为高层建筑地基基础设计提供了反复模拟、修改的可靠数据和便利条件，满足了高层建筑的安全性需求。
　　2.2 高层建筑地基基础设计的主要依据高层建筑的地基基础设计受很多因素影响，需要同时满足不同要素需求。地基基础设计的基本依据是地面土质结构和地下的岩土成分等；限制依据是地下室层数和建筑的内部结构对地基的压迫程度；更高的设计依据是对于抗震等外部问题的的要求。
　　3 高层建筑地基基础设计应注意的问题
　　3.1 地基土与结构的共同作用把高层建筑、基础和地基三者看成一个整体，并要满足三者在接触部位的变形协调条件，这就是高层建筑与地基基础的共同作用。具体是指：地基与基础里的刚性桩、柔性桩、半柔性桩等各类型桩共同承担上部结构荷载，两者之间的荷载分担比列是按照基础变形协调条件确定的。从这里可以看出来：共同作用概念具体运用表现在，用沉降控制来设计地基基础。根据基础沉陷量大小的控制要求，确定地基补强的程度和发挥原地基土承载力的程度，以此来进行地基处理或地基加固。而基础刚度大小、基础形式、地基土的土性等都是影响地基土与基础荷载分担比的重要因素。
　　3.2 沉降缝问题由于地基不均匀沉降可能会引起建筑物各部分的破坏，因此需要设置一道垂直缝，即沉降缝。由于建筑建造时所处的土质基础各不相同，并且建筑物相邻部分的荷载、高度和结构形式差别较大，常会因为各部分不均匀的沉降而导致开裂或错动，为有效防止此类问题，通常在差异处设置垂直缝隙，将建筑物分割成若干个独立单元。但是，在实际工程效果中，沉降缝并不适用于高层建筑。因为高层建筑本身的结构压力会使建筑地基基础设计十分复杂，而沉降缝的设计会对地下室在土层中的嵌固作用产生一定的影响，产生额外的压力负担，不利于高层建筑的安全性与稳定性，并且高层中沉降缝对于设备、安装以及后期使用都会带来不便，所以在高层建筑中，尽量不留沉降缝，而是用不同的基础类型或采用不同的地基处理方式来协调不同地地基条件引起的沉降差异。
　　3.3 地下室底板受力现代高层建筑通常会设置地下室。地下室底板受力问题是地基基础设计时常要考虑的问题，许多设计人员在地下室底板计算中，只片面的考虑到底板的水浮力和活荷载。采用常规桩基础时，会下意识的假定底板与土是脱离状态，在此基础上，就算完全考虑底板底面以上的全部荷载，也不过是一种假定计算。研究表明，以侧阻承受荷载为主的桩，由于实际情况下土与底板底部常有接触的情况，使得底板承受荷载最大可达上部的 24～30%，因此，这部分荷载也是底板计算时必须考虑的，否则可能会有不安全因素。
　　3.4 关于桩端进入持力层的最小深度（1）持力层通常应选择岩石层或者较硬图层，如果以d为桩径，那么，强风化软质岩和砂土不宜小于1.5d；桩端进入持力层深度，对粘性土、粉土不宜小于2d；对于碎石土及强风化硬质岩不宜小于1d且不小于0.5m。（2）桩端进入中、微风化岩的嵌岩桩，通常情况下，桩全段面进入岩层的深度不宜小于 0.5m，若嵌入未风化硬质岩，嵌岩深度可根据具体情况做减少，但最好不小于0.2m。（3）如果场地中有液化土层，桩身必须穿过此类土层进入下方的稳定土层，根据具体情况计算进入深度，对砾、粗中砂、碎石土、密实粉土和坚硬粘性土不应小于 0.5m，对其他非岩石土不宜小于1.5m。（4）当桩身进入膨胀土或者季节性冻土时，进入深度应通过抗拔稳定性验算确定，通常情况下，其深度不应小于4 倍桩径。
　　4 几种常见的地基基础处理方法
　　4.1 采用分层填土的方式换土垫层部分湿润膨胀的土体，通常承载力较小，会影响到地基基础的强度和稳定性。为了减少土层沉降，提高地基基础的强度，需要用高强度和高稳定性的材料来替换掉这种软土层。在选定符合要求的施工材料之后，需要采取分层填土的方式来替换原有的软土，这样可以避免施工过程中土体出现孔洞和缝隙，确保土壤密度不遭受破坏，保持其原有承载力。
　　4.2 碾压和夯实碾压和夯实是一种软土处理技术，通过碾压夯实可以对地基中的松软土质产生极大的冲击力，提高其基础强度，进一步提高基础土质承载力。这种方式能最大化地降低高层建筑物在竣工后地基产生的沉降量。在实际施工过程中，根据不同的施工方法可选择振动夯实法和机械碾压法两种地基基础处理技术。
　　4.3 使土壤固结固结是指将土壤中的水分排除干净之后形成的一种凝固形态。通常情况下，土层由于土壤的液化性质往往含有一定的水分，影响了土层的承载强度，所以可以通过排水的方式来排除土层中的水分，使土壤固结，这是一种降低沉降，提升土层承载力的方法。“固结法”是一种操作简单的地基基础处理技术，并且经济适用，被广泛的运用于高层建筑施工中。
　　4.4 使用化学方法加固土层化学加固法顾名思义是向土壤中添加化学物质来改善土壤，诸如水泥浆、碱液、丙烯酸铵等能够固化的化学材料，这些物质通过化学反应会将土体粘结起来，改善原有土体性质。如果高层建筑需建在膨胀土上，就可以使用石灰来改善膨体土的性质，提升土壤土质，使其更加稳固，增强其土层承载力。这化学加固法可分为喷浆法、灌浆法和深层搅拌法三种方式。

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