地基处理的现状

巨型结构的概念 高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物[ 128 ] 。世界上第1幢近代高层建筑是美国芝加哥的Home Insurance大楼,该楼高55 m, 10 层,建于1883年。高层建筑的发展已经历了100多年的历史,经济的发展、工业技术的进步为高层建筑的不断发展创造了有利条件。目前,世界高层建筑的发展趋势是竞相推出高度超过500 m的超高层建筑和满足一些特殊功能的高层建筑。巨型结构的概念产生于20 世纪60 年代末[ 9211 ] ,由梁式转换层结构发展而来。巨型结构体系(又称超级结构体系)是由巨型构件组成的巨型桁架或框架等结构,作为高层建筑的主体结构,与其他结构构件组成的次结构共同工作的一种结构体系。高层建筑结构中, 抗侧力是设计的主要因素[ 12213 ] ,而巨型结构正是一种超常规的具有巨大抗侧力刚度和整体工作性能的大型结构[ 14 ] .

2 巨型结构的受力特点 概括起来讲,巨型结构具有如下显著的受力优 点:

(1)巨型结构侧向刚度大。巨型柱沿周边布置并形成空间结构后,为结构提供更大的抗倾覆力矩。同时,巨型梁作为刚臂,使得整个结构具有极其良好的整体性,可有效地控制侧移。 (2)巨型结构具有良好的延性和抗震性能。可在不规则的建筑中采取适当的结构单元组成规则的巨型结构,有利于抗震。另一方面,次结构相当于巨型的质量块,在水平动载作用下,将有效降低主结构的反应。 (3)巨型结构传力明确且空间协调性好。巨型结构的主结构通常为主要的抗侧力体系,次结构只承担竖向荷载,并负责将力传给主结构。巨型梁具有强大的竖向刚度,能充分协调各外柱的轴向变形。巨型结构特殊的结构体系赋予了巨型结构以上的受力优点,但同时也带来一连串的对结构地基基础的不利影响: (1)巨型结构的柱网布置趋向于周边化和离散化,使得每根巨型柱传递的轴力特别大,这就为基础设计提出了新的问题。 (2)巨型结构一般为高柔体系,与地基基础的相互作用需要进行专门的研究。 (3)巨型结构是超高层结构,地基存在整体稳定性问题,基础容易遭到冲切破坏,同时,地基土易于产生不均匀沉降。

3 巨型结构地基基础的研究现状 基础工程已成为影响高层建筑施工总工期和总造价的重要因素,在软土地基地区,高层建筑工程造价要占总造价的25%～40% ,工期占1 /3 左右。为此,对适于高层的巨型结构的地基基础工程,应引起充分的重视。 311 高层建筑地基基础 我国沿海地区的软土地基与荷兰、日本等国有相似之处。由于我国大规模工程建设的需求和实践,深基础工程开发了多方面的新技术、新工艺、新设备,并取得了显著的效益和成就。从解决一般工程地基处理向解决各类超软、深厚、高填方等大型地基处理方面发展,从单一处理方法向多种方法联合处理方面发展。在预压固结、置换、密实、搅拌、加筋、土工材料、化学加固等领域不断以现代新技术、新材料充实和改进施工工艺。高层建筑常用的基础形式有筏板基础、箱形基础、桩基础以及复合基础(桩筏基础、桩箱基础等) 。巨型结构由于其层数多、高度高、荷重大,对不均匀沉降敏感,除了各种预制桩和现浇桩基础外,主要是采用筏形基础、箱形基础以及复合基础。 312 巨型结构地基基础研究 蔡文胜等[ 15 ]在总结我国高层建筑地基基础方案优选经验的基础上,论述了高层建筑地基基础设计的主要依据、基本要求和方案的优选。张世海[ 16 ]等对地基基础方案优选问题的特征进行了研究,提出了该问题所具有的6个特征:强耦联性、方案性与结构的复杂性、多目标性与系统整体优性、高智能性与高风险性、高度信息化、多层次性,为人们全面深入认识高层建筑基础选型的特征规律奠定了基础。并提出了选型过程的5个阶段:需求分析与性能指标体系建立、备选方案产生、方案性能评价、方案筛选与重构、方案优选决策等,给出了5个阶段的特征与研究方法,为更全面深入地认识与研究基础选型问题奠定了基础。张玉生[ 17 ]介绍了岩溶地区典型的地质情况,针对岩溶地区高层建筑对基础承载力的要求,通过对换填垫层法,人工挖孔桩,钻、冲孔灌桩, CFG桩复合地基等几种基础类型的经济技术分析比较,得出合理经济的岩溶地区高层建筑的基础形式。王荣彦等[ 18 ]在分析了郑州东区的地质、水文条件及存在的岩土工程问题的基础上,总结了近20年来郑州东区多层、高层建筑基础形式的选择,地基基础设计与施工时应注意的问题。文献[ 19 ]结合具体工程介绍了超高层建筑工程复合地基和浅基础的实验情况、设计思路、施工要点和施工效果。文献[ 20 ]通过上海震旦国际大楼工程的实践,提出了适用于软土地基的基础处理方式,解决了超高层建筑主裙楼结构和荷载的差异性。文献[ 21 ]对西安地区黄土梁洼地貌单元上的天然地基、复合地基、桩基 础3种方案运用模糊综合评价方法进行了优选,并运用可靠度分析的原理及计算方法,对西安瑞园商厦地基基础设计工程进行了计算、分析。结果表明,可以在考虑土的随机特性的情况下来衡量地基的稳定性,并最终以概率的形式表示。这样可以方便地对地基的可靠度进行现场评价,给人以直观的安全与否的概念,工程应用非常方便,同时,也可通过计 算所得反馈信息来指导现场的施工,从而保证地基的安全可靠。文献[ 22 ]通过大量的数值模拟对大底盘高低层连体建筑与地基基础共同作用的机理进行了研究。文献[ 23 ]通过对1幢支撑在桩基础上的10层框架进行共同作用分析,比较了常规法与共同作用法的差别,分析了上部框架刚度变化和桩土支撑体系刚度变化以及不考虑土的分担荷载作用对共同作用体系的影响。结果表明:由于基础的盆形沉降,上部结构的内力发生了重分布。边柱普遍加载,尤其角柱比较明显;单桩刚度越弱,基础沉降和沉降差都随之增大;当不考虑桩间土的承载力时,基础沉降和沉降差都比桩土共同承担时大。应宏伟等[ 24 ] 于2006年在复杂地质条件下带裙房高层建筑疏桩基础设计中探讨了疏桩基础的优点:单桩可以承担趋于极限承载力的荷载;考虑承台下地基土承担荷载,__ 桩—土—台共同工作;采用少量桩即可大量减少沉 降,使沉降控制在允许范围之内;用桩数量减少,经 济效益显著,对环境影响较小。张志允等[ 25 ]阐述了 刚性桩复合地基(刚性桩复合地基是由刚度较大的 桩和桩间土共同分担上部荷载,桩型可为预应力管 桩、素混凝土桩等)的技术特征和工程特性,提出刚 性桩复合地基适于粘性土、人工填土和淤泥质土等 多种地质条件,并具有承载力高、调整幅度大、沉降 变形小、沉降稳定较快等显著特点。贺会军[ 26 ]介绍 了上部结构与基础和地基共同作用的整体分析概 念,对上部结构与基础和地基共同作用的研究方 法———有限元法、解析法和边界元法及发展历程做 了阐述,并归纳了研究成果。焦宇晖[ 27 ]探讨了高层 建筑上部结构和地基基础共同作用研究近几十年的 发展状况,论述了目前上部结构与地基基础共同作 用常用的地基模型和主要采用的分析方法,并分析 了上部结构与地基基础共同作用的机理。 文献[ 28 ]将超高层建筑空间巨型框架简化为 巨型柱和弹性地基上巨型梁的组合,二级框架柱考 虑其轴向变形作为巨型梁的弹性地基,按空间刚框 架进行稳定计算。通过算例表明,简化模型及其分 析方法是合理的,为超高层建筑空间巨型框架结构 的整体稳定计算提供了合理可行的简化计算方法。 文献[ 29 ]用矩阵位移法对弹性地基上空间巨型框 架结构进行分析,得出如下结论:随着地基刚度的增 加,空间巨型框架结构在不同高度沿X, Y, Z 方向 的位移逐渐减小,当地基刚度增加到与结构自身的 刚度很接近时,计算结果已与按刚性地基计算的结 果完全一样;上部结构底部靠近地基部分的内力则 随着地基刚度的增加而逐渐增大。当地基刚度增加 到与结构自身的刚度很接近时,计算结果也与按刚 性地基计算的结果完全一样。这说明,在传统的高 层建筑结构的分析计算方法中,不考虑地基变形对 上部结构内力和位移的影响,实际上过高地估计了 上部结构底部靠近地基部分的内力,而过低地估计 了上部结构离地基较远部分内力以及整个上部结构 的位移和顶部侧移。文献[ 30 ]等将超高层建筑空 间巨型框架结构与其基础等效连续化为一个半无限 大弹性地基上的加劲薄壁筒组合体,并以此三维模 型,用半解析法分析了地基基础刚度变化对上部巨 型框架结构的影响。研究表明,地基基础刚度变化 对高层建筑结构的顶端侧移、层间侧移、上部结构的 翘曲位移、地基和基础结构底部应力的影响,都是非 常显著的。随着地基刚度由小变大,以上各项都由__大到小变化。龚耀清[ 31 ]以此三维模型,用半解析法 分析计算了受静力作用的超高层建筑空间巨型框架 结构与其地基基础的共同工作。通过计算结果分析 得出:地基与基础的相对刚度对侧移和沉降的影响 最大,但当地基刚度接近或大于基础刚度时,这种影 响就很小,可按刚性地基来处理。另外,当地基和基 础的刚度与上部结构的刚度相比非常大时,可将它 们按刚性地基和刚性基础来处理。这也就是说,传 统上将地基和基础对上部结构的约束简化为插入端 的做法只有在地基和基础的刚度比上部结构的刚度 大许多倍时才是合理的;地基刚度的大小对上部结 构应力的影响范围,只局限于基础结构附近。因此,

无论是为了减少侧移还是顶部翘曲,增加刚度较大 的筒帽是非常必要的;地基的最大正应力出现在基 础底部的角点处,上部结构的最大正应力同样也出 现在其与基础连接的角点处。这说明,剪力滞后对 应力分布的影响是明显的;上部结构的最大剪力始