某高層住宅樓的地基基礎設計

謝忠華

福建華景建筑設計院有限公司（361000）

某高層住宅樓的地基基礎設計

謝忠華

福建華景建筑設計院有限公司（361000）

文章結合某高層住宅樓建筑的基礎設計，對幾種基礎方案進行對比，提出了變剛度端承樁復合樁基的基礎設計思路、基礎方案經濟技術比較優選過程以及設計方案的實際實施效果。

基礎方案；沖孔灌注樁；復合樁基；變形調節器；經濟性對比

1 工程概況

某住宅小區工程地上總建筑面積約16萬m2，其中一棟高層住宅地上面積約2.5萬m2,規劃為37層超高層住宅樓,地下2層,安全等級為二級，基礎設計等級為甲級,建筑抗震設防分類為標準設防類,地下室人防設防等級為核6級，抗震設防烈度為7度(0.15 g)，設計地震分組為第二組，基本風壓按50年一遇考慮，為0.8 kN/m2。該工程建筑場地類別為II類,設計特征周期0.40 s，屬對建筑抗震不利地段。

2 地質概況

勘察單位提供的勘察報告，見表1。

表1 勘察報告

主樓下基本地質剖面如圖1所示。

3 方案分析

工程層數較大，對地基要求較高，且場地內花崗巖殘積土層中分布有較多的大小不一的“孤石”,受此影響,預制樁基礎以及CFG樁復合地基、高壓旋噴樁復合地基等基礎方案無法實施。考慮到人工挖孔樁局部樁長超過15 m，根據地方規定，不得使用。其他可供選擇的基礎方案有厚板筏型基礎、沖孔灌注樁基礎和端承樁復合樁基礎。

圖1 工程地質剖面圖

3.1 筏形基礎

根據地勘單位提供的殘積砂質黏性土③承載力特征值fak=210 kPa，經深度修正后可以達到fa= 350 kPa(根據載荷板試驗，取fa=400 kP)。計劃按照大厚度筏板基礎設計，根據PKPM計算結果，,要求筏板面積不小于1 350 m2，即相當于筏板需要從主樓邊緣擴出至少6.0 m,底板厚度經沖切、剪切驗算應不小于3.0 m(見圖2)。

圖2 4#樓閥板基礎平面圖

3.2 沖孔灌注樁

根據地勘報告，沖鉆孔樁以中風化花崗巖為樁端持力層,樁身直徑1.0及1.2 m、設計樁長15～26 m、嵌巖深度0.5～1.0 m,單樁承載力特征值可達7 750 kN、10 450 kN,可沿豎向構件(剪力墻)位置布樁,共49根。承臺面積約380 m2,承臺厚度2.0 m，見圖3。

圖3 4#樓沖孔灌注樁基礎平面圖

3.3 變剛度端承樁復合樁基

根據組織的專家論證結論，通過在端承樁樁頂與基礎承臺(底板)之間安裝剛度調節器,“弱化”了端承樁的剛度,使得樁和土可以協調變形共同承擔荷載,形成復合樁基。本工程基礎承臺(底板)下地基土為承載力較高的殘積砂質黏性土③，并且根據該地區實際情況，進行地基土的現場平板載荷試驗，確定承載力特征值可達400 kPa;樁體采用直徑1.0 m的沖鉆孔灌注樁,樁長小于25 m,以中風化花崗巖為樁端持力層,單樁承載力可以達到7 750 kN。變形調節裝置支承剛度ka暫取178 500 kN/m，變形調節裝置自由變形的最大值約60 mm，地基基床系數ks根據平板載荷試驗取14 000 kN/m3。孔樁布置于剪力墻重心部位，共23根。承臺面積約為760 m2,承臺厚度2.0 m(見圖4)。

圖4 4#樓基樁平面圖（復合樁基）

4 經濟合理性分析

根據對不同基礎型式的結合該工程設計實例的造價和工期的分析（見表2），端承樁復合樁基的優越性得到充分體現。

5 技術合理性分析

5.1 厚板筏形基礎

厚板筏形基礎具有整體性好、剛度大、施工方便且工期短的特點,對于承載力較高、土質相對均勻的地基土,可以充分發揮地基土的承載力，在一定條件下是經濟的基礎型式，可以優先考慮。對該工程的適應性分析,優點:①場地范圍小,已完成的基坑維護結構的水平支撐梁梁底距離地下室底板面僅1.5～1.7 m，不利于大型機械設備作業，采用該基礎型式施工方便；②剛度大,整體性好,有利于調整不均勻沉降；③施工速度快,驗收程序簡單,大大縮短工期。缺點:①上部結構荷載非常大，需要筏板沿主樓范圍有較大的外挑,筏板厚度大,基坑開挖深度大,造價高；②筏板基礎的變形較大,差異沉降(傾斜)不易控制；③地基承載力必須有可靠的保證。花崗巖殘積土受到擾動或積水浸泡后承載力會迅速降低,施工時應有嚴格的保護措施,施工現場的管理難度較大。

表2 造價與工期分析表

5.2 沖孔灌注樁

承載力較高,對場地的適應性好,在廈門地區的高層和超高層建筑中應用較為普遍。然而近幾年的工程實踐也暴露出一些問題，主要表現為靜載試驗值小于理論估算值，樁底殘渣較厚，樁身完整性不良。究其原因,就是施工過程中孔壁容易坍塌、樁周泥皮超厚以及孔底殘渣不易清除干凈。對該工程的適應性分析,優點:①沖孔灌注樁基礎可以穿越殘積土層中發育的孤石，對場地內土層的復雜情況有很好的適應性；②以中風化巖作持力層的嵌巖樁,承載力高,沉降量小。缺點:①在軟弱土層、砂層中成樁時，泥漿護壁容易坍塌,會造成樁身夾泥夾渣,樁身承載力不容易保證；②樁身泥皮太厚,樁底殘渣清除不干凈，豎向承載力不容易保證。為了保證樁基施工質量，施工前基樁的豎向極限承載力應通過現場單樁靜載試驗確定。

5.3 變剛度端承樁復合樁基

在承載力較高的地基土上建造高層建筑，為滿足承載力和變形的雙重需要，采用樁土共同作用的復合樁基具有很好的經濟性。變剛度端承樁復合樁基是近年來出現的一種新技術，在廈門“嘉益大廈”和“藍灣國際”項目中得到成功的應用。它通過在端承樁頂部設置剛度調節器，實現樁土共同承擔上部荷載，達到了充分利用地基土的承載力和控制沉降的目的。

對該工程的適應性分析,優點:①殘積土參與承擔上部荷載后,以減少沖鉆孔樁的樁數,樁長也可以縮短,控制25 m以內,大大減小了施工難度,節約了樁基成本；②施工工期縮短，加快施工進度，保證工程質量。缺點:①施工時樁底殘渣較厚,樁身完整性不易得到保證，基槽開挖時對地基土必須有可靠的保證措施,施工現場的施工和管理難度較大；②對施工隊伍的技術和管理水平要求較高，變剛度端承樁復合樁基采用了一系列的新工藝新技術，需要信息化施工，加大了施工難度。

6 基礎型式的選定及設計方法

與其他基礎相比，變剛度端承樁復合樁基較有優勢:

1）殘積土內埋藏較多大小不一、分布不均的孤石,壓縮土層呈現剛度不均勻特征，結合地基土的不均勻程度布置變剛度端承樁，由剛度調節器的剛度調整地基土的剛度,實現主動控制差異沉降的目的。

2）當地基土的沉降達到預估允許沉降量后，將剛度調節器的空腔填充密實,地基土基本不再承載，后續荷載由端承樁承擔，由此可以大大減小基礎的總沉降,實現主動控制最終沉降量的目的。

3）充分利用了地基土的承載力,降低了端承樁的承載力要求,可以減小樁長,節約了工程造價。

4）有條件的基礎若采用人工挖孔樁，則會取得比沖孔樁復合樁基更好的經濟效益和更短的工期。

總之,該基礎技術合理、施工工期短、造價低,是較為理想的設計方案。通過優化分析，該項目的基礎型式最終選擇變剛度端承樁復合樁基。

6.1 變剛度端承樁復合樁基的設計概念

要實現端承樁和地基土的共同作用，必須考慮解決樁土的變形協調問題。為此,在端承樁的樁頂安裝剛度調節器(見圖5),使得端承樁的前期豎向剛度變小,端承樁在荷載作用下可以產生廣義的“壓縮”變形,基礎承臺隨之向下擠壓地基土,達到樁土共同承載的目的。

可以將變剛度端承樁復合樁基的工作狀態分為兩個階段。第一階段為樁土共同作用階段,上部荷載主要由地基土承擔,充分發揮地基土的承載力。第二階段為端承樁主要承載階段，該階段地基土壓力已經接近或達到設計允許值，這時將剛度調節器的空腔采用高強材料填充密實，后續加載主要由端承樁承擔。[1]

圖5 普通自適應樁頂剖面圖

圖6 剛度調節器現場施工圖

圖7 樁變剛度示意圖

6.2 端承樁變剛度的實現

如圖7所示,剛度調節器可看作一個剛度較小的彈簧,安裝在端承樁頂部與基礎承臺之間,通過調節器協調樁土之間的變形使得樁土共同承載。由于端承樁的剛度Kp比調節器的剛度Kt大很多(一般為十倍以上)，剛度調節器與下部端承樁的組合剛度與調節器自身的剛度大致相等，從而將端承樁的豎向剛度調節到一個較小的剛度水平(與剛度調節器自身剛度接近)，達到定量控制調節器的剛度,實現變剛度的目的。

6.3 端承樁復合樁基的承載力計算

當上部結構剛度和荷載布置相對均勻對稱時，結合承臺下地基土的承載力和剛度，盡可能在豎向荷載較大的位置上布樁，使得地基土和各端承樁的受力均勻，將基底土壓力和樁頂荷載控制在規范允許的范圍內，進而滿足承載力要求。對群樁筏形基礎，其豎向承載力可按下式計算:

其中:Q為上部結構豎向荷載設計值、基礎自重設計值及基礎上土重標準值；fa為修正后的地基土承載力特征值；A為承臺凈面積(承臺面積減去群樁的截面積)；Pa為端承樁單樁承載力特征值。

由于樁上部一定樁長范圍會受到樁側地基土負摩阻力的影響,計算端承樁的承載力特征值Pa時,應考慮將樁側土對端承樁承載力的貢獻予以折減。偏心荷載以及風荷載和地震荷載作用下端承樁復合樁基承載力的驗算，可按照高層建筑混凝土結構技術規程[JGJ 3-2010]有關基礎部分的章節進行。

6.4 變剛度端承樁復合樁基的沉降計算

端承樁樁頂設置了剛度調節器，復合樁基的沉降主要是第一階段的沉降量，即樁長范圍內地基土的沉降量Ss，也就是剛度調節器的變形量;到第二階段，復合樁基的沉降就是端承樁的沉降量SP，即樁身的壓縮量和樁端的“刺入”量，該復合樁基的沉降量S:

其中:S為復合樁基的沉降量；SS為第一階段地基土的沉降量；SP為第二階段端承樁的沉降量；SP與SS相比很小，可以忽略不計，工程上可以認為S= SS,所以復合樁基的沉降計算就是第一階段地基土的沉降計算。地基土的沉降計算可以按照現行建筑地基基礎設計規范[GB 50007-2011]5.3.5進行。

7 檢驗與監測

1）樁基檢測按普通樁基檢測驗收規范要求進行檢測。

2）加強對建筑物的沉降觀測。并進行記錄作為建筑使用后期觀察的參考資料。

3）施工期間及施工后期應進行變形調節裝置的變形監測。可通過位移傳感器進行監測，推薦使用套管法。套管法指將變形標識桿連接于樁端空腔體的下蓋板,套管則連接于樁端空腔體的上蓋板，變形標識桿穿過套管引出筏板，通過測量變形標識桿與套管的相對位移即可得知變形調節裝置的壓縮變形量。套管法中套管可與注漿管共用。

4）沉降觀測次數和時間應符合下列規定：施工期間至建筑物竣工期間的沉降觀測應隨施工進度及時進行,一般可在基礎底板完成后開始觀測，每施工完成一層觀測一次；建筑物主體封頂至裝修結束前，沉降觀測宜1～2月進行一次，裝修結束至沉降穩定宜2～3月觀測一次。

8 結語

在特定地質條件下，高層建筑的基礎選型應綜合考慮技術的可行性和造價、工期的合理性。通過該工程的基礎選型分析,提出合理的基礎方案，供大家探討及參考，同事期待同行們的指正。

[1]林樹枝,汪亞建.復合樁基新技術在廈門建筑工程中的應用研究[J].福建建筑,2010(06).

[2]周峰,宰金珉,梅國雄,廣義復合基礎的設計方法及應用[J].南京工業大學學報(自然科學版)，2009(03).

[3]宰金珉,周峰,梅國雄,王旭東,裴捷,廖河山.端承樁復合樁基及其設計方法[J].工業建筑，2008(01).

[4]GB 50007-2011,建筑地基基礎設計規范[S].