李键辉
广州新城建筑设计院有限公司 510700
摘 要：随着建筑业的兴起，建筑工程越来越多，因为土地使用空间的局限及周边的限制，建筑物的高度越建越高，这大大增大了基础设计的难度和基础所占整个工程的比重。对于建筑工程而言，建筑基础施工作为建筑工程中的隐蔽工程，具有不确定高，一旦出现问题难以修复等特点，而且基础形式多种多样，如何合理的进行基础的选型是基础设计中最应当注重的环节。文章以在复杂地质情况下基础的选型为切入点，深入分析建筑基础选型上常常遇到的问题和误区，以及经济角度和施工角度出发分析如何进行建筑基础的最优选型。
关键词：基础类型 基础设计 基础选型
一、建筑基础的分类
1.1建筑基础的类型
随着城市和现代化施工技术的发展，现代高层建筑多种多样，但大致可以分为扩展基础
（独立基础、条形基础等）、筏式基础（板筏基础、带梁筏基础）、箱型基础、墩基础及桩基础（灌注桩、预制桩）等；其中扩展基础、筏式基础、箱型基础属于浅基础，而墩基础及桩基础属于深基础。
1.2浅基础的特点
浅基础，顾名思义就是埋置深度较浅的基础，不用经过复杂的土层结构，其具有受力简单明确，施工风险低，施工速度快，造价相对较低，是基础设计的第一选择，但对地基承载力和地基均匀性有一定要求，上部结构刚度和荷载均匀性对其有重大影响，容易产生不均匀沉降，且一般不允许基础底面出现受拉区域。
1.3 深基础的特点
地基土存在较厚的软弱土层（例如淤泥、杂填土等），较硬土层埋深较深，采用浅埋基础不能满足地基强度和变形要求，常采用深基础代替，其特点为以坚实土层或岩层作为持力层，但持力层下部一定范围内不能存在孔洞或软弱层；基础埋置较深，施工难度大，对施工机械、施工质量的管理要求高；整体性好、承载力高、沉降量小、结构布置灵活；造价高，出现问题造成的后果严重，一般需进行质量检测，合格后方可进行后续工程的施工。
二、浅基础和深基础的荷载传递机理和破坏模式
2.1 浅基础的荷载传递机理
基础上部结构物传来的荷载（集中荷载和分布荷载）通过基础与地基的接触底面，传入到地基持力层中。浅基础的荷载传递机理，实际就是附加应力在地基持力层中分布扩散的机理。
附加应力的扩散与荷载大小及分布形式、基础刚度、地基土的性质有很大的关系。地基土中应力分布的平面问题，可以由弹性力学得到精确的解。应力分布的空间问题，俄国科学家boussinesq也给出了精确解。但是，由于土体本身性质的复杂性，在地基基础设计过程中，只是根据基础的埋深及宽度，对土体的承载力特征进行修正；计算地基变形时，地基内的应力分布，则采用各项同性均质体线性变形体理论，按分层总和法计算。
归根结底，浅基础的荷载传递机理，还是采用的各项同性均质体弹性变形理论，按照弹性力学的原理求解附加应力分布。
2.2 浅基础地基破坏模式
不考虑基础本身的破坏，讨论地基的破坏形式。
浅基础的地基破坏，主要与土体的性质有关。有三种破坏模式：一是整体剪切破坏，二是局部剪切破坏，三是冲剪破坏（又称刺入剪切破坏）。
（A）整体剪切破坏： 三角压密区，形成连续滑动面，两侧挤出并隆起，有明显的两个拐点。（B）局部剪切破坏：基础下塑性区到地基某一范围，滑动面不延伸到地面，基础两侧地面微微隆起，没有出现明显的裂缝。（C）刺入剪切破坏（冲剪破坏）：基础下土层发生压缩变形，基础下沉，当荷载继续增加，附近土体发生竖向剪切破坏。
2.3 深基础的荷载传递机理
以深基础中常见的桩基础为例，分析其荷载传递机理。
当桩基受荷时，桩身上部产生压缩，而向下位移，其侧面将受到土的阻力作用，该桩侧阻力通过周围的土体向四周扩散。在桩顶荷载向下传递的过程中，必须不断的克服这种阻力，所以桩身轴力不断减小。到桩端时，桩身轴力与桩底土的反力平衡，同时使桩端土压缩，桩身进一步下沉，桩侧阻力进一步发挥。随着荷载增加，上述荷载传递过程循环进行，直至稳定。当桩侧阻力达到极限后，若继续增加荷载，则增量荷载全部由桩端土体承担，最后直至桩端土体破坏。
桩侧桩土相对位移是侧阻力发挥的条件，当桩侧阻力达到极限后，桩端土体的变形则是地基破坏的条件。
3.4深基础破坏模式
不考虑桩身材料的破坏，桩基础地基强度的破坏主要有以下几种：一是整体剪切破坏； 二是刺入剪切破坏；三是沿桩身侧面纯剪切破坏。
（A）桩端土整体剪切破坏： 桩穿越较弱层进入较硬持力层，当桩端压力超过持力层极限荷载时，桩端土中将形成完整的剪切滑动面，土体向上挤出而破坏。其 Q-S 曲线有明显的转折点，一般为摩擦桩及端承摩擦桩的典型破坏模式。
（B）刺入剪切破坏：在匀质土层中的摩擦型桩，其 Q-S 曲线没有明显的转折点，桩沿桩侧及桩端发生剪切与刺入破坏。
（C）桩侧纯剪切破坏：对于淤泥层较厚的钻孔灌注桩，其桩端几乎不能提供范例，桩沿桩侧面发生纯剪切破坏。
三、不良地质场地建筑基础的选型优化
不良地质现象指在地壳表层，由于地质作用或人类活动所引起的地表和地下岩体的各种变形及运动，对工程建设具有危害性的地质作用或现象。
所谓的不良地质条件，一般情况，均指存在着断层发育、岩体破碎、料场地质发生异变及含水量与最优含水量偏差较大等情况
不良地质主要有:软粘土、杂填土、冲填土、膨胀土、红粘土、泥炭质土、岩溶、湿陷性黄土、土层有孤石等。
现结合实际工程给大家分析面对不良地质场地，在保证符合规范要求的情况下，从减低工程难度和造价的情况出发，在设计阶段建筑基础可以如何进行优化。
3.1场地土层有大量孤石
孤石是残留于风化岩体中，多为中-微风化状，周围岩体多为全风化状，主要是不均匀风化的产物（如花岗岩的球状风化），孤石是独立存在的，一般处的位置不高；块石主要为坡洪积、崩积、滑坡堆积、倒石锥等形成，粒径大于20cm以的颗粒含量超过50%。对于浅基础，只需把影响施工孤石用挖出或爆破等手段清除掉就可以，但对深基础，则需具体问题具体分析，不能盲目按一般规矩来做，以下为一工程实例。
例，拟建工程为一栋5层工业厂房，建筑物为东西向，无地下室，中间柱子柱底轴力为7000~10000kN，据地质报告所示，场地土层分别为杂填土，粉质粘土，全风化花岗岩，强风化花岗岩，中风化花岗岩，但土层中30%的钻探孔显示有孤石，孤石埋深约10米~30米，且东侧岩层埋深较浅，地表以下2米就是全风化花岗岩，西侧岩层埋深较深，地表以下20米才中风化花岗岩，原设计建筑基础全部为冲孔灌注桩，持力层为中风化花岗岩。场地内有孤石，岩层分布不均匀，对于基础设计来说，全部用冲孔灌注桩是最保险的方法，因为第一可以简单的有效的控制建筑物的沉降差，第二遇到孤石可以简单的直接把它冲烂就行。但并不是最优的方法，因为冲孔灌注桩的施工周期长，造价高，成孔工艺较复杂，操作要求较严，易发生质量事故，特别是遇到孤石时，施工周期更长，造价更高，难度更大。根据实际情况，第一钻孔的见孤石率不高，只有30%，第二，孤石埋深都有10米以上，第三，建筑物的轴力不大，最高只有10000kN，因为经优化后，将东边岩层埋深较浅的位置改为天然独立基础，基础持力层为全风化花岗岩，西边改为预制管桩，将管桩的单桩承载力调低一点，控制桩长在10~15米左右，如果压桩时遇到断桩情况就在相隔1米处进行补桩。因为东西边分别为浅基础和深基础，基础间存在着沉降差，但因为东侧持力层为全风化花岗岩，地基承载力高，经计算基础间的沉降满足规范要求。经过优化之后，因为避开了大部分孤石，施工周期大概可以节省50%，造价可以节省20%，而且施工难度大大降低，在经济效益和管理效益上是最优的方案。
3.2场地土层有溶（土）洞
岩溶，又称喀斯特，是岩石长年累月，经地下水溶蚀、冲蚀而形成的一种地质现象。溶洞是可溶性岩石喀斯特作用形成的地下空间，广泛的存在于石灰岩地质之中。溶（土）洞为地下空间，其具有不可见性，大小不一，形状多种多样等特点。随着社会经济和建筑业的不断发展，土地资源的稀缺的问题越来越严重，为了节省土地资源，建筑物越建越高，相应地对地基的要求也越来越大。因为喀斯特地质广泛存在我国地质土层当中，因此最近几年因为基础施工时因溶（土）洞产生的意外（施工时可能造成地面塌陷及桩机陷落等事故）越来越多，如何在场地存在溶（土）洞时工程质量安全和经济效益上做出平衡是最近几年热烈讨论的话题。下面笔者举一实例分析遇到岩溶地质时在基础选型上可以如何优化。
例，拟建建筑为一栋八层购物中心，建筑高度为36米，设有二层地下室，地下室底板面标高为-10米，根据地质报告钻孔揭露，场地岩土层按其地质年代和成因类型自上而下可划分为人工填土层、冲积层、残积层和石炭系灰岩等四部分，钻孔见洞率为65.4%，岩溶发育程度属于强发育，大多溶洞无充填，洞高最大达5.80m，最小0.30m，分布在地表以下13到30米的位置。建筑物柱子柱底轴力为6000~14000kN，原设计基础形式为大直径灌注桩，持力层为微风化灰岩，平均桩长10m左右。除去溶洞这块，理论上持力层埋深浅，且天然湿度抗压强度大，可以有效控制建筑物沉降，大直径灌注桩的确是最好选择，但事实上该场地溶洞见孔率为65.4%，岩溶强发育，给施工灌注桩添加了不少不明确因素和风险。遇到这种情况，施工桩基础一般会用边施工边处理的方法，这样可以大大节省成本，但存在着极大风险，最近几年因为钻穿溶洞而造成溶洞区域堪榻，而造成人员伤亡的事例屡见不鲜。就算成功成孔，在倒混凝土时，因溶洞过高过大，混凝土的侧压力过大，泥浆护壁边侧无任何东西支撑，混凝土常压破护壁向四周泄漏，小则造成实际混凝土量比预算增多，造成经济的损失，大则造成桩身的断裂，成为废桩，严重影响了施工质量和施工进度。因此由上所述，该工程采用大直径灌注桩并不是最优选择。其实该工程有2个特点，第一，该建筑上部只有8层，地下室有2层，地下室底板面标高为-10米，第二，底板面有60%面积为全风化层，地基承载力为350kPa，其余为粘土层，地基承载力为180kPa且柱底轴力不高，所以综上2个特点，笔者认为筏板基础才是该工程的最优选择，主要是因为以下几点：一、从经济角度和施工难度出发，筏板基础为浅基础，具有受力简单明确，施工风险低，施工速度快，造价相对较低等优点；二、在溶洞处理方面，不用与溶洞进行面对面的碰撞，只需在筏板基础受力影响范围内的土洞和溶洞壳较薄的溶洞用灌浆方式将其填满即可，这样大大减低施工基础时溶洞所带来的风险和不确定性；三、在基础受力方面，该建筑地上8层，地下2层，底板面标高为-10米，由于将原地面以下13米厚的土壤开挖掉，用来建造地下室，则卸土土压力达180kpa，约相当于7,8层楼的荷载重量，即使相应于基底处的自重应力与水压力之和来补偿建筑物的基底压力，基底压力p恰好等于自重应力与水压力之和Pc，基底附加应力为零，从理论上讲，如果施工过程中基底中的有效应力与水压力无任何变化，则地基不会发生任何沉降，也不会发生承载力问题，即地基承载力180kPa已能满足设计要求，这时运用补偿原理，设计中基础、上部结构、地基土综合考虑，充分发挥天然地基的承载力，补偿性筏板基础不失为一种更优、更简便、更经济的好方法。
四．结束语
总结一下，对于建筑基础设计这个项目而言，首当其冲应当重视的问题就是合理的进行基础类型的选择，除了常规化操作之外，还需要结合上部结构、地基土、周边情况及施工情况等多方面因素进行综合考虑，以防止各种不必要的浪费、减低施工风险和难度从而提高工程进度，从而促进建筑企业经济利益的提高。
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