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摘 要：本文从以下几个方面探讨高层建筑地基设计的重要性：一是地基的处理方法；二是传统地基设计中存在的问题,如基础刚度过大引发的问题、碟形沉降问题等；三是高层建筑的基础选型与设计,根据传统地基设计中存在的问题,采取有针对性的控制对策,准确计算出上部结构的荷载,做好地基的基础选型,增强地基的承载力.
关 键 词：高层建筑,地基设计,处理方法,基础选型
对于任何建筑工程项目来说,地基设计都是至关重要的,甚至决定着整个工程的安全性、稳定性与可靠性.地基承受着整个建筑物的竖向体系负荷,用它的承载力承载着整个建筑.从整体的建筑构成上来说,如果建筑物是竖向的结构体系,那么它自身的负荷就会就会集中到点或者线形上,地基就会承载这一负荷点或者负荷线,成为整个建筑工程的支承机构.鉴于地基承载能力的重要性,一定要高度重视高层建筑地基设计工作,利用合理的地基设计方法,确保高层建筑的地基具有良好的承载能力.
1地基的处理
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如果高层建筑的施工地段属于淤泥质的土层,那么应在其上覆盖土质较好的土层,使持力层的土质符合施工要求.如果淤泥质上覆盖的土层过薄,应当尽量避免在施工时对淤泥质土进行扰动.在冲填地基时,可以在其中冲填一些建筑垃圾或者是一些工业废料,但一定要保持这些工业废料具有较强的性能稳定性.在冲填过程中,要确保地基的均匀性和密实度,这样才能确保地基更好地发挥持力层的作用.另外,对于很多生活垃圾来说,有机质的含量较大,很多工业废料也具有较强的侵蚀性,在冲填之前必须对其进行适当的处理,这样才能满足高层建筑持力层的需要.如果地基部分存在着局部软弱土层,或者存在着暗沟和暗塘,可以采取基础梁或者换桩基的方法来处理,或者是换土.如果地基的土层不符合要求,在处理之前要综合考虑工程建设的要求和当地的地质条件与水文情况,在结合建筑物的结构类型和地基要求的基础上,选择合理的施工材料和施工方案,并对比各方案的经济指数指标,选出最优化的地基设计方案.
2传统地基设计中存在的若干问题
2.1加大基础刚度引发的问题
在传统的概念设计中,很多建筑设计的基础刚度设置不当,导致一系列问题的发生.以某国际大厦为例,这个高层建筑在地基设计时选用的是双层箱基,高度为11.8m,但是也有高层建筑运用的是高度为4m的箱基.然而,我们观察某国际大厦的沉降等值线就可以发现,这项高层建筑的最大差异沉降过大,已经远远超过了规范的允许值,发生了碟形沉降的现象.具体沉降等值线情况如图1所示.
根据某国际大厦的地基设计问题,我们需要进一步对地基设计的问题进行探究.如果高层大厦利用天然地基,那么基础就必须考虑到传布荷载和抵抗冲、变形协调等问题,还需要考虑各种剪内力和弯内力.因此,在传统的设计理念的指导下,箱筏基础就必须要具备足够的强度,这样才能与高层建筑的荷载相匹配,也才能和高层建筑的柱强布置相一致.然而,在这种传统的设计理念指导下,也存在着一系列的问题,天然地基方案有待于进一步优化,需要继续对此加以深入的研究与分析.
2.2碟形沉降问题
对于高层建筑荷载所产生的作用力,同样也会导致约束状态下的变形问题,二者的作用力相同.如果发生约束状态下的变形,那么这种受力部位就会产生附加应力.在上述案例中,如果箱筏基础存在着碟形沉降的问题,就会导致地基部位存在附加应力,上部结构也会存在一定的附加应力,这样就会导致有附加应力的部位存在裂缝问题,甚至会降低整个建筑体的使用寿命,存在一定的安全隐患.上例中信大厦的地基情况表明,即使在地基设计阶段采取加大箱基高度的措施,仍然不能降低碟形沉降值,不符合相关设计规范的允许范围.
2.3马鞍形反力分布问题
对于箱形与筏形基础设计,我国早就制定了相关的技术规范,也对基础反力系数做出了一定的规范,要求内部与外围之间的比例必须在允许的范围内,二者之比应在1.25～1.39的范围内,这样才能保证地基结构的稳固性与承载力.但是由于地基基础上存在着马鞍性的土反力,那么就会产生一系列的负面效应,如剪力增大、弯距增大等问题.通过观察图1所示的箱基设计方案我们可以明确,我们可以通过运用近似计算的方法,利用长度方向上的B截面为参考数据,计算出整体的单位宽度弯距.经过计算得知,此建筑基地的压力平均值为pav等于550kPa,那么这个建筑基底的地基反力系数就可以通过国家制定的技术规范计算出来,那就是：
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箱基作用力也可以通过图表反映出来,如图2所示.
接下来,通过计算B截面处的弯距和基底土反力,就能够对土反力和整体弯距之间的相互关系进行明确,总体来说,在这个高层建筑中,马鞍形的反力分布会导致弯距增加16.2%左右.在高层建筑地基设计领域,人们通过大量的试验了解到,如果基础结构刚度过大,那么马鞍性的基础反力也会随之增大,也会进一步导致整体的剪力与弯距增大,这是传统地基设计中存在的重要问题.
2.4主裙基础的差异变形问题
除了上述马鞍形反力分布的问题之外,在传统的地基设计中还存在着主裙基础差异变形问题,如某大厦的主裙基础就存在着差异变形的问题,如图3所示.
这栋大厦的整体高度为156m,包括四层裙房和三层地下室,4m的箱型和0.8m的底板,在测量时Smin等于10.2cm,Smin等于1.72cm,ΔSmax>0.004L.由上图可知,外排柱与核心筒之间,主楼与裙房之间发生了较大程度的差异沉降.在总体上形成了一种碟形沉降,主要表现为核心筒的不对称,我们可以通过测算得知其沉降量甚至可以达到20cm.
2.5均匀布桩导致的问题
在高层建筑的地基设计环节,通常会选择筏形或者是箱形的桩基设计,利用均匀布桩的方式进行施工,这是一种最为常见的设计模式.在传统理念的指导下,这种均匀布桩的模式非常普遍,目的是要达到桩基抗力能够与荷载总体平衡.但是,在这种设计理念下,整体的均匀布桩设计没有足够的调整空间,容易导致以下两个方面的问题：一是差异沉降的问题.在传统设计理念的指导下,很多高层建筑的地基由于均匀布桩的方式,那么核心筒就会布置在中间地带,容易发生碟形沉降的问题.通常来说,采用均匀布桩的方式,如果荷载差异增大,或者是桩距和桩长存在差距,那么就会导致差异沉降增大的问题；二是桩顶反力分布增大的问题.均匀布桩的方式与天然地基箱筏的方式相比,在桩顶反力分布上会存在较大的差异,均匀布桩的方式所产生的桩顶反力通常较大.由于桩顶反力分布存
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