大直徑擴底灌注樁設計

余 勇，陳焰周，肖 飛，徐必兵

(中南建筑設計院股份有限公司,湖北 武漢 430071)

1 工程概況

濱湖時代廣場C-01地塊工程東臨合肥市南北主動脈徽州大道,北靠城市南門戶方興大道,西接西藏路;南面為煙墩路。由C1—C7,C9塔樓、商業裙房,休閑會所組成。其中C2棟為一棟集辦公超高層多功能建筑,地上建筑面積約8.2萬m2。地下3層,地上41層,建筑高度178.8 m,1層高6.0 m,2層—5層高5.4 m,6層—40層高4.2 m,41層高4.25 m。主樓軸線平面尺寸為37.2 m×49.8 m,平面基本柱網尺寸為9.0 m×12.9 m,9.0 m×12.3 m。

建筑實景圖見圖1。本工程從2013年開始建設,2016年封頂,2019年竣工驗收,本文主要討論C2棟的樁基礎設計。建筑結構安全等級為二級,結構設計使用年限為50 a,建筑抗震設防類別為重點設防類(乙類),抗震設防烈度為7度,設計地震分組為第一組,設計基本地震加速度為0.10g,Ⅱ類場地,場地特征周期為0.39 s。建筑地基基礎設計等級為甲級,樁基設計等級為甲級。上部結構采用混凝土框架—核心筒結構體系。

2 工程地質概況

依據《安徽省高速公路房地產有限責任公司濱湖時代廣場C-01地塊巖土工程勘察報告(詳勘)》,擬建場地位于合肥市濱湖新區徽州大道與煙墩路交叉口西北角,其第四紀地貌型態屬江淮丘陵地貌單元。

2.1 土層情況

勘察報告中給出擬建場地內各層巖土的厚度、地基承載力特征值fak、壓縮模量Es及土層極限側、端阻力標準值詳見表1。

表1 土層特性表

由于土層起伏不大,取C2棟主樓范圍內的探孔土層厚度的平均值作為標準土層的厚度。其標準土層分布及厚度詳見表2。

表2 土層厚度及標高

2.2 水文地質條件

勘察報告中給出擬建場地在①層素填土中賦存有上層滯水,分布不連續,其水量和水位受大氣降水控制。在③層粉土夾粉質黏土中埋藏有承壓水,承壓水頭高度約5.0 m(水頭標高約-15.0 m),在④1,④2層砂質泥巖中埋藏有少量裂隙水。場地地下水及土壤對混凝土結構具有微腐蝕性,對鋼結構具弱腐蝕性。

2.3 場地與地基的地震效應

合肥市抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度值為0.10g(第一組)。勘察報告中給出擬建場地土類型為中硬土,為Ⅱ類建筑場地,屬于對建筑抗震有利地段。場地的特征周期為0.39 s。根據③層粉土夾粉質黏土的埋藏條件、巖性特征及現場標貫試驗結果,在7度地震作用下不會發生液化現象。

2.4 基礎設計建議

勘察報告中給出本項目超高層可采用鉆孔灌注樁或挖孔樁基方案,宜以④2層中風化砂質泥巖作為樁端持力層[1]。

經專家評審及合肥市有關部門的批準,本項目基礎最終確定采用大直徑挖孔擴底灌注樁基方案。

3 大直徑挖孔擴底灌注樁設計

3.1 標準組合作用下的內力

為了明確各樁所受的豎向力,將地下3層四周墻體改為梁輸入,得到各柱、墻下的內力。

圖2給出了C2棟的柱、墻在1.0D+1.0L作用下墻、柱構件的豎向壓力。

3.2 單樁承載力特征值

根據《建筑樁基技術規范》[2],本工程挖孔樁可采用樁基規范5.3.6條大直徑樁,同時考慮樁側摩阻力與樁端阻力。

對于樁側與樁端阻力的尺寸效應,樁側阻力尺寸效應(僅考慮強風化以上土層),按照《建筑樁基技術規范》的表5.3.6-2,樁端由于進入中風化巖層,不考慮樁端尺寸效應。

那么單樁豎向承載力特征Ra,1為:

上式中各參數的物理含義同《建筑樁基技術規范》5.3.6條。

根據《建筑樁基技術規范》的5.8.3條及條文說明。本工程樁的樁身強度控制的承載力特征值為Ra,2。樁基混凝土采用C35。

根據本工程實際狀況及專家建議,在計算中樁側阻力不宜考慮,僅作為樁基的安全儲備,主要有以下幾點原因:

1)本工程大多數為大直徑挖孔樁,極限承載力大,最大樁基要承擔超過60 000 kN,采用錨樁法靜載試驗或自平衡預埋載荷箱法均不可實現[3]。

當在樁基擴底完成后,進行樁基基底巖基靜載荷試驗,可以確定樁基基底承載力。而樁側阻力現階段沒有較好辦法進行有效檢測。

2)由于本工程挖孔樁采用了擴大頭,從側摩阻力的傳力機理來看,側摩阻力以較小擴散角度向持力層擴散應力,因而應扣除樁身至擴大頭間環形面積的阻力,否則將會過高估計樁的承載力,但是該環形面積內的應力為非線性分布,很難準確估算。

3)由于樁身直徑較大,基樁間的中心距一般均小于3d,各基樁的摩阻力均不能各自發揮充分。

對于核心筒下的挖孔樁,由于樁間距較小,僅外圍樁的摩阻力能得到充分發揮,中間樁的摩阻力難以得到發揮。

4)以本工程使用較多的兩種樁身直徑(2.7 m,3.8 m)來看,按照公式計算(未考慮上述情況下的摩阻力折減)的摩阻力與端阻力的比值分別為0.198,0.180,表明本工程樁基是以端承為主。

綜合以上4點原因,取Ra,1≈Rp=2 355D2。

計算的各直徑單樁承載力特征值如表3所示。

表3 單樁承載力特征值計算結果

由于結構重要性系數為γ0=1.1,計算書后述提供的恒載、活載以及地震作用下的柱及墻下內力均為標準值,即要求基樁承載力特征值與恒載和活載標準組合作用下的內力比不小于1.1倍,或者也可以對基樁承載力特征值進行折減,即Ra/γ0后進行布樁。

3.3 樁基布置及沉降觀測

根據墻、柱等構件的豎向內力(見圖2),按照不同直徑樁基的承載力,C2棟樓的樁基布置如圖3所示。

外框架柱下采用一柱一樁,核心筒部分采用群樁布置,并根據核心筒分擔的豎向力大小,采用兩種直徑的樁基。

設計時,在核心筒四角設置4個沉降觀測點,在外框架四角和中部設置了8個沉降觀測點。根據最終沉降觀測記錄,核心筒的4個觀測點的沉降數據基本一致,均值為18.5 mm;外框架的8個觀測點的沉降值最小為18.3 mm,最大為22.0 mm,均值為20.0 mm。因此,從觀測結果看,建筑物整體沉降值小,且整體沉降基本均勻,滿足規范及設計要求。

4 結語

合肥濱湖時代廣場C2棟超高層建筑的基礎采用大直徑挖孔擴底灌注樁,外框架柱下采用一柱一樁,核心筒部分采用群樁布置,樁端持力層為中風化砂質泥巖。計算表明大直徑挖孔擴底灌注樁的承載力以樁端的端阻力為主,側摩阻力占比較小[4]。本工程中樁間距基本均小于3D,側摩阻力發揮不充分,樁基承載力只取樁端承載力,不考慮樁側阻力的貢獻。