多高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及地質(zhì)災(zāi)害防治
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摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，民眾的居住需求日益增長,城市范圍不斷擴(kuò)大，許多坡地也被應(yīng)用于建造多高層建筑。坡地地質(zhì)條件復(fù)雜，對建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有較高要求。多高層坡地建筑的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工是對原有地質(zhì)和自然環(huán)境的處理加固和改造，涉及以下方面：整個場地地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查防治和穩(wěn)定性分析、地表滲流處理、邊坡處理、支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑地基基礎(chǔ)選型等。對于多高層建筑，山坡屬于抗震不利地段，結(jié)構(gòu)模型的地震力應(yīng)放大，并進(jìn)行罕遇地震條件下的傾覆分析；山坡坡面風(fēng)荷載增大，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按規(guī)范的要求放大；坡地建筑基礎(chǔ)的抗傾覆抗滑移分析及相應(yīng)加強(qiáng)措施也很重要。以上這些問題如處理不當(dāng)，輕則耽誤工程項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，重則導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害，危害建筑和人員安全，因此本文針對多高層坡地建筑的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及地質(zhì)災(zāi)害的防治問題作出以下分析。
關(guān)鍵詞：多高層坡地建筑；地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；地質(zhì)災(zāi)害
1引言
隨著城市的擴(kuò)大和建筑工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，多高層建筑的建造場地范圍不斷擴(kuò)大，場地的地質(zhì)環(huán)境也越來越復(fù)雜。坡地具有復(fù)雜的場地地質(zhì)條件、邊坡穩(wěn)定要求，多高層建筑建造于坡地上時，需要坡地具有較高的地基承載力，建筑本身也將承受更大的地震作用和風(fēng)荷載，并且容易出現(xiàn)傾覆和滑移的問題。這些因素疊加導(dǎo)致多高層坡地建筑地基基礎(chǔ)具有較高的設(shè)計(jì)難度。另外地基基礎(chǔ)施工、邊坡施工、強(qiáng)降水滲流有可能引發(fā)坡地地質(zhì)災(zāi)害，威脅人員安全，影響建筑安全。為了緩解和減少多高層坡地建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的不利條件，需要在科學(xué)選型設(shè)計(jì)和合理施工的基礎(chǔ)上，做好前期地質(zhì)調(diào)查評估、檢測、總圖設(shè)計(jì)、邊坡處理、設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)，為安全建設(shè)、科學(xué)施工提供技術(shù)支持，從而保證工程質(zhì)量和工作人員安全。
2多高層坡地建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要性
多高層坡地建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)影響建筑物的安全性、經(jīng)濟(jì)性和合理性。從安全性來分析，多高層坡地建筑地基基礎(chǔ)既決定了建筑上部結(jié)構(gòu)的使用安全，還決定了建筑抗滑移和抗傾覆能力，影響邊坡施工和場地穩(wěn)定。基礎(chǔ)工程屬于埋藏于地下的隱蔽工程，難以改善和維修，一旦出現(xiàn)問題或者事故，補(bǔ)救和處理都較為困難。從經(jīng)濟(jì)性方面看，地基基礎(chǔ)工程費(fèi)用占整個工程費(fèi)用比例較大。以上海市為例，多高層（三十層至五十層）建筑地基基礎(chǔ)工程占整個建設(shè)費(fèi)用的五分之一，超高層（五十層以上）甚至?xí)嫉饺种?。坡地建筑在此基礎(chǔ)上還需額外增加邊坡處理、支擋結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)抗傾覆抗滑移處理、防滲處理，甚至是場地地基加固的費(fèi)用，投資更為巨大。因此，多高層坡地建筑地基基礎(chǔ)的精細(xì)化科學(xué)化和合理化設(shè)計(jì)應(yīng)該成為保證建筑和場地邊坡安全可靠，合理節(jié)約工程造價(jià)的重點(diǎn)。
3設(shè)計(jì)坡地建筑地基基礎(chǔ)過程中遇到較多的問題
3.1地基的滲透問題
坡地存在較大水頭差，地表易形成滲流，地基基礎(chǔ)及地下室底板側(cè)墻容易滲水。滲水將嚴(yán)重影響建筑使用，還易導(dǎo)致建筑質(zhì)量問題，當(dāng)滲水壓力超過臨界滲透壓力時，地基土?xí)凰鲙ё吆颓治g，在管涌作用下流失嚴(yán)重，導(dǎo)致整個地基的損壞。地表滲流可采用在坡頂設(shè)置截水溝攔截的方式處理，并在建筑四周增加集水井、設(shè)置明溝或盲溝匯集水流并將水及時排走。基礎(chǔ)、地下室底板和側(cè)墻可采用防滲混凝土、增加混凝土厚度及外貼防水材料隔水處理，確保其不滲水。
3.2地基的沉降問題
坡地地層傾角大，分層不均勻，地層中存在軟弱夾層，山坡溝槽位置易出現(xiàn)深厚軟弱土，如果基礎(chǔ)底部出現(xiàn)此類土層，基礎(chǔ)可能會出現(xiàn)沉降和傾斜的情況。當(dāng)沉降不均勻或者位移數(shù)值較大時，部分地基荷載將會超過地基承載力，地基基礎(chǔ)可能會破壞開裂，甚至導(dǎo)致建筑傾斜倒塌等嚴(yán)重安全問題。因此當(dāng)?shù)貙臃謱硬痪鶆蚧蛴熊浫跸屡P層時，應(yīng)驗(yàn)算軟弱下臥層，有必要時對土層采用素混凝土換填或采用樁基礎(chǔ)，確保建筑基礎(chǔ)可靠安全。
4多高層坡地建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)方法
多高層坡地建筑地質(zhì)條件復(fù)雜、場地邊坡條件差，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要性比平坦場地更為突出。首先是地基承載能力方面，坡地建筑的地基巖層傾角較大，巖層種類繁多，性質(zhì)多變，容易存在軟弱夾層。山坡的溝槽位置易存在深厚堆積軟弱土，設(shè)計(jì)時應(yīng)詳細(xì)分析地勘報(bào)告，并進(jìn)行軟弱下臥層驗(yàn)算和基礎(chǔ)沉降變形驗(yàn)算。地基承載力不夠或者沉降較大時，可將基礎(chǔ)選型為樁基礎(chǔ)，適當(dāng)加長樁長，將上部結(jié)構(gòu)荷載盡量傳遞至坡底，減少山坡坡體的附加荷載，減小多高層塔樓與裙房的沉降差以及絕對沉降量。設(shè)計(jì)時需注意樁基礎(chǔ)為嵌巖樁時，樁端嵌入巖石深度需以斜坡較低位置的高度確定。也可采用增加地下室層數(shù)的設(shè)計(jì)方法，該方法首先可減少坡頂荷載，地下室的內(nèi)部是空置的，減少了同等體積土的重力荷載，相當(dāng)于削方的作用；其次可以將荷載盡量往坡底傳遞，當(dāng)坡較矮時可直接將基礎(chǔ)設(shè)置于坡底面上；再次增加地下室層數(shù)使建筑安全可靠的嵌固與坡體中，形成穩(wěn)定的結(jié)合體，確保多高層建筑的抗傾覆抗滑移能力，有利于結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震。其次，建筑處于邊坡上時不可避免需要抵擋邊坡土巖層側(cè)向壓力。場地條件允許時，擋墻應(yīng)與塔樓分離設(shè)計(jì)成邊坡支擋結(jié)構(gòu)的形式，如預(yù)應(yīng)力錨索擋墻等。當(dāng)多高層塔樓側(cè)墻必須與擋墻合建為一體時，需要將側(cè)向主動土壓力組合多高層建筑的不利方向水平荷載（風(fēng)及罕遇地震）進(jìn)行建筑的抗滑移和抗傾覆驗(yàn)算。驗(yàn)算通不過時可采用在基礎(chǔ)上增加預(yù)應(yīng)力錨索錨桿或者抗拔樁的形式進(jìn)行加強(qiáng)處理，確保建筑抗滑移抗傾覆能力通過驗(yàn)算，確保基礎(chǔ)安全可靠。第三，位于山頂高層建筑的鞭梢效應(yīng)比較明顯，振動放大，烈度比平地會提高。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)邊坡高度較高或者建筑處于山嘴、高聳孤立的山丘、強(qiáng)風(fēng)化巖石陡坡時，需要考慮水平地震影響系數(shù)的放大。由于高層建筑處于山頂，建筑物受到的地震烈度比平地高，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）4.1.8條，應(yīng)該把水平地震影響系數(shù)最大值乘上放大系數(shù)：得到地震動參數(shù)放大系數(shù)將地震力放大，然后進(jìn)行模型計(jì)算設(shè)計(jì)。第四，建筑處于邊坡上時風(fēng)荷載需要放大。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50011—2010）8.2.2條，對于山區(qū)建筑，風(fēng)壓高度變化系數(shù)除按平坦地面粗糙度的類別確定外，尚應(yīng)根據(jù)地形條件進(jìn)行修正，修正系數(shù)為：z為建筑物計(jì)算位置離建筑物地面高度，m。多高層坡地建筑需優(yōu)先選用樁基礎(chǔ)，針對坡地建筑起伏很大的地層，樁基礎(chǔ)具有傳力直接，安全度高，成本低的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)條件不允許在建筑上方坡體中設(shè)計(jì)支擋結(jié)構(gòu)時，樁基礎(chǔ)還需兼顧具有坡體抗滑作用，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)與巖土工程師配合，可采用邊坡規(guī)范折線滑動法計(jì)算作用于樁基礎(chǔ)上的剪切力，對樁基礎(chǔ)的箍筋和箍筋間距進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)承載力不夠時應(yīng)加大樁身直徑、箍筋直徑和加密箍筋間距，或者采用矩形樁及長橢圓形樁，利用截面模量較大的方向抵抗下滑力。坡地建筑樁基礎(chǔ)特殊的地方還有其嵌巖深度，應(yīng)從巖體破裂面以外水平長度大于2m開始計(jì)算，且滿足相鄰樁底連線與水平線之間夾角不大于45°。依據(jù)“樁底部應(yīng)力擴(kuò)散的范圍內(nèi)沒有巖體的臨空面”要求，臺階地上外邊界的樁基基礎(chǔ)埋深應(yīng)低于臺階地高度，樁基基礎(chǔ)應(yīng)滿足上述相應(yīng)要求。因此，人工挖孔灌注樁的樁長度與樁所在的位置相關(guān)。當(dāng)樁長小于6m或者樁長大于6m但長徑比小于3時應(yīng)按樁墩基礎(chǔ)考慮，使用天然地基承載力特征值作為樁端承載力特征值計(jì)算。當(dāng)樁基基礎(chǔ)嵌固于巖體中時，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2011）6.5.1條要求，巖石地基無須進(jìn)行地基變形計(jì)算，樁與樁之間應(yīng)設(shè)置基礎(chǔ)拉梁確?；A(chǔ)的整體性。
5坡地建筑設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重視的地質(zhì)災(zāi)害
使地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的因素可劃分成天然的地質(zhì)災(zāi)害及人為的地質(zhì)災(zāi)害。自然地質(zhì)災(zāi)害是指自然條件下的地殼活動等由地球動力作用產(chǎn)生的不受人為控制的自然災(zāi)害，如地震等；人為地質(zhì)災(zāi)害則是指人類在開發(fā)過程中對自然條件和地質(zhì)情況進(jìn)行人為的改造活動和作業(yè)引發(fā)的災(zāi)害，如泥石流、滑坡、塌陷等，坡地建筑受影響的地質(zhì)災(zāi)害主要是人為的地質(zhì)災(zāi)害。
5.1滑坡災(zāi)害
滑坡是坡地建筑中最為容易出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，產(chǎn)生原因一般為原有地質(zhì)條件差和人為施工影響。隨著人為工程活動的變多，自然條件下的坡地被大幅度改造，在邊坡施工和地基基礎(chǔ)施工過程中，經(jīng)常采用強(qiáng)行開挖和爆破的方法，極其容易導(dǎo)致滑坡，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。
5.2泥石流災(zāi)害
泥石流是破壞力極強(qiáng)的地質(zhì)災(zāi)害，具有很強(qiáng)的破壞性和爆發(fā)性。泥石流地質(zhì)災(zāi)害一般只有幾個小時，主要發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜和地表巖石破碎的地區(qū)，這些地區(qū)的強(qiáng)降水會導(dǎo)致泥石流的頻發(fā)。坡地建筑設(shè)計(jì)時應(yīng)提前進(jìn)行詳細(xì)場地地質(zhì)調(diào)查，選址時應(yīng)避開泥石流危險(xiǎn)地段。
5.3崩塌災(zāi)害
崩塌同樣是坡地建筑中容易出現(xiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，是由于斜坡承受不住巖石和土體的重量，進(jìn)而引起土體墜落堆積在坡腳的現(xiàn)象。崩塌主要是邊坡施工作業(yè)和排水工作容易產(chǎn)生土洞、土方堆積，從而導(dǎo)致崩塌災(zāi)害；引起的原因是邊坡施工方式錯誤，未提前進(jìn)行技術(shù)交底和操作培訓(xùn)，導(dǎo)致未及時清除危巖、覆土荷載分布不均勻，坡體失去平衡從而引發(fā)崩塌。防止崩塌的措施主要有進(jìn)行科學(xué)合理的坡地建筑規(guī)劃和邊坡設(shè)計(jì)，提前清理邊坡，減小邊坡的坡率至合理范圍，對邊坡進(jìn)行噴錨加固等。
5.4沉降災(zāi)害
沉降災(zāi)害是一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，大多發(fā)生在一些土層復(fù)雜、土質(zhì)疏松的區(qū)域以及山坡的向斜凹槽區(qū)域，充填土層由砂土、黏土和淤泥等成分組成，具有薄、疏松和易變形的特點(diǎn)。坡地建筑施工時會大面積開發(fā)地下空間，這將導(dǎo)致松土層更易出現(xiàn)沉降，導(dǎo)致地面出現(xiàn)了大規(guī)模裂縫，影響建筑的整體安全。
6在坡地建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時可采取的防治地質(zhì)災(zāi)害的措施
6.1合理預(yù)估和檢測災(zāi)害
在地質(zhì)調(diào)查試驗(yàn)和分析的前提下，設(shè)計(jì)師應(yīng)對坡地建筑場地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率進(jìn)行詳細(xì)的評估。地質(zhì)災(zāi)害主要體現(xiàn)為歷史性的地質(zhì)災(zāi)害及潛在的地質(zhì)災(zāi)害兩種。為了防止這兩種地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生，在坡地邊坡和坡地建筑地基基礎(chǔ)施工前，應(yīng)做好潛在地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查和歷史遺留地質(zhì)災(zāi)害研究，對災(zāi)害發(fā)生的地點(diǎn)、概率及危害程度作出全面的評估。為了盡早地發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，勘察單位應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、氣候以及水文條件，明確地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率、范圍和強(qiáng)度，將場地劃分為危險(xiǎn)區(qū)與安全區(qū)。對危險(xiǎn)區(qū)的不穩(wěn)定坡體提前進(jìn)行清理和加固；在高差較大位置分階段設(shè)計(jì)，設(shè)置擋土墻進(jìn)行支擋。對基礎(chǔ)處于軟弱土層上方時進(jìn)行合理的基礎(chǔ)選型或提前進(jìn)行地基處理，盡量從技術(shù)層面提前做好預(yù)防措施，避免和減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。邊坡處理和建筑施工單位應(yīng)提前制定危險(xiǎn)發(fā)生時的撤離方案和緊急避險(xiǎn)預(yù)案，確保人員安全。
6.2在總圖設(shè)計(jì)中將多高層坡地建筑融合于環(huán)境
多高層坡地建筑地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工過程中，可充分與場地周邊地質(zhì)環(huán)境融合在一起，可以整平坡地為許多連續(xù)的臺階地,建筑物跨過各級臺階沿著坡建造等。坡地建筑需合理科學(xué)地進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化規(guī)劃總圖方案和邊坡處理方案。為了更好地減少地質(zhì)災(zāi)害，在總圖設(shè)計(jì)時應(yīng)與結(jié)構(gòu)巖土設(shè)計(jì)進(jìn)行前期協(xié)調(diào)?？倛D設(shè)計(jì)是全部場地的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，涉及場地功能區(qū)布置、道路規(guī)劃等，獲批后原則上無法改變。對坡地建筑來說，與平地建筑最大的不同就是坡地道路的坡度控制與調(diào)整應(yīng)考慮依山而布置的原則。設(shè)計(jì)重點(diǎn)一般在建筑物及道路的布置上、場地平整挖填方平衡分析。對于低矮緩坡地采用擋墻支擋邊坡邊緣即可，對于支當(dāng)面條件復(fù)雜，高填、深挖的場地，采用擋墻支擋就不滿足要求且它的高度有限，按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330—2013），擋墻總高度應(yīng)控制在10m以內(nèi)，外露8m。采用高擋墻設(shè)計(jì)時，擋墻厚度增大，占地變寬，對已有自然坡的挖方將更多（擋墻同時增高），擋墻前趾地基強(qiáng)度也會有問題。對于高填方場地，應(yīng)綜合細(xì)化分析協(xié)調(diào)處理。對于過大的挖方工程，其邊緣支擋已不是普通支擋結(jié)構(gòu)可勝任的邊坡處理問題，將會涉及山體滑坡等穩(wěn)定問題，因此結(jié)構(gòu)、巖土等設(shè)計(jì)工作的早期介入，對總圖設(shè)計(jì)的布置、挖填方的調(diào)整控制、建筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定條件分析等，有至關(guān)重要的作用。
7結(jié)束語
隨著城市建成區(qū)不斷地?cái)U(kuò)大,建筑有時需要建在坡地上。在坡地上建造較多的多高層建筑時,應(yīng)將其整平為一些連續(xù)的臺地,建筑物跨過各級臺地依坡建造。在這種場地上建造房屋,地形、地貌及地質(zhì)條件很復(fù)雜,其總圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工有其重要性及特殊性。有可能設(shè)計(jì)出風(fēng)格獨(dú)特的作品,也可能由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工不合理而造成事故。多高層建筑建在斜山坡上時,建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是總圖設(shè)計(jì)、邊坡處理、支擋設(shè)計(jì)，多高層地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、風(fēng)荷載地震荷載放大處理以及地質(zhì)災(zāi)害防治問題。在設(shè)計(jì)多高層坡地建筑的地基基礎(chǔ)過程中，應(yīng)提前進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查和分析，充分結(jié)合場地地質(zhì)條件和地形進(jìn)行建筑方案規(guī)劃設(shè)計(jì)總圖設(shè)計(jì)及邊坡處理，嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)地進(jìn)行邊坡、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。充分分析土質(zhì)和水文環(huán)境等因素的影響，根據(jù)不同環(huán)境和地質(zhì)采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，為減少地質(zhì)災(zāi)害安全隱患，最大限度地設(shè)計(jì)科學(xué)合理的基礎(chǔ)方案。地基基礎(chǔ)施工時，施工方案應(yīng)盡量體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，為多高層坡地建筑地基基礎(chǔ)的安全交付使用保駕護(hù)航。
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作者：于響 單位：株洲市規(guī)劃設(shè)計(jì)院