黃進(jìn)芳

廈門市住宅設(shè)計院有限公司（361000）

某高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計分析

黃進(jìn)芳

廈門市住宅設(shè)計院有限公司（361000）

這里以某高層建筑為實例，通過幾種基礎(chǔ)方案的對比分析及經(jīng)濟(jì)技術(shù)的比較優(yōu)選，提出了平板式筏形基礎(chǔ)加減沉疏樁的基礎(chǔ)設(shè)計思路及實際實施效果，以期對此類工程給予參考。

基礎(chǔ)方案；設(shè)計分析；筏形基礎(chǔ)；減沉疏樁

1 工程概況

某大廈位于廈門市湖濱南路北側(cè)，閩南大廈東側(cè)，后埭溪路西側(cè)，處于廈門黃金地段。該工程總建筑面積約6萬m2，是一棟以辦公為主的高層5A甲級寫字樓。其中：地下3層，建筑面積約2.4萬m2，埋深約16m，地下第三層人防設(shè)防等級為核6級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；地上主樓24層，建筑高度為97.75m，裙房3層，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，單柱最大內(nèi)力約25 000 kN。

根據(jù)廈門地質(zhì)工程勘查院提供的勘察報告,本工程地質(zhì)剖面和各土層的物理力學(xué)綜合指標(biāo)見表1。

2 基礎(chǔ)方案分析

本工程場地內(nèi)雜填土層中分布有較多大小不一的“孤石”，且地下室開挖深度達(dá)16m，受此影響，不宜采用PHC樁、TSC薄壁鋼管混凝土樁。同時，由于該工程主樓局部已有全風(fēng)化層揭露，而目前大直徑沉管灌注樁施工長度只有36m,因此大直徑沉管灌注樁的有效樁長局部無法滿足工程要求。另外，由于人工挖孔樁施工安全隱患較突出，根據(jù)閩建【2006】38號文，樁長不得超過15m。若本工程采用人工挖孔樁，按持力層為全風(fēng)化花崗巖或砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,樁身直徑1.2m,樁端擴(kuò)大頭2.0m,樁長15m進(jìn)行計算,單樁承載力特征值為3 000～4 800 kN，單樁承載力偏低,加上場地地下水位較高，施工降水困難，因此人工挖孔樁也不宜采用。基于上述情況，以下著重對比分析沖（鉆）孔樁灌注樁、平板式筏形基礎(chǔ)、復(fù)合樁基礎(chǔ)及平板式筏形基礎(chǔ)加減沉疏樁。

2.1 沖（鉆）孔灌注樁

以砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為樁端持力層，樁身直徑1.3m，有效樁長40m，樁端進(jìn)入持力層深度17m，單樁豎向承載力特征值Ra=7 600 KN，主塔樓四周單柱下大多為三樁，核心筒區(qū)域為群樁，純地下室區(qū)域有抗浮起控制作用,單柱下需布兩根抗拔樁，承臺厚度1.8～2.3m。由于緊鄰本工程的湖濱二里住宅樓為老舊建筑，為盡量避免施工振動對其結(jié)構(gòu)造成影響，施工時宜采用鉆孔成樁。

2.2 平板式筏形基礎(chǔ)

表1 地基土層物理力學(xué)性能綜合指標(biāo)

按照平板式筏形基礎(chǔ)設(shè)計，以殘積礫質(zhì)黏性土為持力層，初勘時承載力特征值fak=230 kPa（參照廈門地區(qū)嘉益大廈、當(dāng)代天境等工程載荷板試驗的結(jié)果，殘積土承載力特征值估計可提高到310～350 kPa），經(jīng)深度寬度修正后fa=470 kPa，按土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（Ck=30 kPa，Φk=22°）確定的地基承載力特征值fa=650 kPa。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，主樓筏板基礎(chǔ)可采用外擴(kuò)一跨（7～8m）來減小基底壓力，同時也減少了純地下室設(shè)置抗浮錨桿或抗拔樁的范圍。這樣主塔樓區(qū)域筏板面積約3 000m2，經(jīng)計算得筏板底平均反力為457 kPa，筏板厚度經(jīng)沖切、剪切驗算應(yīng)不小于2m，核心筒區(qū)域采用2.4m。

2.3 復(fù)合樁基礎(chǔ)

采用人工挖孔灌注樁的復(fù)合地基，通過在樁頂與基礎(chǔ)承臺(底板)之間安裝變形調(diào)節(jié)器來弱化樁的剛度,使樁和土可以協(xié)調(diào)變形共同承擔(dān)荷載，形成復(fù)合樁基。本工程基礎(chǔ)承臺(底板)下地基土修正后承載力特征值可達(dá)470 kPa;樁體采用直徑1.2m的人工挖孔灌注樁，樁長按12m，以全風(fēng)化花崗巖或砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為持力層，單樁承載力可以達(dá)到2 300 kN，樁距按3～4 d布樁,主樓下共150根。承臺厚度1.6～2.0m。

2.4 平板式筏形基礎(chǔ)加減沉疏樁

按照上面2.2所列的平板式筏形基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，依據(jù)變剛度調(diào)平設(shè)計的原則，在各框架柱的筏板下分別加設(shè)一根直徑1.2m或1.5m的人工挖孔灌注樁，核心筒區(qū)域加設(shè)19根直徑1.4m的人工挖孔灌注樁，人工挖孔樁均不加擴(kuò)大頭，同時在所有樁底均鋪設(shè)300mm厚砂石墊層。

3 技術(shù)合理性分析

3.1 沖（鉆）孔灌注樁

沖（鉆）孔灌注樁具有承載力高，對場地適應(yīng)性好的特點，在廈門地區(qū)的高層和超高層建筑中應(yīng)用較為普遍。然而近幾年的工程實踐也暴露出一些問題,主要表現(xiàn)為靜載試驗值小于理論估算值，樁底殘渣較厚，樁身完整性不良。究其原因，就是施工過程中孔壁容易坍塌、樁周泥皮超厚及孔底殘渣不易清除干凈。對本工程的適應(yīng)性分析，優(yōu)點：①沖孔灌注樁基礎(chǔ)可以穿越各土層中發(fā)育的孤石，對場地內(nèi)土層的復(fù)雜情況有很好的適應(yīng)性；②以砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖作為持力層，承載力高，沉降量小。缺點：①在軟弱土層、粗砂層中成樁時泥漿護(hù)壁容易坍塌，會造成樁身夾泥夾渣,樁身承載力不容易保證；②樁身泥皮太厚，樁底殘渣清除不干凈,豎向承載力不容易保證；③為達(dá)到設(shè)計需求的承載力，樁長較長，工期長，造價高。為保證單樁豎向承載力，采用沖（鉆）孔樁時需采取反循環(huán)施工工藝，并對樁端樁側(cè)采取后注漿措施。

3.2 平板式筏形基礎(chǔ)

具有整體性強(qiáng)、剛度大、質(zhì)量易于保證、施工方便、工期短的特點，對于承載力較高、土質(zhì)相對均勻的地基土，可以充分發(fā)揮地基土的承載力，在一定條件下是經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式，可以優(yōu)先考慮。對本工程的適應(yīng)性分析，優(yōu)點：①場地范圍小，已完成的基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)的水平支撐梁梁底距離地下室底板面僅1.5～1.7m，不利于大型機(jī)械設(shè)備作業(yè)，采用該基礎(chǔ)形式施工方便；②剛度大、整體性好，有利于調(diào)整不均勻沉降；③施工速度快，驗收程序簡單，大大縮短工期。缺點：①上部結(jié)構(gòu)荷載非常大，需要筏板沿主樓范圍有較大的外挑，筏板厚度大；②筏板基礎(chǔ)的變形較大，與純地下室區(qū)域沉降差較大；③地基承載力必須有可靠的保證，殘積礫質(zhì)黏性土受到擾動或積水浸泡后承載力會迅速降低，施工時應(yīng)有嚴(yán)格的保護(hù)措施,施工現(xiàn)場的管理難度較大。

3.3 復(fù)合樁基

在承載力較高的地基土上建造高層建筑，為滿足承載力和變形的雙重需要，采用樁土共同作用的復(fù)合樁基具有較好的經(jīng)濟(jì)性。變剛度端承樁復(fù)合樁基是近年來出現(xiàn)的一種新技術(shù)，在廈門只有“嘉益大廈”和“藍(lán)灣國際”等極個別項目中采用。它通過在樁頂部設(shè)置剛度調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)樁土共同承擔(dān)上部荷載，達(dá)到了充分利用地基土的承載力和控制沉降的目的。對本工程的適應(yīng)性分析，優(yōu)點：①殘積土參與承擔(dān)上部荷載后，不僅可以減少人工挖孔樁的樁數(shù)，取消樁端擴(kuò)大頭,樁長也可以縮短，控制13m以內(nèi),大大減小了施工難度，節(jié)約樁基成本；②相對于采用沖（鉆）孔樁施工工期大大縮短。缺點：①殘積礫質(zhì)黏性土受到擾動或積水浸泡后承載力會迅速降低,基槽開挖時對地基土必須有可靠的保證措施，對人工降低基坑內(nèi)的地下水位也有更高的要求，施工現(xiàn)場的施工和管理難度較大；②對施工隊伍的技術(shù)和管理水平要求較高，變剛度端承樁復(fù)合樁基采用了一系列的新工藝新技術(shù),需要信息化施工，加大了施工難度。

3.4 平板式筏形基礎(chǔ)加減沉疏樁

對于框架-核心筒結(jié)構(gòu)高層建筑,在天然地基承載力基本滿足要求的情況下，可在框架柱和核心筒區(qū)域設(shè)置減沉的摩擦型樁，用于控制沉降，協(xié)調(diào)變形。同時，樁底加設(shè)砂石墊層，當(dāng)樁頂?shù)暮奢d達(dá)到樁的極限承載力時，樁可以向下刺入，保證了基樁有一定的下沉空間。因此，與平板式筏板基礎(chǔ)相比，其還具備以下優(yōu)點：1）采用加設(shè)減沉樁，有利于進(jìn)一步提高整個結(jié)構(gòu)的安全度；2）樁基承受了部分荷載,有利于減少主樓的沉降量及與純地下室區(qū)域的沉降差；3）挖孔樁可以利用第三道支撐（總的三道）施工及養(yǎng)護(hù)期間穿插施工，以縮短工期。

4 造價及工期合理性分析

幾種基礎(chǔ)形式的造價和施工工期的比較分析見表2?？梢钥闯?，平板式筏形基礎(chǔ)加減沉疏樁明顯優(yōu)于其他基礎(chǔ)形式。

5 基礎(chǔ)形式的選定及設(shè)計理念

5.1 基礎(chǔ)形式的選定

與其他基礎(chǔ)形式相比，用平板式筏形基礎(chǔ)加減沉疏樁有如下優(yōu)勢：

1）充分利用地基土的承載力，可降低樁的承載力要求，減小樁長，節(jié)約工程造價，縮短工期。2）當(dāng)?shù)鼗恋某两颠_(dá)到預(yù)估允許沉降量后，樁將樁底砂石墊層的空腔壓縮密實，后續(xù)荷載由樁承擔(dān)，由此可以大大減小基礎(chǔ)的總沉降，實現(xiàn)主動控制最終沉降量的目的。3）結(jié)構(gòu)體系采用框筒結(jié)構(gòu)，結(jié)合變剛度調(diào)平的原則布置減沉樁,由樁參與協(xié)調(diào)變形，可減少差異沉降，實現(xiàn)主動控制差異沉降的目的。4）采用樁底加砂石墊層的做法替代樁頂加剛度調(diào)節(jié)器，節(jié)約了工程造價，并將施工難度大大降低。

總之,平板式筏形基礎(chǔ)加減沉疏樁技術(shù)合理、施工工期短、造價低，是較為理想的設(shè)計方案。

5.2 設(shè)計理念

1）要實現(xiàn)樁減少沉降的作用，必須考慮解決樁土的變形協(xié)調(diào)問題。為此,在樁底鋪設(shè)砂石墊層,使樁的前期豎向剛度變小，樁在荷載作用下可以產(chǎn)生廣義的“壓縮”變形，基礎(chǔ)承臺隨之向下擠壓地基土,達(dá)到樁土共同承載的目的。平板式筏形基礎(chǔ)加減沉疏樁這一基礎(chǔ)形式的工作狀態(tài)可分為兩個階段。第一階段為樁土共同作用階段,上部荷載主要由地基土承擔(dān),充分發(fā)揮地基土的承載力。第二階段地基土因壓縮沉降后，樁將樁底砂石墊層壓縮密實，后續(xù)沉降主要由樁承擔(dān)。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)剛度和荷載布置情況，結(jié)合承臺下地基土的承載力和剛度，盡可能在豎向荷載較大的位置上布減沉樁，使各區(qū)域地基沉降趨于均勻。同時，由于殘積礫質(zhì)黏性土被擾動后，會造成土體結(jié)構(gòu)崩解，強(qiáng)度降低，壓縮性提高，因此減沉樁選型和布置應(yīng)從以下幾點考慮：①為摩擦型樁，達(dá)到極限時能有所刺入；②對土體的擾動越小越好，為此樁數(shù)要少，樁長要短；③在現(xiàn)有的場地中可以施工。從這三點出發(fā)，較可行的樁型只有人工挖孔樁。2）為有效解決主樓及純地下室結(jié)構(gòu)之間的差異沉降，首先在塔樓基礎(chǔ)加設(shè)減沉樁；其次在主樓與純地下室筏板間加設(shè)沉降后澆帶，及待主樓結(jié)構(gòu)主體自由沉降基本完成后再封閉后澆帶，以減小主樓結(jié)構(gòu)的后期沉降，較好地解決本工程主樓和純地下室間差異沉降的協(xié)調(diào)設(shè)計問題。3）為增加筏板基礎(chǔ)的整體剛度，提高建筑安全度，降低施工難度,除主樓與純地下室區(qū)域采用沉降后澆帶外，地下室筏板均添加膨脹添加劑，并采用膨脹加強(qiáng)帶替代常規(guī)的溫度后澆帶。4）主樓外挑區(qū)域通過加設(shè)局部褥墊層的做法來協(xié)調(diào)變形。5）根據(jù)變剛度設(shè)計原理，純地下室采用1 000mm厚的板筏基礎(chǔ),局部為滿足沖切要求加厚到1 100mm。地下室除結(jié)構(gòu)自重外設(shè)計水浮力近100 kPa,采用直徑180mm的抗拔錨桿,有效長度19m，布孔間距1.5m,單根抗拔承載力特征值200 kN,主筋按每年0.02mm被動腐蝕考慮50年后可滿足要求進(jìn)行計算,采用1根直徑25mm的高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋（PSB830），基坑開挖時先挖至底板底標(biāo)高+1.0m時進(jìn)行錨桿施工，待錨桿施工及檢測完成后開挖至底板底，以減少對持力層土體的擾動。采用抗拔錨桿（工期約45 d）具有如下優(yōu)點：①布置靈活；②滿堂布置可以減少底板的彎矩和底板的厚度；③施工設(shè)備簡單，可以下坑底施工。而采用沖孔樁作為抗浮樁需要的施工空孔深度很大,由于泥漿護(hù)壁，泥皮的作用使抗拔力大幅降低。

表2 造價與施工工期比較分析

5.3 實際實施效果

基坑開挖后的平板載荷試驗結(jié)果為：殘積礫質(zhì)黏性土地基承載力特征值為600 kPa，可滿足受力要求；現(xiàn)工程主體結(jié)構(gòu)已封頂，主體驗收時各沉降觀測點的沉降觀測值均小于20mm，驗證了原先設(shè)計思路的可行性。

6 結(jié)語

通過以上的比較分析，筆者認(rèn)為在特定地質(zhì)條件下，高層建筑的基礎(chǔ)選型應(yīng)綜合考慮技術(shù)的可行性和造價、工期的合理性，提出合適的基礎(chǔ)設(shè)計方法，供同行探討及參考。

[1]GB 50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3]李勇.北京當(dāng)代MOMA工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)秀設(shè)計圖集[D].中國建筑工業(yè)出版社，2010,10.

[4]嘉益大廈復(fù)合基礎(chǔ)課題研究小組，廈門嘉益大廈高層建筑廣義復(fù)合基礎(chǔ)技術(shù)研究報告[R].

[5]劉金礪.建筑樁基技術(shù)規(guī)范應(yīng)用手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社.