某高層建筑的基礎設計分析

黃進芳

廈門市住宅設計院有限公司（361000）

某高層建筑的基礎設計分析

黃進芳

廈門市住宅設計院有限公司（361000）

這里以某高層建筑為實例，通過幾種基礎方案的對比分析及經濟技術的比較優選，提出了平板式筏形基礎加減沉疏樁的基礎設計思路及實際實施效果，以期對此類工程給予參考。

基礎方案；設計分析；筏形基礎；減沉疏樁

1 工程概況

某大廈位于廈門市湖濱南路北側，閩南大廈東側，后埭溪路西側，處于廈門黃金地段。該工程總建筑面積約6萬m2，是一棟以辦公為主的高層5A甲級寫字樓。其中：地下3層，建筑面積約2.4萬m2，埋深約16m，地下第三層人防設防等級為核6級，地基基礎設計等級為甲級；地上主樓24層，建筑高度為97.75m，裙房3層，采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系，單柱最大內力約25 000 kN。

根據廈門地質工程勘查院提供的勘察報告,本工程地質剖面和各土層的物理力學綜合指標見表1。

2 基礎方案分析

本工程場地內雜填土層中分布有較多大小不一的“孤石”，且地下室開挖深度達16m，受此影響，不宜采用PHC樁、TSC薄壁鋼管混凝土樁。同時，由于該工程主樓局部已有全風化層揭露，而目前大直徑沉管灌注樁施工長度只有36m,因此大直徑沉管灌注樁的有效樁長局部無法滿足工程要求。另外，由于人工挖孔樁施工安全隱患較突出，根據閩建【2006】38號文，樁長不得超過15m。若本工程采用人工挖孔樁，按持力層為全風化花崗巖或砂礫狀強風化花崗巖,樁身直徑1.2m,樁端擴大頭2.0m,樁長15m進行計算,單樁承載力特征值為3 000～4 800 kN，單樁承載力偏低,加上場地地下水位較高，施工降水困難，因此人工挖孔樁也不宜采用。基于上述情況，以下著重對比分析沖（鉆）孔樁灌注樁、平板式筏形基礎、復合樁基礎及平板式筏形基礎加減沉疏樁。

2.1 沖（鉆）孔灌注樁

以砂礫狀強風化花崗巖為樁端持力層，樁身直徑1.3m，有效樁長40m，樁端進入持力層深度17m，單樁豎向承載力特征值Ra=7 600 KN，主塔樓四周單柱下大多為三樁，核心筒區域為群樁，純地下室區域有抗浮起控制作用,單柱下需布兩根抗拔樁，承臺厚度1.8～2.3m。由于緊鄰本工程的湖濱二里住宅樓為老舊建筑，為盡量避免施工振動對其結構造成影響，施工時宜采用鉆孔成樁。

2.2 平板式筏形基礎

表1 地基土層物理力學性能綜合指標

按照平板式筏形基礎設計，以殘積礫質黏性土為持力層，初勘時承載力特征值fak=230 kPa（參照廈門地區嘉益大廈、當代天境等工程載荷板試驗的結果，殘積土承載力特征值估計可提高到310～350 kPa），經深度寬度修正后fa=470 kPa，按土的抗剪強度指標（Ck=30 kPa，Φk=22°）確定的地基承載力特征值fa=650 kPa。根據以往工程經驗，主樓筏板基礎可采用外擴一跨（7～8m）來減小基底壓力，同時也減少了純地下室設置抗浮錨桿或抗拔樁的范圍。這樣主塔樓區域筏板面積約3 000m2，經計算得筏板底平均反力為457 kPa，筏板厚度經沖切、剪切驗算應不小于2m，核心筒區域采用2.4m。

2.3 復合樁基礎

采用人工挖孔灌注樁的復合地基，通過在樁頂與基礎承臺(底板)之間安裝變形調節器來弱化樁的剛度,使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)下地基土修正后承載力特征值可達470 kPa;樁體采用直徑1.2m的人工挖孔灌注樁，樁長按12m，以全風化花崗巖或砂礫狀強風化花崗巖為持力層，單樁承載力可以達到2 300 kN，樁距按3～4 d布樁,主樓下共150根。承臺厚度1.6～2.0m。

2.4 平板式筏形基礎加減沉疏樁

按照上面2.2所列的平板式筏形基礎進行設計，依據變剛度調平設計的原則，在各框架柱的筏板下分別加設一根直徑1.2m或1.5m的人工挖孔灌注樁，核心筒區域加設19根直徑1.4m的人工挖孔灌注樁，人工挖孔樁均不加擴大頭，同時在所有樁底均鋪設300mm厚砂石墊層。

3 技術合理性分析

3.1 沖（鉆）孔灌注樁

沖（鉆）孔灌注樁具有承載力高，對場地適應性好的特點，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、樁周泥皮超厚及孔底殘渣不易清除干凈。對本工程的適應性分析，優點：①沖孔灌注樁基礎可以穿越各土層中發育的孤石，對場地內土層的復雜情況有很好的適應性；②以砂礫狀強風化花崗巖作為持力層，承載力高，沉降量小。缺點：①在軟弱土層、粗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；③為達到設計需求的承載力，樁長較長，工期長，造價高。為保證單樁豎向承載力，采用沖（鉆）孔樁時需采取反循環施工工藝，并對樁端樁側采取后注漿措施。

3.2 平板式筏形基礎

具有整體性強、剛度大、質量易于保證、施工方便、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形式，可以優先考慮。對本工程的適應性分析，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1.5～1.7m，不利于大型機械設備作業，采用該基礎形式施工方便；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；②筏板基礎的變形較大，與純地下室區域沉降差較大；③地基承載力必須有可靠的保證，殘積礫質黏性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。

3.3 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較好的經濟性。變剛度端承樁復合樁基是近年來出現的一種新技術，在廈門只有“嘉益大廈”和“藍灣國際”等極個別項目中采用。它通過在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。對本工程的適應性分析，優點：①殘積土參與承擔上部荷載后，不僅可以減少人工挖孔樁的樁數，取消樁端擴大頭,樁長也可以縮短，控制13m以內,大大減小了施工難度，節約樁基成本；②相對于采用沖（鉆）孔樁施工工期大大縮短。缺點：①殘積礫質黏性土受到擾動或積水浸泡后承載力會迅速降低,基槽開挖時對地基土必須有可靠的保證措施，對人工降低基坑內的地下水位也有更高的要求，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。

3.4 平板式筏形基礎加減沉疏樁

對于框架-核心筒結構高層建筑,在天然地基承載力基本滿足要求的情況下，可在框架柱和核心筒區域設置減沉的摩擦型樁，用于控制沉降，協調變形。同時，樁底加設砂石墊層，當樁頂的荷載達到樁的極限承載力時，樁可以向下刺入，保證了基樁有一定的下沉空間。因此，與平板式筏板基礎相比，其還具備以下優點：1）采用加設減沉樁，有利于進一步提高整個結構的安全度；2）樁基承受了部分荷載,有利于減少主樓的沉降量及與純地下室區域的沉降差；3）挖孔樁可以利用第三道支撐（總的三道）施工及養護期間穿插施工，以縮短工期。

4 造價及工期合理性分析

幾種基礎形式的造價和施工工期的比較分析見表2。可以看出，平板式筏形基礎加減沉疏樁明顯優于其他基礎形式。

5 基礎形式的選定及設計理念

5.1 基礎形式的選定

與其他基礎形式相比，用平板式筏形基礎加減沉疏樁有如下優勢：

1）充分利用地基土的承載力，可降低樁的承載力要求，減小樁長，節約工程造價，縮短工期。2）當地基土的沉降達到預估允許沉降量后，樁將樁底砂石墊層的空腔壓縮密實，后續荷載由樁承擔，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）結構體系采用框筒結構，結合變剛度調平的原則布置減沉樁,由樁參與協調變形，可減少差異沉降，實現主動控制差異沉降的目的。4）采用樁底加砂石墊層的做法替代樁頂加剛度調節器，節約了工程造價，并將施工難度大大降低。

總之,平板式筏形基礎加減沉疏樁技術合理、施工工期短、造價低，是較為理想的設計方案。

5.2 設計理念

1）要實現樁減少沉降的作用，必須考慮解決樁土的變形協調問題。為此,在樁底鋪設砂石墊層,使樁的前期豎向剛度變小，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。平板式筏形基礎加減沉疏樁這一基礎形式的工作狀態可分為兩個階段。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。第二階段地基土因壓縮沉降后，樁將樁底砂石墊層壓縮密實，后續沉降主要由樁承擔。根據上部結構剛度和荷載布置情況，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減沉樁，使各區域地基沉降趨于均勻。同時，由于殘積礫質黏性土被擾動后，會造成土體結構崩解，強度降低，壓縮性提高，因此減沉樁選型和布置應從以下幾點考慮：①為摩擦型樁，達到極限時能有所刺入；②對土體的擾動越小越好，為此樁數要少，樁長要短；③在現有的場地中可以施工。從這三點出發，較可行的樁型只有人工挖孔樁。2）為有效解決主樓及純地下室結構之間的差異沉降，首先在塔樓基礎加設減沉樁；其次在主樓與純地下室筏板間加設沉降后澆帶，及待主樓結構主體自由沉降基本完成后再封閉后澆帶，以減小主樓結構的后期沉降，較好地解決本工程主樓和純地下室間差異沉降的協調設計問題。3）為增加筏板基礎的整體剛度，提高建筑安全度，降低施工難度,除主樓與純地下室區域采用沉降后澆帶外，地下室筏板均添加膨脹添加劑，并采用膨脹加強帶替代常規的溫度后澆帶。4）主樓外挑區域通過加設局部褥墊層的做法來協調變形。5）根據變剛度設計原理，純地下室采用1 000mm厚的板筏基礎,局部為滿足沖切要求加厚到1 100mm。地下室除結構自重外設計水浮力近100 kPa,采用直徑180mm的抗拔錨桿,有效長度19m，布孔間距1.5m,單根抗拔承載力特征值200 kN,主筋按每年0.02mm被動腐蝕考慮50年后可滿足要求進行計算,采用1根直徑25mm的高強精軋螺紋鋼筋（PSB830），基坑開挖時先挖至底板底標高+1.0m時進行錨桿施工，待錨桿施工及檢測完成后開挖至底板底，以減少對持力層土體的擾動。采用抗拔錨桿（工期約45 d）具有如下優點：①布置靈活；②滿堂布置可以減少底板的彎矩和底板的厚度；③施工設備簡單，可以下坑底施工。而采用沖孔樁作為抗浮樁需要的施工空孔深度很大,由于泥漿護壁，泥皮的作用使抗拔力大幅降低。

表2 造價與施工工期比較分析

5.3 實際實施效果

基坑開挖后的平板載荷試驗結果為：殘積礫質黏性土地基承載力特征值為600 kPa，可滿足受力要求；現工程主體結構已封頂，主體驗收時各沉降觀測點的沉降觀測值均小于20mm，驗證了原先設計思路的可行性。

6 結語

通過以上的比較分析，筆者認為在特定地質條件下，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，提出合適的基礎設計方法，供同行探討及參考。

[1]GB 50007-2011,建筑地基基礎設計規范[S].

[2]JGJ 94-2008,建筑樁基技術規范[S].

[3]李勇.北京當代MOMA工程結構設計，建筑結構優秀設計圖集[D].中國建筑工業出版社，2010,10.

[4]嘉益大廈復合基礎課題研究小組，廈門嘉益大廈高層建筑廣義復合基礎技術研究報告[R].

[5]劉金礪.建筑樁基技術規范應用手冊[M].中國建筑工業出版社.