軟土地區(qū)超高層建筑巖土工程關(guān)鍵問題及沉降控制研究

摘 要：以上海中心大廈為例，對軟土地區(qū)超高層建筑樁型選擇、樁基承載力計算、沉降計算參數(shù)取值及沉降計算等巖土工程關(guān)鍵技術(shù)問題進行了總結(jié)和研究。超高層荷載大，對樁基承載力要求高，樁型選擇需結(jié)合周邊環(huán)境、樁基承載力要求、施工可行性等因素綜合考慮后確定，軟土地區(qū)超高層建筑采用后注漿大直徑超長灌注樁是適宜的。超高層建筑基礎沉降要求高，需結(jié)合地層條件、結(jié)構(gòu)特點、荷載分布情況、周邊環(huán)境等因素綜合考慮，確定沉降計算參數(shù)及計算方法。經(jīng)采用多種計算方法進行沉降預測，塔樓沉降量估算值為75～120 mm，最終實測總沉降量約100 mm，有限元法的預測結(jié)果與實測值更為吻合，其中結(jié)構(gòu)封頂時沉降量占最終沉降量的90% 左右，沉降變形主要發(fā)生在工程建設期間。

關(guān)鍵詞：軟土地區(qū)；超高層建筑；巖土工程；基礎施工；深基坑工程；大直徑超長灌注樁；后注漿；沉降控制

中圖分類號：P642.26 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）02-0053-05

隨著城市化水平的不斷提高以及人口聚集，城市土地資源日趨緊張，建造高層與超高層建筑是目前城市建設中常用的手段。與此同時，隨著相關(guān)科學與技術(shù)的發(fā)展、突破，超高層建筑的建設增長迅速，且高度記錄不斷被刷新[1]。隨著建筑高度的增大，基礎荷載也隨之增大，對地基基礎的要求也更加嚴格，如地基基礎的承載力與整體穩(wěn)定性、沉降與差異沉降、地基液化與地震反應以及基礎結(jié)構(gòu)強度等方面問題[2]。以上海為代表的軟土地區(qū)，表層第四系松散沉積物厚度較大，基巖埋深達200～300 m，超高層建筑的建設難度更大[3]。本文以上海中心大廈為例，對軟土地區(qū)超高層建筑樁型選擇、樁基承載力計算、沉降計算等巖土工程關(guān)鍵問題進行總結(jié)和研究，為類似工程的設計、施工與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)護提供參考。

1 工程概況

1.1 地理位置及建筑物性質(zhì)

上海中心大廈緊鄰金茂大廈、環(huán)球金融中心大廈，三幢超高層建筑是上海浦東陸家嘴地區(qū)的地標建筑。上海中心大廈塔樓建筑高度632 m，下設5 層地下室，基礎埋深約30 m。塔樓采用巨形框架核心筒結(jié)構(gòu)，塔樓投影區(qū)和擴展區(qū)基礎底面荷載標準值分別達2200 kPa 和1300kPa。上海中心大廈已于2016 年竣工，是目前中國第一高樓。場地理地位置見圖1。

1.2 工程地質(zhì)條件

場地第四紀覆蓋層厚度約274.8 m，成層分布。第四紀覆蓋層以下為花崗巖層，屬燕山期侵入巖。主要土層物理力學性質(zhì)及土性特性見表1，典型工程地質(zhì)剖面及靜力觸探成果曲線見圖2。

2 樁基工程關(guān)鍵問題

2.1 樁型選擇

陸家嘴地區(qū)開發(fā)早期，由于周圍環(huán)境限制較少，工程建設時多采用打入式預制樁或鋼管樁。其中預制樁受樁身強度和沉樁可行性的限制，難以穿越第⑦ 1 層和⑦ 2 層，因此鄰近的金茂大廈、環(huán)球金融中心樁型均采用鋼管樁。上海中心建造時陸家嘴已建設成為繁華金融區(qū)，場地周邊高樓林立，鋼管樁施工帶來的噪音和擠土效應問題突出，采用鋼管樁方案已不具備可行性。

21 世紀以來，上海地區(qū)后注漿灌注樁的施工工藝、設計方法逐漸成熟，應用范圍越來越廣。與鋼管樁相比，灌注樁施工效率高，且較好地解決了施工噪音、擠土效應等環(huán)境影響問題，后注漿灌注樁可大幅提高樁基承載力，對控制基礎沉降量效果明顯，工程造價也遠低于鋼管樁，因此上海中心大廈最終采用的樁型為后注漿大直徑超長灌注樁。

2.2 樁基承載力計算

為驗證成樁可行性及樁基承載力能否滿足設計要求，上海中心大廈在工程樁施工前進行了4 組前期試樁，加載方法采用錨樁法，注漿方式分為樁端及樁側(cè)聯(lián)合注漿樁和樁端注漿樁兩種類型，地面以下25m 采用雙層鋼套筒隔離樁身與土體的接觸。4 組灌注樁直徑為1000 mm，樁端入土88 m，有效樁長63 m，樁身混凝土設計強度等級為C50，預估單樁極限承載力24000 kN[4-5]。

受場地地層條件、注漿工藝、注漿施工管理水平等因素影響，后注漿超長灌注樁單樁極限承載力離散性大，預估困難。根據(jù)行業(yè)標準《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008），采用樁端后注漿時，豎向增強段為樁端以上12 m，增強段內(nèi)土層側(cè)阻力和端阻力根據(jù)土性分別乘以相應的增強系數(shù)。此外，根據(jù)工程經(jīng)驗，計算樁端后注漿灌注樁承載力時，樁端極限端阻力標準值fp 可按預制樁取值，樁端以上20～30 d 范圍內(nèi)的樁側(cè)極限摩阻力標準值fs 增強系數(shù)可取2.0。樁基承載力計算參數(shù)見表2，不同計算方法計算的單樁承載力結(jié)果見表3。

2.3 試樁結(jié)果

根據(jù)試樁結(jié)果，采用樁端及樁側(cè)聯(lián)合注漿或樁端后注漿的3 根樁，單樁承載力極限值26000～30000 kN，均超過預估值，樁端及樁側(cè)聯(lián)合注漿承載力未發(fā)現(xiàn)明顯提高，樁端后注漿效果優(yōu)于樁端及樁側(cè)聯(lián)合注漿。未注漿的灌注樁受孔壁密實砂土應力釋放、泥漿滲透浸潤等因素影響，承載力遠低于預估值，試樁結(jié)果見表4，試樁Q—s曲線如圖3 所示[6]。根據(jù)試樁結(jié)果，采用經(jīng)驗法估算的樁端后注漿灌注樁承載力與試樁結(jié)果更為接近，且計算參數(shù)取值及計算過程較為簡便。

3 沉降計算及分析

3.1 沉降計算方法

超高層建筑塔樓荷載極大，對基礎沉降控制標準要求高，由于工程經(jīng)驗及完整的觀測資料極少，理論計算結(jié)果與實測沉降存在較大差異。目前超高層建筑沉降計算方法主要有以下三類：

（1）半理論—半經(jīng)驗沉降計算方法。該方法在常規(guī)分層總和法的基礎上，根據(jù)實測沉降數(shù)據(jù)確定沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，具有較高的可靠性，大部分規(guī)范都是采用該方法進行沉降計算。

（2）考慮應力歷史的沉降計算方法。土體應力歷史的變化有兩種因素：其一是土體沉積過程中應力變化使土體處于超固結(jié)狀態(tài)；其二是基坑開挖卸荷導致坑底土體上覆有效應力改變，形成事實上的超固結(jié)狀態(tài)。本工程樁側(cè)以及樁端以下土層以超固結(jié)狀態(tài)為主，采用考慮應力歷史的沉降計算較符合土體實際應力狀態(tài)。

（3）有限元計算方法。有限元法能考慮底板的剛度以及底板、樁基和土體的共同作用，且能計算不同樁長情況下的沉降分布，在近年得到了廣泛的應用，但由于數(shù)值分析的復雜性，規(guī)范中尚未有統(tǒng)一的計算標準。

3.2 沉降計算參數(shù)

環(huán)球金融中心、金茂大廈此前是上海市第一和第二高樓，與上海中心大廈屬同一地質(zhì)單元，土層分布特點及土性特征類似，建筑高度也在可比的范圍內(nèi)，為上海中心大廈確定樁基沉降量計算參數(shù)和計算最終沉降量提供了良好的類比分析條件，三座超高層建筑主要土層對比見表5。

無論采用何種沉降計算方法，沉降計算范圍內(nèi)各土層的壓縮模量是準確預估建筑物最終沉降量的重要參數(shù)。根據(jù)各土層應力段范圍壓縮模量Es 值，結(jié)合靜力觸探、標準貫入、旁壓試驗等原位測試成果，并類比鄰近超高層建議值綜合分析，確定樁基沉降計算壓縮模量Es 建議值見表6。

3.3 沉降預測

金茂大廈最終沉降量約80 mm；環(huán)球金融中心因建筑面積的增加和核心筒范圍荷載的集中，總的沉降變形值約130 mm。金茂大廈和環(huán)球金融中心沉降觀測成果對上海中心大廈塔樓樁基沉降預測具較大參考價值。

上海中心大廈塔樓以第⑨ 2-1 層作為樁基持力層，核心區(qū)和擴展區(qū)樁長分別為86.0 m 和82.0 m。采用上海市《地基基礎設計規(guī)范》（方法1）、行業(yè)標準《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（方法2）、行業(yè)標準《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》（方法3）、有限元法（方法4）等四種方法進行計算，前兩種為半理論—半經(jīng)驗沉降計算方法，方法3為考慮應力歷史的沉降計算方法。四種計算方法估算的塔樓沉降量較為接近，其中方法1 沉降計算經(jīng)驗系數(shù)根據(jù)金茂大廈及環(huán)球金融中心工程經(jīng)驗取0.25，不同計算方法估算的塔樓沉降量見表7。

上海中心大廈完成底板混凝土澆筑后在B5 層大底板上共布置20 個測點進行變形觀測，其中核心筒內(nèi)部共4個測點（編號1～4，僅觀測到2013 年10 月），核心筒外部共8 個測點（編號5～12），巨柱角柱共8 個測點（編號13～20）。根據(jù)實測沉降觀測資料，至2021 年7 月，塔樓核心筒外部最大沉降值101.3 mm，巨柱最大沉降值75.44 mm，角柱最大沉降值 68.00 mm，沉降變形已經(jīng)穩(wěn)定，核心外部變形曲線見圖4，巨柱角柱變形曲線見圖5 [7]。塔樓最終沉降量預測值與實測值基本一致，采用有限元法的預測結(jié)果與實測值更為吻合。

3.4 沉降分析

上海中心大廈大底板于2010 年7 月25 日形成，地基回彈結(jié)束，結(jié)構(gòu)開始沉降；2011 年3 月9 日，降水停止，承壓水水位逐漸恢復，基礎開始小幅上浮；2011 年7 月29 日，基礎上浮結(jié)束，結(jié)構(gòu)再次開始沉降；2014 年6 月25 日，核心筒及外圍完工；2016 年3 月30 日，工程竣工。根據(jù)實測變形曲線，各觀測點變形趨勢基本一致，主要經(jīng)歷以下幾個階段：初期下沉，降水停止、承壓水水位恢復后小幅上浮，再次下沉，結(jié)構(gòu)封頂后變形趨緩，最終變形穩(wěn)定。

金茂大廈及環(huán)球金融中心均采用鋼管樁方案，上海中心大廈采用后注漿大直徑超長灌注樁方案。結(jié)構(gòu)封頂時金茂大廈、環(huán)球金融中心沉降量分別約50.0 mm 和100.0mm，約占最終沉降量的60%～70%；上海中心結(jié)構(gòu)封頂時沉降量約90.0 mm，約占最終沉降量的90%，沉降變形主要發(fā)生在工程建設期間[8]。金茂大廈、環(huán)球金融中心、上海中心大廈塔樓基礎方案及沉降數(shù)據(jù)對比見表8。

4 結(jié)語

本文以上海中心大廈為例，對軟土地區(qū)超高層建筑巖土工程關(guān)鍵技術(shù)問題進行了總結(jié)和研究。對樁型選擇、樁基承載力、沉降計算方法及參數(shù)、沉降分析與預測等巖土工程關(guān)鍵問題進行研究，得到以下結(jié)論：

（1）超高層荷載極大，對樁基承載力要求高，樁型選擇是關(guān)鍵技術(shù)問題，需結(jié)合周邊環(huán)境、樁基承載力要求、施工可行性等綜合分析，確定適宜的樁型；軟土地區(qū)超高層建筑樁型選擇問題尤為關(guān)鍵，采用后注漿灌注樁是適宜的。

（2）當后注漿灌注樁采用樁端及樁側(cè)聯(lián)合注漿時，承載力未出現(xiàn)明顯提高，樁端后注漿效果優(yōu)于樁端及樁側(cè)聯(lián)合注漿；根據(jù)工程經(jīng)驗，計算樁端后注漿灌注樁承載力時，樁端極限端阻力標準值fp 可按預制樁取值，樁端以上20～30d 范圍內(nèi)的樁側(cè)極限摩阻力標準值fs 增強系數(shù)可取2.0，計算參數(shù)取值及計算過程較為簡便，計算結(jié)果與試樁結(jié)果接近。

（3）超高層基礎沉降要求高、控制難度大，需結(jié)合地層條件、結(jié)構(gòu)特點、荷載分布情況、周邊環(huán)境等因素綜合考慮，結(jié)合靜力觸探試驗、標準貫入試驗、旁壓試驗、波速試驗等原位測試成果及類似超高層工程經(jīng)驗，經(jīng)綜合分析確定合理的沉降計算參數(shù)。

（4）超高層建筑塔樓荷載極大，對基礎沉降控制標準要求高，由于工程經(jīng)驗及完整的觀測資料少，理論計算結(jié)果與實測沉降差異較大。通過采用多種計算方法，如實體深基礎法、Mindlin 法、有限元法等對上海中心大廈進行沉降預測，預測值與實測值基本一致，其中有限元法的預測結(jié)果與實測值更為吻合。

（5）各觀測點變形趨勢基本一致，初期下沉，降水停止、承壓水水位恢復后上浮，再次下沉，結(jié)構(gòu)封頂后變形趨緩，最終變形穩(wěn)定；上海中心大廈塔樓最終沉降量約100mm，結(jié)構(gòu)封頂時沉降量占最終沉降量的90% 左右。沉降變形主要發(fā)生在工程建設期間。

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