南昌九州天虹廣場基礎方案優化設計

黃玉屏

（中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌330031）

1 概述

建筑位于南昌市撫生南路與九洲大街交叉口以西，距贛江約5 km。建筑物地下三層，負一層為大型超市，負二、三層為地下車庫、設備用房及部分人防地下室。地上由超高層寫字樓和購物中心裙樓組成：寫字樓地上27 層，房屋高度122.400 m；購物中心集娛樂、餐飲、影院等為一體的商業綜合體，地上主體為6～8層，高度28～45 m。建筑剖面見圖1。

圖1 建筑剖面圖（單位：m）Fig.1 Building section

建筑±0.000絕對標高為+21.100 m，三層地下室層高分別為6.20，3.80和4.10 m。地下室底板落在中密粗砂層上，上部建筑荷載差異顯著；場地距贛江很近，地下水位的升降與贛江水位密切相關，抗浮水位很高且變化幅度大。基礎設計面臨著上部荷載差異顯著、地下水浮力大等重大技術難題。通過對樁基（承臺）+抗浮錨桿（抗拔樁）+防水底板和筏板+局部抗浮錨桿兩種基礎型式的綜合分析對比，優化選擇了合理、經濟的基礎型式，解決了本工程結構方案設計的關鍵問題。

2 地基工程地質條件

根據巖土工程勘察報告，場地巖土層自上而下為雜填土、粉質粘土、細砂、中砂、粗砂、礫砂、強風化和中風化泥質粉砂巖。抗浮設計水位絕對標高為+18.000 m。地基土層分布見圖2，巖土層力學設計參數詳見表1。

圖2 地基土層分布示意圖Fig.2 The foundation soil distribution diagram

表1 各巖土層力學設計參數表Tab.1 List of each layer geotechnical mechanic design parameter

第⑤層粗砂層為灰色，中密狀態，飽和，主要礦物成分為石英、云母、長石，級配較好。

第⑧層中風化泥質粉砂巖為紫紅色，風化裂隙一般發育，巖芯呈碎塊狀、短柱狀、柱狀。屬軟巖-極軟巖。

3 基礎設計

地下室底板板面標高為+6.900 m，落在第⑤層中密粗砂層上。粗砂層地基承載力特征值180 kPa，可作為防水底板或筏板基礎的持力層，中風化泥質粉砂巖也可為樁基的持力層?？垢≡O計水位高于地下室底板板面11.100 m。

根據地基工程地質條件和工程特點，并參考借鑒類似工程：王嘯等［1］在地下室抗浮設計水頭7.2 m時，基礎采用1.2 m厚的筏板，中庭處的筏板局部加厚至1.8 m，考慮了筏板協同上部框架梁、柱上部結構荷載和地下水浮力作用。趙寶利［2］在地下室抗浮設計水頭11.17 m時，采用承臺（兼柱帽）+筏板+抗壓兼抗拔樁的基礎型式，筏板厚度0.9 m。馬竹青［3］在青島火車站地下室設計中，提出了用抗浮錨桿取代抗拔樁的設計思路，較抗拔樁方案工期提前4 個月，總造價節約103萬元。李哲琳等［4］從施工工期、難易程度綜合比較抗拔樁和抗浮錨桿，認為抗浮錨桿相比抗拔樁更具適應性，施工相對簡單，對保證工程質量有積極作用。

司徒德冠［5］和王毅［6］介紹了目前國內地下室抗浮通常采用的3種措施：

1）配重法。利用建筑地下室底板及以上的結構自重（不包括建筑活荷載及裝修荷載）來抵抗地下水的浮力。當水的浮力與建筑物的自重相差不大時，較為經濟。

2）抗拔樁?？拱螛对O計應同時考慮兩種不利荷載工況：一是地下水位最高，即達到抗浮水位時，抗拔樁承受豎直向上的力，并通過樁身與周圍土體的側摩阻力將其傳給基礎下地基土體；另一種是地下水位下降至基礎底面以下，此時，抗拔樁和其他基樁一起承受全部豎直向下的荷載，也即抗拔樁成為抗壓基樁。兩種工況下，同一根抗拔樁的承載力、裂縫、變形的計算明顯不同，抗拔樁的樁長和樁數應同時滿足這兩種工況的要求。

3）抗浮錨桿。抗浮錨桿受力最為直接，通過自身抗拉將地下室結構整體和基礎巖層或者堅硬土層拉住。施工工藝簡單，適用于堅硬土層或巖層地基。

本工程地下室水位高，配重法不適用。采用抗浮錨桿來進行地下室的抗浮，比抗拔樁施工工期更短，且造價更為經濟。

3.1 超高層寫字樓基礎方案

寫字樓地上為框架-核心筒結構，為滿足豎向承載力要求和沉降量的控制，擬采用樁-筏基礎?；A的筏板厚度由筒體與框架柱處抗沖（剪）切承載力控制，并充分考慮核心筒與外框架柱間的沉降差異及基礎底板的整體彎曲變形影響。經驗算，筏板厚度2.00 m，筏板基礎的沉降量滿足了規范限值要求。

樁基采用Φ1 000、Φ1 100兩種樁徑的鉆孔灌注樁，樁端持力層為中風化泥質粉砂巖。根據場地內試樁報告，單樁豎向承載力特征值分別為6 500 kN，7 800 kN，平均樁長約13 m。

經驗算，該區域結構自重大于地下水浮力作用，故樁基礎不考慮抗浮設計。

3.2 購物中心基礎方案

購物中心地上為框架結構。在不考慮建筑上部結構活荷載，僅考慮結構自重的條件下，裙樓（含三層地下室）總重量平均為91 kN·m-2。地下室底板厚度按350 mm考慮，底板底標高6.550 m（6.900-0.350），設計水頭高度11.45 m（18-6.55），則地下室底板所受的地下水浮力標準值為114.5 kPa，結構整體抗浮不滿足要求，基礎設計時必須考慮地下水浮力的作用。適用的基礎型式有兩種：方案Ⅰ“樁基（承臺）+抗浮錨桿（抗拔樁）+防水底板”，方案Ⅱ“筏板+局部抗浮錨桿”。

3.2.1 方案Ⅰ：樁基（承臺）+抗浮錨桿（抗拔樁）+防水底板

利用樁基承受上部結構的豎向荷載，選用直徑分別為Φ800、Φ900、Φ1 000的鉆孔灌注樁，樁端持力層為中風化泥質粉砂巖，樁端進入持力層不小于1 d。

采用抗浮錨桿（抗拔樁）來抵抗地下水浮力，使地下室底板處于自平衡狀態。

防水底板是構造底板，板厚較薄，剛度較小，僅考慮承受地下底板水浮力（向上）以及底板自重與板上活載（向下）所產生的作用。

1）抗浮錨桿和抗拔樁抗浮方案的技術經濟比較

（1）抗浮錨桿?？垢″^桿的承載力特征值Rt對甲級建筑物是通過現場試驗確定，并應滿足規范［7］公式（8.6.3）Rt≤0.8 πd1lf的要求，且現行規范對抗浮錨桿沒有裂縫寬度的限值要求。

勘察過程中，在場地內完成了三根錨桿的抗拔試驗。錨桿孔徑Φ180，采用普通硅酸鹽水泥P.0 42.5，水灰比0.40～0.60，注漿體強度不低于30.0 MPa，錨桿入持力層中風化泥質粉砂巖3 m，內配1ΦT36（PSB930）通長高強預應力錨筋，錨桿長度約12～13 m。單根錨桿抗拔承載力特征值為400 kN。

（2）抗拔樁。抗拔樁的環境類別為二a，裂縫控制等級為三級，最大裂縫寬度限值0.20 mm。根據圖集［8］，擬選用BZ800-10-C-C30，即樁徑Φ800，縱向鋼筋10Φ20，箍筋Φ8?？拱螛痘炷罜30，樁全截面進入持力層中風化泥質粉砂巖3 d，樁長約12～13 m，單根抗拔樁受拉抗裂承載力標準值為400 kN。

抗拔樁的受拉抗裂承載力標準值由3方面決定：

①據規范［9］公式（5.4.6-1）Tuk=∑λiqsikuili得出樁基的抗拔極限承載力標準值，該值取決于土層性質。式中λi為各土層的抗拔系數，qsik為樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值，ui為樁身周長，li為第i土層的厚度。

②據規范［9］公式（5.8.7）N≤fyAS+fpyApy得出樁的正截面受拉承載力，該值取決于樁身的配筋。式中fy和fpy為樁身所配的普通鋼筋和預應力鋼筋的抗拉強度設計值；AS和Apy為樁身的普通鋼筋和預應力鋼筋的截面面積。

③據規范［9］公式（5.8.8-4）wmax≤wlim，式中wmax為按荷載效應標準組合計算的最大裂縫寬度，wlim為最大裂縫寬度。經查［9］表3.5.3，在二a類環境中，鋼筋混凝土樁裂縫控制等級為三級，Wlim是0.2 mm。裂縫寬度Wlim=0.2 mm的條件下，由規范［10］公式（7.1.1-3）wmax≤wlim和［10］公式（7.1.2）wmax=αcrψσs（1.9cs+0.08deq/ρte）/Es得出的樁身受拉抗裂承載力標準值，也取決于樁身的配筋。

由此可見，因為混凝土抗拉強度相對很差，在正常使用極限狀態下，樁身混凝土出現裂縫退出工作，樁的縱向鋼筋承擔全部拉力。抗拔樁的受拉抗裂承載力標準值的大小除了土層性質外，更為重要的是樁身的配筋。與田微［11］的計算結果是一致的。

通過上述對抗浮錨桿、抗拔樁的對比分析，在單點抗拔承載力特征值400 kN相等的情況下，抗浮錨桿具有直徑小，水泥、鋼筋用量少，施工快捷、檢測方便的優勢。

因此，擬采用抗浮錨桿作為地下室底板的抗浮措施。

2）抗浮錨桿的平面布置。地下室防水底板厚350 mm，板底絕對標高+6.650 m?？垢≡O計水位高于地下室底板底面11.450 m，底板的水浮力很大，達114.5 kPa。據此，擬采用滿堂布置抗拔錨桿的形式，標準柱跨（8.4 m×8.4 m）錨桿間距為1.68 m×2.1 m，詳見圖3。利用錨桿的抗拔作用抵消單位板跨內的水浮力作用，底板處于自平衡狀態，使防水底板的板厚、配筋最為經濟。

圖3 標準跨錨桿平面布置圖Fig.3 Standard cross bolt layout

水的容重γ水=10 kN·m-3，混凝土底板的容重γ混凝土=26 kN·m-3；

單根錨桿所承擔的底板抗浮區域范圍為1.68 m（a）×2.1 m（b）；

底板厚度h=0.35 m；水頭差d=11.45 m；

單根錨桿承擔的底板水浮力標準值FK：

單根錨桿范圍內底板自重標準值GK：

單根錨桿承擔的浮力作用值Nwk：

根據規范［12］條文說明3.2.4條，在傾覆、滑移或漂浮等有關結構整體穩定性的驗算中，永久荷載效應一般對結構的有利的，荷載分項系數γG一般應取小于1.0的值，γG=0.9。

單根錨桿的抗拔承載力特征值為400.00 kN；

根據規范［7］5.4.3，Gk/Nwk≥Kw

Gk：建筑物自重及壓重之和（kN）；Nwk：浮力作用值（kN）；

Kw抗浮穩定安全系數，一般情況下可取1.05。

故單根錨桿的抗拔作用能抵抗所承擔的底板抗浮區域水的浮力作用。

3）局部特高浮力區抗浮錨桿的設置。底板厚度350 mm，在不考慮建筑上部結構活荷載作用，僅考慮結構自重的計算條件下，根據PKPM豎向導荷的結果，購物中心部分框架柱的水浮力標準值范圍為-322～-6 359 kN，差異較大。經分析發現水浮力最大的框架柱存在于兩種情況之中：①正負零標高以上由于中庭部分開大洞而被抽掉的框架柱；②純地下室的框架柱。該部分框架柱只有地下三層，地面以上無建筑物。這兩種情況下的框架柱受豎向荷載小，水浮力大。以最大框架柱水浮力-6 359 kN來計算，采用滿堂布置抗浮錨桿，錨桿間距為1.68 m×2.1 m，單個框架柱下（框架柱下不布置抗浮錨桿）共可布置19根（詳見圖4），可承擔的抗拔承載力特征值為19×400=7 600 kN，Gk/Nwk=7 600/6 359=1.20＞1.05，所布置的抗浮錨桿數量可滿足框架柱承受的最大水浮力要求。

4）抗浮錨桿的優化布置。根據PKPM-JCCAD的計算結果，框架柱下需布置兩個Φ800的樁基，以承受上部結構的豎向荷載。雙樁承臺大小2.0 m×4.4 m×2.0 m，承臺范圍內取消2根錨桿，則單個框架柱下（框架柱下不布置抗浮錨桿）共可布置17根（圖5），可承擔的抗拔承載力特征值為17×400=6 800 kN，Gk/Nwk=6 800/（6 359-26×2×4.4×1.65）=1.14＞1.05，則所布置的抗浮錨桿數量可滿足框架柱承受的最大水浮力要求。

圖4 標準柱錨桿平面布置圖Fig.4 Standard column bolt layout

圖5 標準柱錨桿優化平面布置圖Fig.5 Standard column bolt optimization layout

5）地下室防水底板的配筋及抗裂計算。把抗浮錨桿作為地下室防水底板的支點，則底板的計算模型可簡化為四邊點支撐的連續板，板跨為1.68 m×2.1 m。根據手冊［13］表4-26，按μ=1/6 計算防水底板的荷載準永久組合計算的彎矩值。按裂縫寬度［Wmax］=0.2 mm，底板保護層厚度50 mm計算，板配筋和裂縫寬度結果見表2。

表2 防水板配筋和裂縫寬度計算結果Tab.2 Calculation results of reinforcement and crack width of waterproof board

表2表明，方案Ⅰ地下室底板的板厚、板配筋均較小。

3.2.2 方案Ⅱ：筏板+局部抗浮錨桿

筏板基礎板厚較大，具有足夠的剛度以調節基礎的不均勻沉降，通過利用上部結構荷載和筏板自重來抵抗水浮力。相對方案Ⅰ，方案Ⅱ省去了樁基，但由于筏板基礎混凝土體積大，施工過程中產生大量的水化熱容易產生裂縫，且筏板厚度相對方案Ⅰ防水底板大許多，板配筋量更大。

1）筏板基礎的地基承載力特征值修正計算。筏板基礎持力層為⑤粗砂層，地基承載力特征值180 kPa，變形模量22 MPa。根據規范［7］第5.2.4，當基礎寬度大于3 m 或埋置深度大于0.5 m 時，從荷載試驗或其他原位測試、經驗值等方法確定的地基承載力特征值fak尚應進行深、寬修正為基底土層的地基承載力特征值fa，其計算公式為

式中：寬度和埋深的地基承載力修正系數ηb，ηd，應按基底下土的類別查取。根據規范［7］表5.2.4，本工程ηd=4.4；γ應為與基底接觸的土層的天然重度。該土層位于地下水位以下時，采用浮重γ′，其值為飽和重度γsat-10；d基礎埋置深度（m），一般自室外地面標高算起，在填方整平地區，可自填土地面標高算起，但當填土是在上部結構施工后完成時，應從天然地面標高算起。對于地下室，如采用筏基時，基礎埋置深度自室外地面標高算起。

本工程，室內外高差0.1 m，當筏板厚度按0.8 m計算時，地下室底板底絕對標高為6.1 m。則地下水位以上的高度為21.1-0.1-18.0=3.0 m，地下水位以下的高度為18.0-6.1=11.9 m。經深度修正后，筏板基礎修正后的地基承載力特征值

2）筏板基礎在上部荷載作用下的驗算。在上部荷載的作用下，當地下室筏板厚800 mm時，根據PKPMJCCAD的驗算結果，筏板基礎的基底反力為208 kPa，小于筏板基礎修正后的地基承載力特征值797 kPa。其中框架柱的抗沖切問題可通過局部加厚筏板的方法來解決。因此，采用筏板基礎來承受上部結構荷載的方案可行。

3）筏板基礎抗浮驗算。地下室底板板面標高為+6.90 m，當地下室筏板厚800 mm 時，底板板底標高為+6.10 m?？垢≡O計水位標高為+18.000 m?？垢≡O計水位高于地下室底板底面11.90 m。故筏板所受的地下水浮力標準值為119.00 kPa。在不考慮建筑上部結構活荷載作用，僅考慮結構自重的計算條件下，裙房和地下室總重量平均為103.2 kN·m-2，結構整體抗浮不滿足要求，且此時大部分框架柱底為拉力。

當筏板厚度加厚到1.5 m時，在不考慮建筑上部結構活荷載作用，僅考慮結構自重的計算條件下，裙樓（含三層地下室）總重量平均為121.4 kN·m-2?？垢≡O計水位高于地下室底板底面12.60 m（18-6.9+1.5），筏板所受的地下水浮力標準值為126 kPa，結構整體抗浮仍不滿足要求。此時，純地庫部分的框架柱和地面以上被抽掉的框架柱存在拉力，框架柱的水浮力標準值范圍為-178～-6 119 kN，其余部分框架柱底均無拉力。因此，對于純地庫部分和正負零以上樓面被抽掉的框架柱，須采取增設抗浮錨桿的方法來抵抗水浮力。錨桿的數量應滿足規范［7］5.4.3中Gk/Nwk≥Kw中要求，以滿足結構整體抗浮的要求。

Gk為建筑物自重及壓重之和（kN）；Nwk為浮力作用值，等于浮力標準值-抗浮錨桿所承受的水浮力標準值（kN）；Kw為抗浮穩定安全系數，一般情況下取1.05。

抗浮錨桿的設置方法同方案一。

根據PKPM-JCCAD的計算，筏板厚度1.5 m時，局部框架柱存在抗沖切、抗剪切不滿足要求的問題，可通過局部加厚筏板的方法來解決，筏板的沉降量也滿足了規范限值要求。

方案Ⅱ與方案Ⅰ相比，具有以下優缺點：

1）不需要施工樁基，及抗拔錨桿數量大大減少，大大加快了基礎的施工進度；

2）降低了地下室底板的防水施工難度；

3）筏板厚度1.5 m，混凝土用量和鋼筋用量較方案Ⅰ有大幅增加。

購物中心二個基礎方案的主要工程量指標比較見表3。

表3 二個基礎方案的主要工程量Tab.3 Main quantities of the two basic schemes

僅材料費用方案Ⅱ比方案Ⅰ節省283.57萬元，更經濟，且施工周期短。故本工程購物中心擬采用方案Ⅱ“筏板+局部抗浮錨桿”基礎。

5 結語

1）超高層建筑多層地下室基礎是其建筑的一個重要部分，選擇安全、經濟、合理、施工進度快的基礎型式，是建筑結構方案設計的關鍵問題；

2）在地下水浮力大的多層地下室基礎設計中，純粹依靠筏板和建筑物自身的重量，可以解決主樓范圍內絕大部分框架柱的抗浮問題，對純地庫部分框架柱、主樓范圍內開洞被抽掉的框架柱及通高開大洞周邊的框架柱，則需通過增設抗浮錨桿來抵抗水浮力作用；

3）通過對二個方案的綜合比較，“筏板+局部抗浮錨桿”基礎方案施工速度更快，造價更經濟，更合理。

4）抗拔樁的受拉抗裂承載力標準值與抗浮錨桿的抗拔承載力特征值在現行規范下計算的標準是不同的，抗浮錨桿僅規范［7］中有承載力特征值的計算公式，而對抗浮錨桿的裂縫寬度沒有要求，宜充分發揮高強度錨筋的抗拉強度。

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