多高层坡地建筑地基基础设计及地质灾害防治

于 响

株洲市规划设计院

1 引言

随着城市的扩大和建筑工程技术的不断进步，多高层建筑的建造场地范围不断扩大，场地的地质环境也越来越复杂。坡地具有复杂的场地地质条件、边坡稳定要求，多高层建筑建造于坡地上时，需要坡地具有较高的地基承载力，建筑本身也将承受更大的地震作用和风荷载，并且容易出现倾覆和滑移的问题。这些因素叠加导致多高层坡地建筑地基基础具有较高的设计难度。另外地基基础施工、边坡施工、强降水渗流有可能引发坡地地质灾害，威胁人员安全，影响建筑安全。为了缓解和减少多高层坡地建筑地基基础设计的不利条件，需要在科学选型设计和合理施工的基础上，做好前期地质调查评估、检测、总图设计、边坡处理、设置支挡结构，为安全建设、科学施工提供技术支持，从而保证工程质量和工作人员安全。

2 多高层坡地建筑地基基础设计的重要性

多高层坡地建筑地基基础设计影响建筑物的安全性、经济性和合理性。从安全性来分析，多高层坡地建筑地基基础既决定了建筑上部结构的使用安全，还决定了建筑抗滑移和抗倾覆能力，影响边坡施工和场地稳定。基础工程属于埋藏于地下的隐蔽工程，难以改善和维修，一旦出现问题或者事故，补救和处理都较为困难。从经济性方面看，地基基础工程费用占整个工程费用比例较大。以上海市为例，多高层（三十层至五十层）建筑地基基础工程占整个建设费用的五分之一，超高层（五十层以上）甚至会占到三分之一。坡地建筑在此基础上还需额外增加边坡处理、支挡结构、基础抗倾覆抗滑移处理、防渗处理，甚至是场地地基加固的费用，投资更为巨大。因此，多高层坡地建筑地基基础的精细化科学化和合理化设计应该成为保证建筑和场地边坡安全可靠，合理节约工程造价的重点。

3 设计坡地建筑地基基础过程中遇到较多的问题

3.1 地基的渗透问题

坡地存在较大水头差，地表易形成渗流，地基基础及地下室底板侧墙容易渗水。渗水将严重影响建筑使用，还易导致建筑质量问题，当渗水压力超过临界渗透压力时，地基土会被水流带走和侵蚀，在管涌作用下流失严重，导致整个地基的损坏。地表渗流可采用在坡顶设置截水沟拦截的方式处理，并在建筑四周增加集水井、设置明沟或盲沟汇集水流并将水及时排走。基础、地下室底板和侧墙可采用防渗混凝土、增加混凝土厚度及外贴防水材料隔水处理，确保其不渗水。

3.2 地基的沉降问题

坡地地层倾角大，分层不均匀，地层中存在软弱夹层，山坡沟槽位置易出现深厚软弱土，如果基础底部出现此类土层，基础可能会出现沉降和倾斜的情况。当沉降不均匀或者位移数值较大时，部分地基荷载将会超过地基承载力，地基基础可能会破坏开裂，甚至导致建筑倾斜倒塌等严重安全问题。因此当地层分层不均匀或有软弱下卧层时，应验算软弱下卧层，有必要时对土层采用素混凝土换填或采用桩基础，确保建筑基础可靠安全。

4 多高层坡地建筑地基基础设计采用的设计方法

多高层坡地建筑地质条件复杂、场地边坡条件差，地基基础设计的重要性比平坦场地更为突出。首先是地基承载能力方面，坡地建筑的地基岩层倾角较大，岩层种类繁多，性质多变，容易存在软弱夹层。山坡的沟槽位置易存在深厚堆积软弱土，设计时应详细分析地勘报告，并进行软弱下卧层验算和基础沉降变形验算。地基承载力不够或者沉降较大时，可将基础选型为桩基础，适当加长桩长，将上部结构荷载尽量传递至坡底，减少山坡坡体的附加荷载，减小多高层塔楼与裙房的沉降差以及绝对沉降量。设计时需注意桩基础为嵌岩桩时，桩端嵌入岩石深度需以斜坡较低位置的高度确定。也可采用增加地下室层数的设计方法，该方法首先可减少坡顶荷载，地下室的内部是空置的，减少了同等体积土的重力荷载，相当于削方的作用；其次可以将荷载尽量往坡底传递，当坡较矮时可直接将基础设置于坡底面上；再次增加地下室层数使建筑安全可靠的嵌固与坡体中，形成稳定的结合体，确保多高层建筑的抗倾覆抗滑移能力，有利于结构的抗风和抗震。其次，建筑处于边坡上时不可避免需要抵挡边坡土岩层侧向压力。场地条件允许时，挡墙应与塔楼分离设计成边坡支挡结构的形式，如预应力锚索挡墙等。当多高层塔楼侧墙必须与挡墙合建为一体时，需要将侧向主动土压力组合多高层建筑的不利方向水平荷载（风及罕遇地震）进行建筑的抗滑移和抗倾覆验算。验算通不过时可采用在基础上增加预应力锚索锚杆或者抗拔桩的形式进行加强处理，确保建筑抗滑移抗倾覆能力通过验算，确保基础安全可靠。第三，位于山顶高层建筑的鞭梢效应比较明显，振动放大，烈度比平地会提高。依据《建筑抗震设计规范》，当边坡高度较高或者建筑处于山嘴、高耸孤立的山丘、强风化岩石陡坡时，需要考虑水平地震影响系数的放大。由于高层建筑处于山顶，建筑物受到的地震烈度比平地高，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）4.1.8条，应该把水平地震影响系数最大值乘上放大系数：

式中：

λ——局部突出的地形顶部地震影响系数的放大系数；

α——局部突出的地形地震动参数的增大幅度；

ξ——附加调整系数。

得到地震动参数放大系数将地震力放大，然后进行模型计算设计。

第四，建筑处于边坡上时风荷载需要放大。根据《建筑结构荷载规范》（GB 50011—2010）8.2.2条，对于山区建筑，风压高度变化系数除按平坦地面粗糙度的类别确定外，尚应根据地形条件进行修正，修正系数为：

式中：

tanα——山峰或山坡在迎风面一侧的坡度；

κ——系数;

H——山顶或山坡全高，m；

z为建筑物计算位置离建筑物地面高度，m。

多高层坡地建筑需优先选用桩基础，针对坡地建筑起伏很大的地层，桩基础具有传力直接，安全度高，成本低的优点，当条件不允许在建筑上方坡体中设计支挡结构时，桩基础还需兼顾具有坡体抗滑作用，在设计过程中，应与岩土工程师配合，可采用边坡规范折线滑动法计算作用于桩基础上的剪切力，对桩基础的箍筋和箍筋间距进行设计。当承载力不够时应加大桩身直径、箍筋直径和加密箍筋间距，或者采用矩形桩及长椭圆形桩，利用截面模量较大的方向抵抗下滑力。坡地建筑桩基础特殊的地方还有其嵌岩深度，应从岩体破裂面以外水平长度大于2m开始计算，且满足相邻桩底连线与水平线之间夹角不大于45°。依据“桩底部应力扩散的范围内没有岩体的临空面”要求，台阶地上外边界的桩基基础埋深应低于台阶地高度，桩基基础应满足上述相应要求。因此，人工挖孔灌注桩的桩长度与桩所在的位置相关。当桩长小于6m或者桩长大于6m但长径比小于3时应按桩墩基础考虑，使用天然地基承载力特征值作为桩端承载力特征值计算。当桩基基础嵌固于岩体中时，按照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）6.5.1条要求，岩石地基无须进行地基变形计算，桩与桩之间应设置基础拉梁确保基础的整体性。

5 坡地建筑设计过程中应重视的地质灾害

使地质灾害产生的因素可划分成天然的地质灾害及人为的地质灾害。自然地质灾害是指自然条件下的地壳活动等由地球动力作用产生的不受人为控制的自然灾害，如地震等；人为地质灾害则是指人类在开发过程中对自然条件和地质情况进行人为的改造活动和作业引发的灾害，如泥石流、滑坡、塌陷等，坡地建筑受影响的地质灾害主要是人为的地质灾害。

5.1 滑坡灾害

滑坡是坡地建筑中最为容易出现的地质灾害，产生原因一般为原有地质条件差和人为施工影响。随着人为工程活动的变多，自然条件下的坡地被大幅度改造，在边坡施工和地基基础施工过程中，经常采用强行开挖和爆破的方法，极其容易导致滑坡，给人民的生命财产安全造成严重影响。

5.2 泥石流灾害

泥石流是破坏力极强的地质灾害，具有很强的破坏性和爆发性。泥石流地质灾害一般只有几个小时，主要发生在地质构造复杂和地表岩石破碎的地区，这些地区的强降水会导致泥石流的频发。坡地建筑设计时应提前进行详细场地地质调查，选址时应避开泥石流危险地段。

5.3 崩塌灾害

崩塌同样是坡地建筑中容易出现的一种地质灾害，是由于斜坡承受不住岩石和土体的重量，进而引起土体坠落堆积在坡脚的现象。崩塌主要是边坡施工作业和排水工作容易产生土洞、土方堆积，从而导致崩塌灾害；引起的原因是边坡施工方式错误，未提前进行技术交底和操作培训，导致未及时清除危岩、覆土荷载分布不均匀，坡体失去平衡从而引发崩塌。防止崩塌的措施主要有进行科学合理的坡地建筑规划和边坡设计，提前清理边坡，减小边坡的坡率至合理范围，对边坡进行喷锚加固等。

5.4 沉降灾害

沉降灾害是一种严重的地质灾害，大多发生在一些土层复杂、土质疏松的区域以及山坡的向斜凹槽区域，充填土层由砂土、黏土和淤泥等成分组成，具有薄、疏松和易变形的特点。坡地建筑施工时会大面积开发地下空间，这将导致松土层更易出现沉降，导致地面出现了大规模裂缝，影响建筑的整体安全。

6 在坡地建筑地基基础设计时可采取的防治地质灾害的措施

6.1 合理预估和检测灾害

在地质调查试验和分析的前提下，设计师应对坡地建筑场地地质灾害发生概率进行详细的评估。地质灾害主要体现为历史性的地质灾害及潜在的地质灾害两种。为了防止这两种地质灾害的产生，在坡地边坡和坡地建筑地基基础施工前，应做好潜在地质灾害的调查和历史遗留地质灾害研究，对灾害发生的地点、概率及危害程度作出全面的评估。为了尽早地发现地质灾害，勘察单位应结合当地的地质、气候以及水文条件，明确地质灾害发生的概率、范围和强度，将场地划分为危险区与安全区。对危险区的不稳定坡体提前进行清理和加固；在高差较大位置分阶段设计，设置挡土墙进行支挡。对基础处于软弱土层上方时进行合理的基础选型或提前进行地基处理，尽量从技术层面提前做好预防措施，避免和减少地质灾害的发生。边坡处理和建筑施工单位应提前制定危险发生时的撤离方案和紧急避险预案，确保人员安全。

6.2 在总图设计中将多高层坡地建筑融合于环境

多高层坡地建筑地基基础的设计施工过程中，可充分与场地周边地质环境融合在一起，可以整平坡地为许多连续的台阶地,建筑物跨过各级台阶沿着坡建造等。坡地建筑需合理科学地进行设计，优化规划总图方案和边坡处理方案。为了更好地减少地质灾害，在总图设计时应与结构岩土设计进行前期协调。总图设计是全部场地的总体规划设计，涉及场地功能区布置、道路规划等，获批后原则上无法改变。对坡地建筑来说，与平地建筑最大的不同就是坡地道路的坡度控制与调整应考虑依山而布置的原则。设计重点一般在建筑物及道路的布置上、场地平整挖填方平衡分析。对于低矮缓坡地采用挡墙支挡边坡边缘即可，对于支当面条件复杂，高填、深挖的场地，采用挡墙支挡就不满足要求且它的高度有限，按照《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013），挡墙总高度应控制在10m以内，外露8m。采用高挡墙设计时，挡墙厚度增大，占地变宽，对已有自然坡的挖方将更多（挡墙同时增高），挡墙前趾地基强度也会有问题。对于高填方场地，应综合细化分析协调处理。对于过大的挖方工程，其边缘支挡已不是普通支挡结构可胜任的边坡处理问题，将会涉及山体滑坡等稳定问题，因此结构、岩土等设计工作的早期介入，对总图设计的布置、挖填方的调整控制、建筑物基础稳定条件分析等，有至关重要的作用。

7 结束语

随着城市建成区不断地扩大,建筑有时需要建在坡地上。在坡地上建造较多的多高层建筑时,应将其整平为一些连续的台地,建筑物跨过各级台地依坡建造。在这种场地上建造房屋,地形、地貌及地质条件很复杂,其总图、结构设计及施工有其重要性及特殊性。有可能设计出风格独特的作品,也可能由于结构设计及施工不合理而造成事故。多高层建筑建在斜山坡上时,建筑及结构设计的重点是总图设计、边坡处理、支挡设计，多高层地基基础设计、风荷载地震荷载放大处理以及地质灾害防治问题。在设计多高层坡地建筑的地基基础过程中，应提前进行详细的地质调查和分析，充分结合场地地质条件和地形进行建筑方案规划设计总图设计及边坡处理，严谨科学地进行边坡、基础和上部结构设计。充分分析土质和水文环境等因素的影响，根据不同环境和地质采取相应的设计方案，为减少地质灾害安全隐患，最大限度地设计科学合理的基础方案。地基基础施工时，施工方案应尽量体现设计意图，为多高层坡地建筑地基基础的安全交付使用保驾护航。