南通中央商務區C R 0505-A-04地塊項目樁基礎變剛度調平設計

祁彥龍

上海招商置業有限公司 上海 200949

1 工程概況

南通中央商務區CR0505- A- 04 地塊項目江蘇省南通市經濟技術開發區，西鄰工農南路，南鄰桃園路。本工程總建筑面積246455m2。本工程地下室成長方形布置，東西長251.85m，南北寬142.35m，地下室相對上部結構有較大面積外擴。

本工程地上部分被抗震縫分割為東西塔樓、東西裙房和汽車庫五個單體。本工程裙房及汽車庫高27.95m，西塔樓高151.95m，東塔樓高151.85m，塔樓采用框架-剪力墻結構，裙房及汽車庫采用框架結構。

南通中央商務區CR0505- A- 04 地塊項目抗震設防烈度為6 度，抗震設防類別為乙類，基礎設計等級為甲級。本工程基礎形式為樁筏基礎，樁基擬采用塔樓區域的鉆孔灌注樁（長樁）+ 加裙房區域的中等長度預應力混凝土管樁+ 地下室外擴區域的單節預應力混凝土抗拔管樁。樁基的布置形成以塔樓為中心，向周邊擴散，樁剛度依次遞減的變剛度調平樁基礎。

2 地質條件

根據啟東市建筑設計院有限公司提供的詳細勘察報告：擬建場地為空地，地形稍有起伏，場區所屬地貌類型為長江三角洲沖積平原，微地貌單元為長江低漫灘。勘探孔標高最大值4.42m，最小值3.25m，地表相對高差1.17m，自然地面高程3.90m 左右。本場區勘察深度范圍內為第四系濱海—河流相、濱海—淺海相、濱海—湖沼相、可口沙洲—漫灘相沉積的松散堆積土層，地基土自上而下分為如下8 層：

①層雜填土：黃褐色- 灰黑色，上部含碎磚塊、建筑垃圾，松散，土質不均。場區普遍分布，平均厚度1.06m，平均埋深1.06m。

②層粉土夾粉質黏土：黃褐色，很濕，稍密，搖震反應中等，無光澤反應，低干強度，低韌性，所夾粉質黏土可塑- 軟塑，稍有光澤，中等韌性，含鐵錳結核，具微層理，中壓縮性，土質欠均勻。場區普遍分布，平均厚度2.07m，平均埋深3.13m。

③層粉土夾粉砂：灰色，飽和，稍密，含云母碎片，夾粉質黏土薄層，捻面粗糙，稍有黏性，搖震反應中等，韌性低，干強度低，壓縮性中等，所夾粉砂灰色飽和稍密，土質欠均勻。場區普遍分布，平均厚度8.37m，平均埋深11.5m。

④層粉砂夾粉土：灰色，稍密- 中密，飽和，主要成分為石英斜長石，所夾粉土灰色，很濕，稍密，搖震反應中等，無光澤反應，低干強度，低韌性，中壓縮性，土質欠均勻。場區普遍分布，平均厚度14.72m，平均埋深26.22m。

⑤層粉細砂：灰色，中密- 密實，飽和，主要成分為石英斜長石，中低壓縮性，夾薄層粉土、粉質黏土，土質欠均勻。場區普遍分布，平均厚度5.49m，平均埋深35.93m。

⑥層粉質黏土夾薄層粉砂：本層以粉質黏土為主，夾薄層粉土、粉砂及淤泥質黏土，灰色，稍有光澤，中等干強度，中等韌性，流塑～軟塑，中壓縮性，土質欠均勻。場區普遍分布，平均厚度20.11m，平均埋深56.03m。

⑦層粉細砂夾粉質黏土：灰黃色，中密- 密實，飽和，主要成分為石英斜長石，夾薄層粉土、粉質黏土，土質欠均勻。場區普遍分布，厚度14.25m，埋深70.00m。

⑧層礫砂：灰黃色，中密～密實，飽和，主要成分為石英斜長石。該層未穿透。

據調查，場地歷年最高水位為高程2.8m，可作為抗浮設計水位。地下水對混凝土結構無腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在干濕交替情況下具弱腐蝕性，在長期浸水情況下無腐蝕性，對鋼結構有弱腐蝕性。

3 南通中央商務區CR0505-A-04 項目樁基礎設計

3.1 主要技術難題及解決方案

本工程兩個塔樓均布置在場地的北側，東西塔樓建筑高度均超過150m，層數分別為34 層和38 層，裙房及汽車庫建筑高度均為27.95m，層數分別為5 層和8 層，地下室為兩層，圍繞建筑四周均有外擴，但總體上南側外擴寬度大于北側。塔樓區域平均荷載數倍于裙房，而且相對于基礎底板形心存在較大偏心，而地下室外擴區域的平均荷載又遠小于裙房區域的平均荷載。從建筑整體布局情況可知，本工程上部結構傳至基礎底板的荷載存在分布不均和偏心的特點，總體上程北重南輕，塔樓重，裙房次之，地下室外擴部分更輕的趨勢。

傳至基礎底板的荷載分布不均勻和偏心的特點導致的直接結果就是差異沉降和基礎底板內力增大。為了減小差異沉降和基礎底板內力，想到了變剛度調平概念設計。變剛度調平概念設計旨在減小差異沉降，降低基礎底板內力和上部結構次內力，以達到節約資源，提高建筑物使用壽命，確保正常使用功能的目的。為達到上述目的，突破傳統設計理念，通過調整地基或基樁的豎向支承剛度分布，使樁土反力和上部結構傳來的荷載不僅整體平衡，而且實現局部平衡，以達到最大限度減小差異沉降，降低基礎底板內力和上部結構次應力，使基礎底板減薄，變成柔性薄板。

3.2 基礎持力層選取

由地勘報告提供的數據知，本場地適合作為樁基持力層的土層有⑤層粉細砂層和⑦層粉細砂夾粉質黏土層。根據變剛度調平設計的原則，首先選取較淺的⑤層粉細砂層作為裙房的樁基持力層。裙房的樁基持力層確定后關鍵是確定塔樓的樁基持力層。從地勘報告提供的數據來看，⑤層土端阻力為7000kPa，Es1- 2=10.8MPa；⑦層土端阻力為4000kPa，Es1- 2=7.2MPa。單從土層工程特性來看，⑤層土端阻力更大，壓縮性也更好，似乎選擇⑤層土作為持力層更經濟。經過初步測算，如果選擇⑤層土作為塔樓的樁基持力層，選用直徑600 的管樁，樁長取20m，則單樁承載力約為2000kN。以西塔樓為例：西塔樓上部結構傳至基礎的荷載標準值為1020600kN，采用上述樁型則需要約510 根基樁。顯然在塔樓范圍內布置如此多的工程樁是有困難的。而且根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007—2011）中關于樁基的沉降計算的內容來看，當基樁的布置達到一定密度后，樁基的沉降表現為實體深基礎的沉降。這時樁基的沉降只與樁基布置的范圍、樁長和樁側土的內摩擦角有關，而與樁數無關。也就是說當布樁的密度達到一定程度后，再增加樁的密度雖然能提高承載力，但于減小沉降的作用幾乎為零。這顯然不符合變剛度調平設計提出的減小差異沉降的要求。經過以上分析確定將塔樓區域的基樁加長，選用⑦層土作為塔樓的樁端持力層，加長后單樁承載力可以提高一倍以上。考慮樁端持力層以上覆土的荷載，根據綜合固結實驗成果圖確定⑤層土的壓縮模量為16.8mPa，⑦層土的壓縮模量為25.05MPa，⑦層土的實際壓縮模量略大于⑤層土的壓縮模量。

3.3 變剛度調平概念布樁及試樁

確定好樁基持力層后，初步確定樁型為：塔樓區域采用直徑800mm 的鉆孔灌注樁，樁長50.7m，為了進一步減小沉降差，采用后注漿技術進行加強；裙房區域采用直徑600 的預應力混凝土管樁，樁長20m；塔樓外擴區域采用單節預應力混凝土管樁作為抗拔樁，樁長13m，樁端設置在較軟的④層土，豎向荷載考慮天然地基的承載力。

確定好樁型后，進行了現場試樁，以便取得實際的樁基承載力和相關參數作為施工圖設計的最終依據。

3.4 基礎計算分析

本工程基礎計算及分析主要采用PKPM2008 版的JCCAD 軟件。要實現變剛度調平設計就要求樁土反力和上部結構傳來的荷載不僅整體平衡，而且實現局部平衡。為此，將計算方案設計為：先采用分塊計算的模型實現局部平衡，再將整個項目的模型拼合為整體實現整體平衡。以東塔樓及其周邊的裙房，車庫為例，其計算過程如下：首先，以東塔樓的模型建模，布樁，進行基礎計算。本工程塔樓部分雖然是框架- 剪力墻結構，但剪力墻較集中布置于中間位置，框架柱布置在剪力墻周邊1～2 跨范圍內，整個布局與框架- 核心筒類似。因此在基礎設計時將重心位置集中布置的剪力墻作為核心筒來處理。布樁時遵循局部平衡原則，以荷載標準組合分別估算每根柱下和核心筒區域的樁數，根據估算樁數進行布樁，然后輸入模型進行初步計算，見圖1。從圖中可以看出底板沉降圖程明顯的馬鞍狀，中間大，四周小，核心筒區域與周邊柱下的沉降差為16mm，差異沉降比較明顯。

圖1 東塔樓初步計算沉降圖

為了減小差異沉降對核心筒區域的樁基進行了加密，增加核心筒區域的樁基密度，經過反復幾次驗算后，最終沉降見圖2。從圖中可以看出底板的沉降趨于平衡，核心筒區域與周邊柱下的沉降差為7mm，差異沉降減小了9mm,最大沉降略有減小。分塊模型達到預期目的后再進行整體模型的驗算。整體驗算時，參照分塔驗算的結果進行布樁，調整樁基剛度，使樁基反力與分塔模型接近，再根據最終的沉降情況適當調整樁基布置，使差異沉降達到預期目的。這個過程需要反復調整，再帶入分塔模型進行復核，如此反復幾次迭代計算，方可達到最終設計要求。

圖2 東塔樓最終計算沉降圖

4 總結

（1）根據基礎沉降的情況和上部結構的荷載情況，動態調整樁基長度和變換不同的持力層可以方便實現變剛度調平設計。

（2）在變剛度調平設計理論的運用可以減小基礎底板內力，起到節約工程造價的作用。

（3）在進行變剛度調平設計時可以先分塊設計，再進行整體建模分析，兩者可以相互補充，相互驗證，經過反復迭代驗算提高結構分析的可靠性。