高層建筑基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)在潛力匯總

高層建筑基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)在潛力匯總第8章高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

的內(nèi)在潛力8.1概述-高層建筑基礎(chǔ)的合理選型8.2樁筏（箱）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的樁-土共同工作8.3-地下室-地基基礎(chǔ)的相互作用

高層建筑基礎(chǔ)的合理選型與設(shè)計(jì)是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)極其重要和非常關(guān)鍵的部分。它不但涉及整棟建筑的使用功能和安全可靠，還直接關(guān)系到投資額度、施工進(jìn)度和對周邊現(xiàn)有建筑物的影響。基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對高層建筑的總造價(jià)有很大的影響，基礎(chǔ)的工程造價(jià)在整個(gè)工程造價(jià)中所占的比例較高，尤其是在地質(zhì)狀況比較復(fù)雜的情況下，更是如此。8.1概述-高層建筑基礎(chǔ)的合理選型上部結(jié)構(gòu)豎向分體系的荷載傳遞特征及地下室使用功能的要求；地基承載力和（或）樁承載力應(yīng)滿足基底附加壓力的要求；地基土持力層及其下臥層的整體穩(wěn)定性（尤其是在地震作用下）；在進(jìn)行高層建筑基礎(chǔ)的方案選擇及其

初步設(shè)計(jì)時(shí)，項(xiàng)目工程師一般都需要

考慮以下幾個(gè)方面的要求：基礎(chǔ)總沉降量和差異沉降量的控制；地下水位及其防水要求；基礎(chǔ)施工中可能對周邊現(xiàn)有建筑物所帶來的不利影響；基礎(chǔ)的工程造價(jià)、施工難度與工期等因素對綜合經(jīng)濟(jì)效益的影響；【工程實(shí)例一】法蘭克福商業(yè)銀行總部大樓工程簡況地上61層；地下3層。P247荷載平面分布建筑平面為三角形，三個(gè)角筒處豎向荷載大；中心區(qū)域荷載較小。地質(zhì)條件場地下有30~40m厚的粘土、其下是很厚的多孔巖層（含有空隙的石灰?guī)r、粉砂等）。【工程實(shí)例一】法蘭克福商業(yè)銀行總部大樓方案一平板式樁筏基礎(chǔ)：上部結(jié)構(gòu)荷載不均；板厚需要6m；方案二樁箱基礎(chǔ)：底板厚2.5m；“卸載”與補(bǔ)償效應(yīng)大；但地下室使用不便；方案三樁土共同作用的樁筏基礎(chǔ)：角筒下群樁承臺(tái)+筏基；樁端嵌固于基巖；基礎(chǔ)方案比較該工程最后選用方案三箱型基礎(chǔ)特點(diǎn)箱形基礎(chǔ)整體性好、剛度大而且有利于分散基底土壓力。另外，箱形基礎(chǔ)所需的施工工期要比樁基短2~3個(gè)月；高層建筑的地下室往往被用來作為地下車庫和設(shè)備機(jī)房的使用空間，基于使用和傳力的原因，設(shè)計(jì)人員越來越傾向于采用筏形基礎(chǔ)，而不愿意選擇縱橫內(nèi)隔墻較多的箱形基礎(chǔ)；筏形基礎(chǔ)又可分為梁板式筏基和平板式筏基。

在這兩種筏形基礎(chǔ)的方案選擇時(shí)，應(yīng)注意它們

各自的適用范圍及其自身優(yōu)勢：梁板式筏基由于其自身平面內(nèi)的梁、板抗彎剛度相差懸殊，所以基礎(chǔ)的主要抗力構(gòu)件是反梁。因此梁的截面高度與配筋都很大，而板主要起擴(kuò)散地基反力和基底防水隔板的作用。優(yōu)勢：基礎(chǔ)的混凝土用量要比平板式筏基少，而基礎(chǔ)梁板之間的空間可得以利用；弱勢：所需的基礎(chǔ)截面高度比相應(yīng)的平板式筏基大，梁的鋼筋用量多；梁板式筏形基礎(chǔ)特點(diǎn)梁板式筏基一般適用于柱網(wǎng)布置比較規(guī)則、柱下荷載比較均勻的框架結(jié)構(gòu)，以及對防水需要做架空地面或排水集坑布置比較多的工程；梁板式筏形基礎(chǔ)適用范圍

平板式筏基的厚度主要取決于建筑物豎向結(jié)構(gòu)（柱、剪力墻或井筒）之間的距離、荷載分布的情況，以及筏板向建筑物周邊外挑的長度等因素，并根據(jù)抗沖切和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算來確定。優(yōu)勢：基礎(chǔ)的截面高度小，具有較大的整體剛度，其內(nèi)力與彎曲變形的整體撓曲率都比較小；節(jié)省挖方和降水的工作量、施工進(jìn)度快；弱勢：混凝土的用量比梁板式筏基大；平板式筏形基礎(chǔ)特點(diǎn)當(dāng)柱網(wǎng)間距較大，或個(gè)別柱傳遞的荷載較大時(shí)，可在柱間設(shè)置加強(qiáng)板帶或加設(shè)抗沖切鋼筋來減小板厚。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，平板式筏基的初步設(shè)計(jì)厚度，在無較大的周邊外挑長度的情況下，對框-剪和框筒結(jié)構(gòu)（巨型框架和角筒結(jié)構(gòu)除外）來講，可按地面以上的樓層數(shù)量來進(jìn)行估算：板厚h=建筑樓層數(shù)（n）×（50~70mm）

設(shè)計(jì)人員應(yīng)因地制宜，進(jìn)行多種可行方案的分析比較，才能選擇出相對最適宜的基礎(chǔ)形式。而安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理才是基礎(chǔ)選型的根本標(biāo)準(zhǔn)。習(xí)慣上不論是摩擦型樁還是端承型樁，一概都不考慮筏底樁間土分擔(dān)上部荷載；為了盡可能減少基礎(chǔ)的總沉降量和差異沉降量，往往都用規(guī)范規(guī)定的最小樁距限值來滿堂布樁，認(rèn)為樁距越小，樁身越長，設(shè)計(jì)就越合理，越安全；目前基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中存在的誤區(qū)8.2樁筏（箱）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的

樁-土共同工作共同工作主要表現(xiàn)為

上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)共同工作樁-樁共同工作樁-土共同工作樁-筏（箱）共同工作土-筏共同工作樁的荷載傳遞方式與組成根據(jù)近年來國內(nèi)外高層建筑樁筏基礎(chǔ)的現(xiàn)場跟蹤測試顯示：在地基土的物理力學(xué)性能比較均勻，上部結(jié)構(gòu)為勻稱布置的框-架、框-筒結(jié)構(gòu)（巨型框架和角筒結(jié)構(gòu)除外）的情況下，在施工初期，即施工基礎(chǔ)上面1~5層樓房的時(shí)候，由于上部結(jié)構(gòu)的整體剛度尚未形成，此時(shí)的上部荷載主要由筏底樁間土來承擔(dān)，土反力增長也較快，而樁所承擔(dān)的上部荷載相對較??；8.2.1摩擦型樁筏基礎(chǔ)

隨著上部樓層施工的進(jìn)展，上部結(jié)構(gòu)的整體剛度逐漸形成，并越來越大，此時(shí)所增加的上部荷載也漸次從基底土轉(zhuǎn)為由樁來承擔(dān)，而基底土的反力則趨于穩(wěn)定或稍有波動(dòng)；由于上部結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)所形成整體架越作用，一般情況下都呈現(xiàn)出角樁的樁頂反力增長最快，邊樁其次，而內(nèi)樁的樁頂反力增長最慢，結(jié)構(gòu)封頂時(shí)，最大樁頂反力經(jīng)常出現(xiàn)在筏基的角部和邊部；基于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與抗傾覆問題，角部與邊部的布樁應(yīng)慎重；【工程實(shí)例二】陜西省郵政電信網(wǎng)管中心大樓施工初期（從地下室至地面以上第4層），上部荷載主要由筏底的樁間土來承擔(dān)；隨著上部樓層施工數(shù)量的增加，所增加的荷載轉(zhuǎn)為由樁來承擔(dān)，而土所分擔(dān)的比例漸次變小。此時(shí)的樁頂反力明顯增大，其中角樁增加最快，邊樁次之，而內(nèi)樁的樁頂反力增加較慢；實(shí)測結(jié)果實(shí)測結(jié)果（續(xù)）結(jié)構(gòu)封頂時(shí)：實(shí)測的角樁與內(nèi)樁的樁頂反力比為1.73，與結(jié)構(gòu)施工到第8層時(shí)的測試結(jié)果接近；結(jié)構(gòu)封頂時(shí)：測得筏底內(nèi)部的平均土反力為89.1kPa，邊緣部位的平均土反力為75.4kPa，而角部的平均土反力只有53.2kPa，與沉降分布特征吻合，整個(gè)筏底樁間土約承擔(dān)了14%的上部總荷載；整個(gè)筏底樁間土約承擔(dān)了14%的上部總荷載；樁和土的分擔(dān)比值在結(jié)構(gòu)封頂時(shí)的累積數(shù)不足100%，這說明實(shí)測的樁和土的總反力小于上部結(jié)構(gòu)總重。原因是地下水浮力和地下室外墻與回填土之間的側(cè)摩擦阻力參與了共同抗力；根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002重新復(fù)算抗沖切和抗剪，筏板真正所需厚度僅為1250mm，比現(xiàn)有筏板厚度減少了一半；若將本工程的布樁根據(jù)樁筏基礎(chǔ)的實(shí)際受力特征進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，充分發(fā)揮筏底樁間土的作用和樁的極限承載能力，則還可以節(jié)省更多的投資；工程結(jié)論【工程實(shí)例三】法蘭克福展覽會(huì)大樓

30層，256m，樁-土共同工作的設(shè)計(jì)代表運(yùn)用補(bǔ)償平衡原理，按筏底地基土承擔(dān)2/3的上部荷載，而剩余的1/3由樁基承擔(dān)理念的進(jìn)行設(shè)計(jì)，共用了64根長度不等的φ1300的鉆孔樁，其中角樁28根，樁長27.0m，邊樁20根，樁長31.0m，內(nèi)樁呈環(huán)形布置了16根，樁長35.0m，樁距3.5~6.0D，設(shè)計(jì)思想是以此來加大內(nèi)樁的支承反力，以此來達(dá)到加大內(nèi)樁的支撐反力，同時(shí)減小角樁和邊樁的支承反力，從而達(dá)到減小筏板彎矩的目的；工程結(jié)論實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，筏基沉降呈盆形分布。在大樓建到一半時(shí)，中心區(qū)域的沉降為40mm，差異沉降為15mm，撓曲率為2.55×10-4。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)預(yù)估的沉降值為150mm，為無樁筏板基礎(chǔ)的50%，即試圖用64根樁將沉降減少50%。該建筑物總荷載為1880MN，地下水浮力180MN，則有效的上部荷載為1700MN。按原設(shè)計(jì)擬用64根樁承擔(dān)1/3總荷載，則平均每根樁承擔(dān)的上部荷載為1700/3/64=8.85MN=Pu/2.5

相應(yīng)地：Pu=2.5×8.85=22.125MN30實(shí)測結(jié)果表明：筏底土的分擔(dān)比為45%，比設(shè)計(jì)預(yù)估的結(jié)果小；按實(shí)測的樁分擔(dān)55%的總荷載推算，平均每根樁所承擔(dān)的實(shí)際荷載為：1700×0.55/64=14.61MN=0.66Pu，比原設(shè)計(jì)要高,已接近三分之二的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，充分發(fā)揮了樁的承載能力。我國常規(guī)的單樁極限承載力設(shè)計(jì)值是按Pu/1.8取值，設(shè)計(jì)中滿堂布樁的平均每根單樁所分擔(dān)的荷載往往按Pu/(2.5~3.5)來控制。此工程的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)揭示了一些樁-土共同作用的自然法則，值得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同仁借鑒318.2.2嵌巖型樁筏基礎(chǔ)誤區(qū)：認(rèn)為此為端承樁，上部荷載100%由樁承擔(dān)根據(jù)試驗(yàn)和實(shí)際工程現(xiàn)場實(shí)測和資料顯示：除了基底土為液化土、濕陷土、欠固結(jié)土、超軟土外，長徑比較大的嵌巖型樁一般為L/D≥35~40；對泥漿護(hù)壁的鉆（沖）孔樁由于樁端無法克服沉渣形成的軟墊，一般為L/D≥25。其樁的受力理論分析都與摩擦端承樁相類似，而其在正常工作狀況下的荷載傳遞與破壞形式則更多地表現(xiàn)為摩擦型樁的特性；土層分布從上至下為雜填土、粘土、淤泥夾細(xì)粉砂、中細(xì)砂夾淤泥、淤積軟土（厚約40m）粘性土、粉質(zhì)粘土混碎石、風(fēng)化基巖（埋深約80m，qa=4800kPa）。工程試樁采用慢維持荷載法試驗(yàn)，加載采用液壓千斤頂及錨樁反力架位置，實(shí)測與理論計(jì)算結(jié)果見下表：如溫州市的某一工程溫州某工程試樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果其中S1和S2的理論計(jì)算樁端反力分別占極限承載力的32.7%和35%，而實(shí)測的端阻力卻整整小了一倍多，僅占了13.5%和15%，而摩擦側(cè)阻力卻分別占了86.5%和85%。這說明嵌巖樁已充分地表現(xiàn)為摩擦型樁的性狀；另外：在同一場地，同一樁端土性，而不同長徑比灌注樁的對比試驗(yàn)研究也表明：在同一樁徑D=800mm的條件下，長徑比L/D=29的極限端阻力僅是L/D=6的極限端阻力的1/2左右；嵌巖樁不能一概而論地定性為端承樁，關(guān)鍵取決于長徑比及其上覆土層提供的樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，而傳到嵌巖部分的力已很小，這時(shí)即呈現(xiàn)摩擦型樁的性狀。工程結(jié)論【工程實(shí)例四】南京某大廈由于裙房的存在，整體剛度加大，而且裙房基礎(chǔ)分擔(dān)了一部分上部結(jié)構(gòu)的荷載，使整個(gè)建筑物的沉降趨于均勻；筏板邊緣處的平均土反力值最大，核心筒下筏底的土反力值要比筏板邊緣的土反力值小10~15kPa，而筏板角部的土反力值最?。荒暇┠炒髲B工程結(jié)論該工程按傳統(tǒng)的常規(guī)方法設(shè)計(jì)是過于保守的；四樁對角線交點(diǎn)處的土反力值要大于兩樁間中點(diǎn)處的土反力值。這說明土反力值的大小在一定程度上受樁間距大小的影響；樁頂反力：結(jié)論同前；南京某大廈工程結(jié)論（續(xù)）南京某大廈工程實(shí)測樁、土應(yīng)力規(guī)律總結(jié)從上述的工程實(shí)例不難看出：對于長徑比較大的嵌巖樁，在其覆蓋土層為非液化土、濕陷土、欠固結(jié)或超軟土的情況下，都同樣具有摩擦型樁的特性，筏底樁間土實(shí)際上都分擔(dān)著一定比例的上部荷載。若在設(shè)計(jì)時(shí)能合理布樁，并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和加大樁距，就能充分發(fā)揮筏底樁間土的分擔(dān)作用和樁的極限承載能力；這樣不但可以減少樁的數(shù)量，還可減少筏板厚度，減少施工工作量、縮短工期、節(jié)省造價(jià)。在進(jìn)行樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：8.2.3根據(jù)樁-土受力特征

調(diào)整樁距與合理布樁減小樁間距不但會(huì)降低土的分擔(dān)比（某工程樁間距為3D，實(shí)測的樁間土分擔(dān)比不到8%）、增加樁的用量，而且也不利于施工，對于長徑比很大的樁，甚至?xí)魅跞簶兜膫?cè)阻力；在筏底滿堂均勻布樁的情況下都表現(xiàn)為樁基的受力分布不均勻。高層建筑的樁筏基礎(chǔ)不宜采用滿堂均勻布樁，而應(yīng)根據(jù)具體工程樁基的實(shí)際受力分布情況進(jìn)行針對性的樁距調(diào)整與合理布樁；適當(dāng)增大樁距，不但可以加大土的分擔(dān)比，而且還能更好地發(fā)揮樁自身固有的極限承載能力。群樁效率隨樁距的增大而提高，到6D的樁距時(shí)，群樁效率與單樁接近，而且土的分擔(dān)比也明顯加大；群樁基礎(chǔ)中樁距對荷載分擔(dān)比的影響群樁基礎(chǔ)中樁長對荷載分擔(dān)比的影響對于基底樁間土為飽和粘土的樁筏基礎(chǔ)，打樁時(shí)易引起超孔隙水壓力：而隨著上部結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度及其與基礎(chǔ)的整體剛度的逐漸形成，超孔隙水壓力才得以漸次消散，則樁間土隨之固結(jié)變形、濃縮。再加上樁端持力層較硬，樁基變形小，會(huì)導(dǎo)致筏底與土的接觸壓力漸次減小，最后形成筏底與樁間土脫空，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)摩擦阻力。在這種情況下，基底土是無法分擔(dān)上部荷載的，而全部都由樁基來承擔(dān)；特別注意【工程實(shí)例五】上海某24層住宅樓現(xiàn)場測試箱基底板所受的平均反力

隨上部樓層施工進(jìn)展的變化情況見下圖：工程結(jié)論該工程中基坑樁間土沒有起到任何分擔(dān)荷載的作用原因：開始澆筑箱基底板混凝土?xí)r，基坑周圍采用了井點(diǎn)降水，這時(shí)不存在地下水對基礎(chǔ)的浮托作用。隨著基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的整體剛度逐漸形成，打樁時(shí)引起的超孔隙水壓力漸次消散，樁間土固結(jié)變形下沉，再加上樁尖持力層較硬，樁基沉降量很小，最后導(dǎo)致基底和樁間土的接觸脫空，而在地下室建成后，井點(diǎn)降水終止，地下水即回升至常水位；8.3上部結(jié)構(gòu)-地下室-地基基礎(chǔ)的相互作用無論在豎向荷載還是水平荷載的作用下，它們都會(huì)有機(jī)地共同作用，相互協(xié)調(diào)變形。盡管在這方面的設(shè)計(jì)計(jì)算理論仍不夠完善，但如果再把基礎(chǔ)從上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)的客觀邊界條件中完全隔離出來進(jìn)行計(jì)算，是根本無法達(dá)到真正設(shè)計(jì)要求的目的；不考慮上、下共同相互作用的階段；僅考慮基礎(chǔ)和地基共同作用的階段；到現(xiàn)今開始全面考慮上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)相互作用的新階段；高層建筑基礎(chǔ)的分析與設(shè)計(jì)經(jīng)歷了下述三個(gè)階段：底板的整體彎曲（比率）都很小，往往都不到萬分之五；筏（或底）板鋼筋應(yīng)力一般都在20~30N/mm2之間，只有鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的十分之一；諸多工程的實(shí)測都顯示了如下結(jié)論：8.3.1基礎(chǔ)底板的內(nèi)在潛力基礎(chǔ)底板施工時(shí)，只有底板的自重；無上部結(jié)構(gòu)的邊界約束，而混凝土的硬化收縮力大，在底板的收縮應(yīng)變的過程中，使混凝土中的縱向鋼筋產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力；基礎(chǔ)底面與地基土之間巨大的摩擦力起著一定程度的反彎曲作用。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的因素比較多：最主要的是上部結(jié)構(gòu)和地下室整體剛度的貢獻(xiàn)，并參與了基礎(chǔ)的共同抗力，起到了拱的作用。從而減小了底板的撓曲和內(nèi)力；摩擦力是整棟建筑的客觀邊界條件，不能視而不見。特別是對于天然地基的箱形和筏形基礎(chǔ)來講，地基土都比較堅(jiān)實(shí)，變形模量，基床系數(shù)都比較大，則基礎(chǔ)底板的內(nèi)力和相應(yīng)的撓曲率勢必會(huì)相應(yīng)減少；工程設(shè)計(jì)建議從諸多工程實(shí)例中可以看出，高層建筑基礎(chǔ)底板實(shí)際所承受的彎曲內(nèi)力都遠(yuǎn)小于常規(guī)計(jì)算值，有很大的內(nèi)在潛力。所以結(jié)構(gòu)工程師在具體工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，必須細(xì)心把握，否則基礎(chǔ)截面和配筋量都會(huì)比實(shí)際所需大很多，會(huì)造成很大的浪費(fèi)；高層建筑基礎(chǔ)應(yīng)具有一定的埋置深度，而影響基礎(chǔ)埋置深度的主要因素是建筑物的高度、體系、對地下室的使用功能要求、地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)、抗震設(shè)防烈度和臺(tái)風(fēng)等級等；8.3.2地下室的潛在功能與作用帶地下室的高層建筑在正常工作狀態(tài)下，其對地基基礎(chǔ)及整體結(jié)構(gòu)的受力性能都會(huì)有很大的貢獻(xiàn)。設(shè)計(jì)人員務(wù)必在設(shè)計(jì)中充分挖掘它的潛在功能，利用它的有利作用；地下室深基坑的開挖，對天然地基或復(fù)合地基的基礎(chǔ)能起到很大的卸載和補(bǔ)償作用，從而減少了地基的附加壓力；地下室的潛在功能由于地下室具有一定的埋置深度，周邊都有按要求夯實(shí)的回填土，所以地下室前、后鋼筋混凝土外墻的被動(dòng)土壓力和側(cè)墻的摩擦阻力都