某超高層住宅復合地基的設計與實踐

王舜奇

(武漢正華公司建筑設計有限公司，湖北武漢 430000)

在進行超高層結構基礎設計的時候，由于結構質心較高、荷載較重，對基礎沉降差較為敏感，一般會選擇樁基礎方案。其實超高層住宅通常采用全現澆剪力墻結構，這種形式具有較大的結構剛度，對減少地基的不均勻變形有較好的效果。當具體工程場地條件合適的情況下，只要在設計中選擇合理的樁型及布置方式，復合地基可以在安全性上滿足要求。同時在經濟性及工期上均有一定優勢。

1 工程概況

某工程位于武漢市漢陽區，該項目由棟40層超高層和多棟高層住宅組成。超高層住宅采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，屬 A級高度、非超限高層建筑。

根據該項目地勘報告，場地地貌單元屬第四系沖湖積平原與長江三級階地過渡地帶。場區范圍出露地層有雜填土、第四系全新統一般黏性土、第四系中更新統老黏性土及下部的基巖等，下伏基巖為穩定的白堊系-下第三系泥質粉砂巖。場區內未發現斷裂破碎帶，亦未見土洞、暗溝、暗濱等不良地質現象。該場地的典型地勘剖面如圖1所示，基礎設計的主要參數指標見表1。

圖1 典型地勘剖面

本工程自2014年開始設計，最初確定的基礎方案為鉆孔灌注樁嵌巖樁方案。但經過對地質條件的仔細分析后，與建設方及地勘單位多次協商，最后選用復合地基方案。經試樁及復合地基試驗后工程，于2015年完成基礎施工，項目于2018年竣工。

表1 地層承載力特征值及樁基參數

2 基礎方案的比選

2.1 灌注樁基礎的選擇

在地勘的中間報告中，建議超高層采用鉆孔灌注樁基礎，持力層選用(5-2)層中風化泥質粉砂巖或(5-3)層微風化泥質粉砂巖。如樁端持力層采用(5-2層)，由于其節理裂隙較發育，巖芯較破碎，地勘單位建議在不同地段分別試樁。按此建議各棟超高層均需增加試樁及檢測費用，而且持力層強度不均對驗收檢測和結構安全均有一定影響。

如持力層采用較為穩定的(5-3)層，雖然其強度高、厚度較大，但埋深大(一般大于39.50 m)。按照地勘剖面估算的樁長達到45 m，其中穿越中風化層約15 m，施工周期較長造價較高。

按地勘報告參數估算，鉆孔灌注樁采用φ800 mm或φ900 mm均可滿足承載力要求，但均有不利因素影響，且未有效利用基底土層承載力。

2.2 天然基礎的可行性

對本項目中超高層建筑，地勘單位未提出天然基礎建議，如采用天然基礎則基礎底持力層為(3-2)層粉質黏土。該層土為硬塑狀，壓縮性中偏低，強度較高，厚度較大，但局部埋深較大(大于13.50 m)且局部夾較軟的(3-2a)層粉質黏土。(3-2)層土fak為365 kPa，如果不考慮夾層影響的話，經修正后可以滿足100 m以內高層地基承載力，但作為120 m高層建筑的天然地基承載力顯然不夠。

有較大的不利影響的是(3-2a)層粉質黏土透鏡體，該層土承載力較低(fak=200 kPa)且全場地均有分布，距基礎底面最薄處約2 m，如采用天然基礎需按軟弱下臥層進行驗算。由于軟弱夾層的存在，天然基礎方案無法成立。

2.3 復合地基方案

本工程如果采用復合地基，既可有效利用基礎底位于強度較高土層的有利條件，又可減少剛性樁進入中風化巖層的深度，在更好地保證結構安全的前提下，降低了樁基造價、節省了工期。本工程詳勘報告經協商后，地勘單位補充了復合地基相關參數及建議。

3 復合地基設計

3.1 剛性樁持力層的選擇

復合地基中剛性樁應將基礎荷載傳遞到下部承載力和壓縮模量相對較高的土層。結合本工程地層分布，僅在(3-2)層中布置剛性樁效果并不明顯，因此將基礎持力層定為第5層。樁型擬采用長螺旋壓灌樁，由于這種施工工藝難以進入(5-2)層中風化泥質粉砂巖，考慮到(5-1)強風化泥質粉砂巖層雖然較薄但是下部中風化強度更高，與地勘單位協商后將持力層定為(5-1)層(qpa為 550 kPa)，。復合基樁采用φ600 mm長螺旋鉆孔素混凝土壓灌樁，樁長約20 m，單樁豎向承載力特征值Ra=1400 kN。

3.2 復合地基承載力特征值的確定

經模型計算分析，標準組合下筏板底面最大壓力值約680 kPa。按照JGJ79-2012《建筑地基處理技術規范》第3.0.4條，復合地基承載力可進行修正，基礎寬度修正系數應取0，基礎埋深修正系數應取1.0。在考慮筏板厚度及地下室底板的埋深修正后，復合地基承載力特征值fspk取550 kPa。

3.3 軟弱夾層對承載力的影響

雖然基底持力層為(3-2)層粉質黏土，但由于局部夾有(3-2a)層粉質黏土透鏡體，并不能直接采用(3-2)層承載力進行復合地基計算?？紤]到勘察孔位間距較大，對基礎下的夾層不可能全部探明，因此按最薄處軟弱下臥層附加應力反推基礎底面的地基承載力，最終確定用于復合地基設計的樁間土承載力特征值為260 kPa。

3.4 面積置換率及樁布置

按湖北省地方標準DB42/242-2014《建筑地基基礎技術規范》，樁間土承載力發揮系數可取0.8，代入相關公式計算得到面積置換率為0.074。

由于高層建筑筏形基礎的沉降通常為碟形，考慮到復合地基中部樁應力疊加效應明顯，為減小筏板中部與邊緣的沉降差異，采用了變剛度調平的布置方式。按照《樁基手冊》[3]中相關建議，在布樁時對長、寬方向中部各1/2區域樁間距適當加密，其余部分樁間距按面積置換率確定。具體布置如圖2所示。

圖2 剛性樁平面布置示意

3.5 褥墊層的設計

本工程復合地基中剛性樁樁徑較大承載力較高，預估沉降較小，因此宜適當加大褥墊層厚度到300 mm，允許剛性樁刺入褥墊層變形，提高樁土共同作用能力。

由于高層建筑基礎通常有較深的電梯基坑或集水坑降板，基底高差變化造成褥墊層施工復雜困難。復合地基中樁間距較小，難以避開筏板放坡斜面，而斜面處無法設置褥墊層。經多個項目實踐，采用在高低褥墊層間設置素混凝土擋墻的方式(圖3)，可有效解決這個問題。

圖3 高差處褥墊層做法

4 施工階段問題處理及沉降觀測

4.1 試樁及復合地基試驗情況

2015年4月本工程進行了試樁及復合地基試驗，經檢測單樁豎向抗壓極限承載力均達到3 300 kN，達到極限值時沉降約28～32 mm；復合地基極限承載力均達到1 100 kPa，沉降量約為36～39 mm。單樁及復合地基試驗前均進行了小應變檢測，各有一根有輕微缺陷，缺陷樁沉降量稍大，但仍可滿足承載力要求。

4.2 缺陷樁的處理

由于高層建筑基礎埋深較大，基坑開挖較為復雜，為防止出現工程隱患，設計要求全部樁均進行低應變檢測以保證樁身質量。經開挖后檢測，少量樁出現樁身缺陷，缺陷深度在1.0～3.5 m左右。

對于缺陷樁采用2種方式處理：一是對缺陷深度在1.5 m以內的樁采用挖除缺陷部位，擴大樁頭方式接樁；二是對缺陷部位在1.5 m以下的樁采用單樁靜載荷試驗方式驗證承載力，按檢測結果折減后重新復核，由于筏板基礎整體性較好，復核后可滿足設計要求。

4.3 沉降觀測結果

2015年本項目完成基礎施工，2016年主體結構封頂，結構驗收時沉降量約為18 mm。2018年項目完成竣工驗收，根據竣工時提交的沉降觀測資料，累計沉降約22 mm，最大沉降差4 mm，整體沉降均勻，滿足結構安全及使用要求。

5 總結與思考

5.1 樁徑的優化

本工程素混凝土樁采用長螺旋施工工藝，在施工過程中發現到達(5-1)強風化泥質粉砂巖層后鉆進困難，雖然強風化層強度不高，但樁徑較大時對設備要求較高。因此建議在類似地質情況下當樁長較短時可采用φ400 mm、φ500 mm等小直徑樁，有利于進入保證樁進入持力層深度。

5.2 樁頂配筋的做法

由于素混凝土樁樁身抗側力及抗裂較差，為減少樁身質量問題，近幾年設計的高層復合地基中素混凝土樁廣泛采用在頂部配置2 m長鋼筋籠的配筋方式，如圖4所示。鋼筋籠不與底板連接，僅為減少樁身開挖過程中的損傷及加強樁頂豎向承載力，這種方式對造價影響較小，但有效減少了缺陷樁數量。

圖4 樁頂配筋示意

5.3 結束語

本工程基礎設計能夠結合場地地質條件，避免了其中巖層強度較低厚度較大的不利條件，又利用了土層強度較高的有利條件，靈活選用了復合地基的基礎形式。經時間檢驗滿足了結構安全性要求，也取得了良好的經濟效益，希望能對類似條件下的基礎設計提供參考。