孫宏偉

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

高層建筑，特別是超高層建筑，高且重，而且主裙樓之間結(jié)構(gòu)體系、荷載集度差別顯著，因此地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮上部結(jié)構(gòu)類(lèi)型、荷載狀況、地層土質(zhì)條件、地下水位情況等因素，選擇合理的地基與基礎(chǔ)形式。地基與基礎(chǔ)緊密連接，設(shè)計(jì)中各有側(cè)重[1]。在建筑基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中，按穩(wěn)定性設(shè)計(jì)通常稱(chēng)為按承載力控制設(shè)計(jì)，按變形控制設(shè)計(jì)通常稱(chēng)為按沉降控制設(shè)計(jì)。按沉降控制設(shè)計(jì)的思路與按承載力控制設(shè)計(jì)的思路不同。按沉降控制設(shè)計(jì)中，首先按建造建筑物對(duì)地基沉降量控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

對(duì)于主裙樓建筑而言，不僅需要控制主裙樓各自的沉降量，更重要的是主裙樓之間沉降差，對(duì)于高層主樓，其內(nèi)部的差異沉降控制需要實(shí)現(xiàn)變調(diào)平，即差異沉降最小化。本文以差異沉降控制為核心，從兩條主線(xiàn)(主裙樓沉降差控制、主樓變調(diào)平技術(shù))和兩個(gè)支撐(協(xié)同分析技術(shù)、成樁品質(zhì)管控)簡(jiǎn)明闡述主裙樓建筑差異沉降控制的理念、方法、技術(shù)、措施的新進(jìn)展，以期推進(jìn)土木建筑行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

1 主裙樓沉降差控制

經(jīng)過(guò)不懈的探索研究和大膽實(shí)踐，“高層建筑的高層部分與多層裙房之間，根據(jù)地基及上部結(jié)構(gòu)的條件，也可不設(shè)置沉降縫(在地震區(qū)兼作防震縫)。目前我院所設(shè)計(jì)在北京地區(qū)的工程，已基本上不在高低層之間設(shè)縫。我院所設(shè)計(jì)的外地工程，也都根據(jù)具體工程地質(zhì)條件，盡可能不設(shè)沉降縫，以利于減少造價(jià)，便于使用[3]。

高低層之間不設(shè)縫措施的關(guān)鍵，在于減少高低層之間的沉降差[3]。對(duì)于高低層建筑主裙樓一體的大底盤(pán)形式，GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》所給出的主裙樓之間沉降差的限值要求為不大于其跨度的0.1%，主裙樓之間的差異沉降(沉降差)可用式(1)表達(dá)。

Δs=s1-s2

(1)

式中：s1為主樓沉降量，s2為裙房沉降量。

由式(1)可知，基礎(chǔ)聯(lián)合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是高層與低層建筑的地基基礎(chǔ)一體化，始終要把工程在不同工況條件下的差異變形控制與協(xié)調(diào)作為解決地基基礎(chǔ)問(wèn)題的總目標(biāo)，并以“控制與協(xié)調(diào)差異變形”為核心，以地基與結(jié)構(gòu)相互作用分析與協(xié)同設(shè)計(jì)為技術(shù)保證。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，通常更關(guān)注減少主樓沉降的技術(shù)措施，此時(shí)應(yīng)注意裙房沉降不致過(guò)小，若能統(tǒng)籌兼顧同時(shí)調(diào)控s1和s2，則為最有效方法。需要提醒的是，抗浮措施比選確定應(yīng)兼顧差異沉降控制要求。

文獻(xiàn)[4]總結(jié)的主裙連體建筑調(diào)平：當(dāng)高層主體采用樁基時(shí)，裙房采用天然地基、復(fù)合地基或疏短復(fù)合樁基；當(dāng)裙房地基承載力較高時(shí)，宜對(duì)裙房采取增沉措施，包括主裙相鄰跨樁基以外筏板底設(shè)松軟墊層，對(duì)抗浮樁設(shè)軟墊或改為抗浮錨桿等。

遵循差異沉降控制原則，根據(jù)主裙樓的荷載分布、結(jié)構(gòu)剛度、基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)剛度、地基土質(zhì)條件以及沉降差的協(xié)調(diào)和控制要求進(jìn)行主裙樓高低層建筑的地基基礎(chǔ)聯(lián)合設(shè)計(jì)，更應(yīng)開(kāi)展地基與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)。

北京中國(guó)尊大廈地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用土與結(jié)構(gòu)相互作用原理，將主塔樓與其相鄰裙房作為一個(gè)整體進(jìn)行研究與分析，遵循差異沉降控制與協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，考慮樁筏協(xié)同作用按變形控制條件合理選擇樁端持力層，優(yōu)化設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、樁徑和樁間距，樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算考慮上部結(jié)構(gòu)、筏板基礎(chǔ)和地基(樁與土)共同作用分析，巖土工程師與結(jié)構(gòu)工程師通力協(xié)作完成了樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終取消了全部裙房抗浮樁，超高層主塔樓與裙房之間不再設(shè)置沉降后澆帶，實(shí)現(xiàn)了樁筏設(shè)計(jì)的創(chuàng)新[5]。

1.1 主樓地基類(lèi)型

地基類(lèi)型分為天然地基和人工地基兩大類(lèi)。根據(jù)沉降控制要求，因地制宜、因工程制宜，合理選用地基類(lèi)型。

1)天然地基方案

采用壓縮模量較高的一般第四紀(jì)沉積的中密以上的砂土層或卵石圓礫(通稱(chēng)作“砂卵石”)層為基礎(chǔ)持力層，其厚度宜不小于4m并較均勻，且無(wú)軟弱下臥層。工程實(shí)踐案例包括在20世紀(jì)80年代完成的北京西苑飯店[6]、長(zhǎng)富宮大廈、北京國(guó)際大廈等，其中北京國(guó)際大廈，通過(guò)箱形基礎(chǔ)外擴(kuò)以降低基底壓力[7]。

北京地區(qū)高層建筑天然地基方案實(shí)施高度不斷突破，如北京LG大廈[8]，北京麗澤首創(chuàng)中心(高200m)[9]，遠(yuǎn)洋銳中心主樓(高200m，地上42層)，均成功采用了天然地基方案。

長(zhǎng)沙北辰A1地塊寫(xiě)字樓[5](結(jié)構(gòu)高度206m，建筑高度達(dá)240m)在驗(yàn)證軟巖地基工程特性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)與地基協(xié)同作用分析，最終確定了筏板基礎(chǔ)天然地基設(shè)計(jì)方案，取代了樁基方案，經(jīng)沉降實(shí)測(cè)驗(yàn)證，軟巖天然地基方案安全可靠，為軟巖地基工程評(píng)價(jià)與地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)積累了重要的經(jīng)驗(yàn)。

2)人工地基方案

包括處理地基(換填地基、預(yù)壓地基、強(qiáng)夯地基等)、復(fù)合地基、樁基，特別是可考慮樁土共同工作的樁基，因樁的作用為人工調(diào)整地基剛度，故歸入人工地基更為確切。采用樁基或復(fù)合地基，應(yīng)做好技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。宰金珉先生在文獻(xiàn)[10]中系統(tǒng)地論述了地基剛度的人為調(diào)整與優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括地基土剛度調(diào)整和樁基剛度調(diào)整。

上海中心大廈采用了大直徑超長(zhǎng)灌注樁，有別于金茂大廈(420m)、上海環(huán)球金融中心(492m)所采用的鋼管樁，持力層選擇層⑨2粉砂，因其土性較佳、承載力高、土質(zhì)相對(duì)較均、持力層厚度有保證，但是鉆孔灌注樁鉆孔過(guò)程需要穿越相對(duì)厚的粉土和砂層，施工的成孔能力和鉆孔樁的質(zhì)量是有必要進(jìn)行多方面試驗(yàn)的，因此通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁驗(yàn)證成樁可行性及承載力取值，試樁載荷試驗(yàn)加載至極限，采用分布式光纖量測(cè)樁身應(yīng)變，同時(shí)為研究上海軟土地區(qū)大直徑超長(zhǎng)灌注樁承載特性及荷載傳遞機(jī)理提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)[11]，為上海軟土地區(qū)600m超高層建筑首次采用灌注樁提供指導(dǎo)和技術(shù)支持。

自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，后注漿技術(shù)的鉆孔灌注樁成樁工藝技術(shù)逐步推廣，北京保信金融中心(主樓地上31層)、北京名人廣場(chǎng)[12]、北京雪蓮大廈(高150m)[5]、北京SOHO現(xiàn)代城A棟(地上40層)[13]是相對(duì)較早期采用灌注樁后注漿工藝以控制主樓沉降量的高層建筑項(xiàng)目。隨著研究深入和經(jīng)驗(yàn)積累，大直徑鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)越來(lái)越成熟可靠，應(yīng)用日益廣泛，研究與實(shí)踐相輔相成。北京中國(guó)尊大廈[14]、北京銀泰中心[15]、北京電視中心新臺(tái)址、北京CCTV新臺(tái)址[16]、北京財(cái)富中心、北京國(guó)家體育場(chǎng)、首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓以及北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓[17]等均采用了灌注樁后注漿技術(shù)以提高基樁承載能力且減少變形。

1.2 加大裙房沉降的措施

裙房的地基基礎(chǔ)方案選擇考慮不周會(huì)抑制裙房沉降，使得高低層之間的沉降差過(guò)大。所以，設(shè)法使裙房部分的沉降量不致太少，是一個(gè)很重要的減少高低層之間沉降差的方法。加大裙房沉降量的措施主要如下。

1)適當(dāng)調(diào)整裙房基礎(chǔ)的埋置深度，以使壓縮性相對(duì)更高的土層作為裙房基礎(chǔ)持力層。例如：高層基礎(chǔ)持力層為密實(shí)的砂土或碎石土?xí)r，裙房基礎(chǔ)底面標(biāo)高可以提高(如果可能)，使得基底放置在黏性土或粉土層之上。例如北京西苑飯店設(shè)計(jì)將高層主樓的基礎(chǔ)落在-12.000m砂卵石層上，設(shè)3層地下室；裙房的基礎(chǔ)落在-7.550～-9.500m粉細(xì)砂層上，設(shè)2層地下室[6]。

2)基礎(chǔ)形式應(yīng)優(yōu)先選用單獨(dú)柱基或條形基礎(chǔ)，有防水要求時(shí)可采用單獨(dú)柱基或條形基礎(chǔ)另加防水板的方法。此時(shí)防水板下應(yīng)鋪設(shè)一定厚度的易壓縮材料。北京嘉里中心大面積使用泡沫板作為基礎(chǔ)的軟墊層[18]，減少基礎(chǔ)與土的接觸面積，加大基礎(chǔ)壓力，增加低層部分的沉降，進(jìn)而減少高層建筑與裙房之間的不均勻沉降差。

3)選用單獨(dú)柱基或條形基礎(chǔ)之后，還須設(shè)法盡量采用較高地基容許承載力，盡可能減少其基底面積。

當(dāng)前地下室層數(shù)有愈來(lái)愈多的趨勢(shì)，即基坑深度越來(lái)越深，裙房基礎(chǔ)處于超補(bǔ)償狀態(tài)，因此往往設(shè)計(jì)中還需要考慮抗浮措施。

1.3 抗浮兼顧沉降控制

建筑工程抗浮設(shè)計(jì)需要兼顧差異沉降控制要求。近年來(lái)隨著建筑地下室的不斷加深，裙房和地下車(chē)庫(kù)的基礎(chǔ)抗浮設(shè)防問(wèn)題越來(lái)越凸顯，并且對(duì)于大底盤(pán)主裙樓高低層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)造成了諸多困擾，當(dāng)裙房、地下車(chē)庫(kù)采用抗拔樁時(shí)，會(huì)抑制其沉降量，即使得s2過(guò)小，不利于控制和協(xié)調(diào)主樓裙房之間沉降差，由式(1)可知，此時(shí)為了將沉降差Δs控制在允許范圍內(nèi)，需要更嚴(yán)格地限制高層主樓的沉降量(s1)，則會(huì)造成高層主樓地基基礎(chǔ)工程投資加大、工期延長(zhǎng)。針對(duì)這一問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的水文地質(zhì)勘察工作，以保證更為科學(xué)合理地確定場(chǎng)地地下水抗浮設(shè)計(jì)水位[19]。

依據(jù)文獻(xiàn)[19]，某建筑物基礎(chǔ)基本上坐落于粉細(xì)砂層上，場(chǎng)區(qū)30m深度范圍內(nèi)存在3層地下水且第1，2層水對(duì)浮力確定起主要作用，在此基礎(chǔ)上通過(guò)在擬建工程場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置地下水觀測(cè)孔(10個(gè))和埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)(15個(gè))以及收集區(qū)域性水文地質(zhì)背景資料和地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)資料，分析研究了水壓力的實(shí)際分布狀況和變化規(guī)律。臺(tái)地潛水在越流補(bǔ)給層間潛水過(guò)程中存在水頭損失，因此在垂向上孔隙水壓力小于靜水力學(xué)理論計(jì)算值。綜合考慮諸多自然與人為因素不利影響，分析研究表明最不利情況下的水壓力分布較之傳統(tǒng)方法減小。根據(jù)建議的設(shè)防水位，比原來(lái)擬采用浮力值減小40kPa，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)就可以采用壓重方案解決抗浮問(wèn)題，避免采用抗浮樁方案。

適當(dāng)增加配重，有利于控制差異沉降?？垢″^桿、抗浮樁對(duì)地基剛度和沉降控制的影響，在抗浮設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分重視?？垢″^桿的選型及其布置方式，對(duì)沉降以及基礎(chǔ)內(nèi)力的影響，尚需要深入研究。

1.4 沉降后澆帶優(yōu)化

1)有無(wú)沉降后澆帶

關(guān)于沉降后澆帶的有無(wú)，其過(guò)程可以分為兩大階段：①?gòu)臒o(wú)到有，即以沉降后澆帶取代永久沉降縫；②從有到無(wú)，經(jīng)過(guò)差異沉降控制設(shè)計(jì)，主裙樓差異沉降控制在容許范圍內(nèi)，沉降后澆帶不必設(shè)置。從沉降后澆帶的有無(wú)變化之中，可以看出差異沉降控制設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程。

起初沿用了設(shè)置沉降縫這一傳統(tǒng)的處理措施。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，設(shè)置沉降縫未必能提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，地震時(shí)常因?yàn)橄嗷ヅ鲎捕斐烧鸷?。?shí)際工程中還發(fā)現(xiàn)設(shè)置沉降縫未必能解決差異沉降的問(wèn)題。有的工程，根據(jù)預(yù)估的差異沉降量，特意加高了主樓室內(nèi)地坪標(biāo)高，然而沉降差卻始終未能消除。根據(jù)建筑沉降變形觀測(cè)，由于相互影響，北京飯店新樓的Ⅰ段和Ⅲ段均表現(xiàn)為短向傾斜的沉降形態(tài)[7]。

自1980年設(shè)計(jì)西苑飯店工程開(kāi)始，我院已在許多工程設(shè)計(jì)中，采取高層建筑與其裙房之間不設(shè)沉降縫的設(shè)計(jì)方法，并都取得了成功[3]。北京的西苑飯店[6]、新世紀(jì)飯店[20]、長(zhǎng)富宮中心等高層建筑主樓與低層裙房之間未設(shè)置永久沉降縫，均取得了成功，推動(dòng)了設(shè)計(jì)創(chuàng)新與技術(shù)進(jìn)步。

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮主樓荷載對(duì)于相鄰裙房地基應(yīng)力的影響，影響程度與相鄰裙房地上、地下的層數(shù)、間距以及基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)剛度、地基土質(zhì)等有關(guān)，影響范圍一般可按3跨以?xún)?nèi)考慮。相關(guān)的結(jié)構(gòu)措施包括：高層建筑及與其緊鄰一跨裙房的筏板應(yīng)采用相同厚度，裙房筏板的厚度宜從第2跨裙房開(kāi)始逐漸變化，應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足主、裙樓基礎(chǔ)整體性和基礎(chǔ)板的變形要求；應(yīng)進(jìn)行地基變形和基礎(chǔ)內(nèi)力的驗(yàn)算，驗(yàn)算時(shí)應(yīng)分析地基與結(jié)構(gòu)間變形的相互影響，并采取有效措施防止產(chǎn)生有不利影響的差異沉降。經(jīng)過(guò)差異沉降控制設(shè)計(jì)，當(dāng)確認(rèn)可將主裙樓差異沉降控制在容許范圍內(nèi)，可以對(duì)沉降后澆帶設(shè)置進(jìn)行合理優(yōu)化，包括適時(shí)提前澆筑或取消設(shè)置。

2)提前澆筑

沉降后澆帶的澆筑時(shí)間一般應(yīng)在高層主體結(jié)構(gòu)完工以后。若考慮提前澆筑沉降后澆帶，則需要有系統(tǒng)的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)證明高層建筑的實(shí)際沉降確已趨向穩(wěn)定，并且可以判斷后期的沉降差也在許可范圍內(nèi)時(shí)，方可適當(dāng)提前澆筑時(shí)間，此時(shí)應(yīng)考慮主裙樓之間的沉降差對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的影響，并進(jìn)行驗(yàn)算。北京LG大廈、北京新中關(guān)大廈、主語(yǔ)城的公寓樓項(xiàng)目等工程，以沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)和沉降計(jì)算分析為依據(jù)，在適當(dāng)時(shí)間對(duì)沉降后澆帶提前澆筑封閉。

3)取消設(shè)置

高層建筑與相連裙房的差異沉降滿(mǎn)足限值要求時(shí)，緊鄰主樓的裙房一側(cè)可不設(shè)置沉降后澆帶：①高層建筑與相連裙房為整體筏形基礎(chǔ)時(shí)，主樓與相鄰裙房柱的沉降差不大于其跨度的0.1%；②與高層主樓相連的裙房柱采用獨(dú)立基礎(chǔ)(承臺(tái))時(shí)，主樓與相鄰裙房柱的沉降差不大于其跨度的0.15%”[1]。

位于北京麗澤商務(wù)區(qū)的首創(chuàng)中心通過(guò)采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)和地基基礎(chǔ)協(xié)同設(shè)計(jì)方法，使本工程3棟高度分別達(dá)到200，150，120m的塔樓均采用了天然地基上的筏板基礎(chǔ)，而且150，120m 高的塔樓與裙房(5層高)之間取消了沉降后澆帶[9]。

2 主樓變調(diào)平方法

高層建筑地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是制約高層建筑的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。美國(guó)舊金山千禧大廈在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中考慮不周，導(dǎo)致沉降過(guò)大且整體傾斜，造成了罕見(jiàn)的超高層建筑樁基工程事故，更應(yīng)當(dāng)引起重視和警覺(jué)。

文獻(xiàn)[21—24]針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念存在的諸多問(wèn)題，通過(guò)大型現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)、工程實(shí)測(cè)研究，提出高層建筑地基基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理論與方法：以共同作用理論為基礎(chǔ)，針對(duì)框筒、框剪和主裙連體結(jié)構(gòu)荷載分布差異大的特點(diǎn)，調(diào)整樁土支承剛度，使之與荷載分布相匹配；使得基礎(chǔ)沉降趨于均勻，基礎(chǔ)板的沖、剪、彎內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力減小；由此既降低材料消耗，又改善建筑物功能、延長(zhǎng)使用壽命。通過(guò)29項(xiàng)高層建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)用表明：差異沉降遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，減少了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的碟形沉降和主裙差異變形。框-筒結(jié)構(gòu)調(diào)平：通過(guò)增大樁長(zhǎng)(當(dāng)有2個(gè)以上樁端持力層時(shí))、樁數(shù)，強(qiáng)化核心筒的支承剛度；采用復(fù)合樁基、減小樁長(zhǎng)、減少樁數(shù)，相對(duì)弱化外框架柱的支承剛度，并按強(qiáng)化指數(shù)(1.05～1.20)和弱化指數(shù)(0.95～0.75)進(jìn)行調(diào)控；局部增強(qiáng)調(diào)平：在天然地基承載力滿(mǎn)足要求的條件下，對(duì)框-筒結(jié)構(gòu)的核心筒、框-剪結(jié)構(gòu)的電梯樓梯間采用剛性樁復(fù)合地基實(shí)施局部增強(qiáng)。變基樁豎向支承剛度調(diào)平模式如圖1所示。

圖1 變基樁剛度調(diào)平模式

基于差異變形控制的樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，考慮樁、土、筏板基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)于承載力和變形的影響，既滿(mǎn)足荷載與抗力的整體平衡，又兼顧荷載與抗力的局部平衡，以?xún)?yōu)化樁型選擇和布樁為重點(diǎn)，力求減小差異變形，降低承臺(tái)內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、增強(qiáng)可靠性和耐久性。如前所述，在控制主樓沉降量的同時(shí)，尚應(yīng)控制主樓內(nèi)部沉降差，包括主樓筏板撓度限值、核心筒與外框柱之間的沉降差。對(duì)應(yīng)式(1)，此時(shí)的s1指核心筒的沉降量，而s2則指外框柱的沉降量。

荷載集度高的區(qū)域，如核心筒等實(shí)施局部增強(qiáng)處理：①可局部采用樁基；②局部采用剛性樁復(fù)合地基(見(jiàn)圖2)。北京銀河SOHO采用的是天然地基與局部增強(qiáng)CFG 樁復(fù)合地基的地基設(shè)計(jì)方案[25]，有效地解決了差異沉降控制與協(xié)調(diào)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了變剛度調(diào)平的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。需要關(guān)注的是，凡采用復(fù)合地基的工程項(xiàng)目，應(yīng)注意系統(tǒng)且長(zhǎng)期的沉降觀測(cè)。

圖2 地基剛度局部增強(qiáng)示意

上海中心大廈為巨柱-核心筒-伸臂桁架結(jié)構(gòu)，考慮底板抗沖切的需要，在地下室范圍巨柱邊增加了壁柱，巨柱與核心筒之間通過(guò)翼墻連為整體。樁的布置按照變剛度調(diào)平的概念設(shè)計(jì)，核心筒及周邊6m范圍為核心區(qū)，有效樁長(zhǎng)56m，梅花形布置，巨柱區(qū)域內(nèi)有效樁長(zhǎng)52m，梅花形布置，其余區(qū)域有效樁長(zhǎng) 52m，正方形布置。這三者構(gòu)成的樁承載密度大致為 1. 24∶1. 15∶1(詳見(jiàn)文獻(xiàn)[26])。上海中心大廈的變調(diào)平設(shè)計(jì)模式可概括為“變樁距與變樁長(zhǎng)”。

西安國(guó)瑞金融中心(高350m)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，協(xié)同作用分析表明核心筒與外框柱之間存在沉降差，為了有效減小沉降差，采用了變樁長(zhǎng)的變調(diào)平模式，如圖3所示，即對(duì)外框柱的基樁樁長(zhǎng)進(jìn)行了減短優(yōu)化。該建筑已經(jīng)建成并投入使用，經(jīng)沉降實(shí)測(cè)驗(yàn)證，主樓變調(diào)平技術(shù)思路合理可靠。

圖3 變基樁支承剛度

3 協(xié)同分析技術(shù)

體型復(fù)雜、層數(shù)相差較多的高低層連成一體的建筑物是指在平面上和立面上高度變化較大、體型變化復(fù)雜，且建于同一整體基礎(chǔ)上的高層賓館、辦公樓、商業(yè)建筑等，由于上部荷載大小相差懸殊、結(jié)構(gòu)剛度和構(gòu)造變化復(fù)雜，很容易出現(xiàn)地基不均勻變形，為使地基變形不超過(guò)建筑物的允許值，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和技術(shù)難度均較大，經(jīng)常需要采用多種地基和基礎(chǔ)類(lèi)型并需要考慮采用地基與基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)共同作用的變形分析計(jì)算來(lái)解決不均勻沉降對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的影響問(wèn)題。

對(duì)于同一大面積整體筏形基礎(chǔ)上主裙樓一體或多塔的建筑形式，目前的簡(jiǎn)化方法得出的基礎(chǔ)邊緣沉降值偏小和基礎(chǔ)撓曲度偏大，與沉降觀測(cè)結(jié)果不符，較小的基礎(chǔ)邊緣沉降值對(duì)于差異沉降控制和結(jié)構(gòu)安全是不利的，較大的基礎(chǔ)撓曲度則易造成誤導(dǎo)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基巖土協(xié)同作用或共同作用。

北京中國(guó)尊大廈在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用土與結(jié)構(gòu)相互作用原理，將主塔樓與其相鄰裙房作為一個(gè)整體進(jìn)行研究與分析，最終實(shí)現(xiàn)了樁與筏板基礎(chǔ)聯(lián)合變調(diào)平設(shè)計(jì)的構(gòu)想與技術(shù)思路。主塔樓為樁筏基礎(chǔ)，其兩側(cè)的純地下室部分采用天然地基。工程樁主要包括3種類(lèi)型：主塔樓的核心筒和巨型柱區(qū)域?yàn)镻1型(樁徑1 200mm、樁長(zhǎng)44.6m)，主塔樓其他區(qū)域?yàn)镻2型(樁徑1 000mm、樁長(zhǎng)40.1m)，塔樓與純地下室間過(guò)渡樁為P3型(樁徑1 000mm、樁長(zhǎng)26.1m，為邊緣過(guò)渡樁)。所有工程樁均采用樁側(cè)樁端組合后注漿工藝。由于建設(shè)場(chǎng)地第四系厚度達(dá)184m，且地層軟硬交互，因此通過(guò)試驗(yàn)樁載荷試驗(yàn)研究超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的荷載傳遞規(guī)律、荷載-沉降的工程性狀、側(cè)阻力變化特征。遵循差異沉降控制與協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則合理選擇樁端持力層并優(yōu)化設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、樁徑和樁間距，樁筏協(xié)同作用三維數(shù)值分析與樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，應(yīng)用 PLAXIS 和 ZSOIL 數(shù)值分析軟件進(jìn)行了地基土-樁-筏板-地下結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的精細(xì)計(jì)算分析(見(jiàn)圖4)[27]。

圖4 中國(guó)尊大廈深基礎(chǔ)與深基坑整體計(jì)算模型

需要說(shuō)明的是，模型參數(shù)確定是數(shù)值分析計(jì)算中的關(guān)鍵問(wèn)題。必須詳細(xì)地了解實(shí)際條件和過(guò)程，熟悉當(dāng)?shù)厍闆r，積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)理論和參數(shù)進(jìn)行合理修正；在工程中不斷觀測(cè)和積累數(shù)據(jù)，在其基礎(chǔ)上合理選用參數(shù)，再計(jì)算和預(yù)測(cè)以后的變化，往往達(dá)到很高的精度[28]。努力提高變形計(jì)算的精度，使其盡量接近于實(shí)際，是土木工程師的重要任務(wù)。

4 成樁品質(zhì)管控

成樁品質(zhì)管控關(guān)乎基樁的承載性狀。正如張?jiān)诿髟菏吭赋觥皹兜某休d力和安全系數(shù)不僅與它本身的幾何條件和材料有關(guān)，還與土性、荷載條件、成樁機(jī)械和工藝、施工質(zhì)量、時(shí)間效應(yīng)等方面有著密切的、錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系?！?/p>

基樁的壓力-變形特性以及樁側(cè)巖土阻力值與樁端巖土阻力值的實(shí)際發(fā)揮，與成樁工藝、品質(zhì)管控密切相關(guān)，以麗澤SOHO[5]實(shí)例加以闡明。麗澤SOHO所在的北京麗澤金融商務(wù)區(qū)的地層以卵石層為主，其下為第三系。北京麗澤SOHO與鄰近的另一超高層建筑(G工程)基礎(chǔ)形式都是樁筏基礎(chǔ)，G工程的基礎(chǔ)埋深約30m，深于麗澤SOHO，其主塔樓抗壓樁樁徑為1m，有效樁長(zhǎng)34.0m，以第三系為樁端持力層。經(jīng)過(guò)反復(fù)比較分析，麗澤SOHO改長(zhǎng)樁為短樁，即樁長(zhǎng)減短而不入第三系。北京麗澤SOHO與G工程的地層剖面與樁筏配置關(guān)系如圖5所示。

圖5 地層剖面與樁筏配置關(guān)系

經(jīng)過(guò)靜載試驗(yàn)和樁身軸力測(cè)試，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩個(gè)工程的樁側(cè)阻力實(shí)際發(fā)揮出現(xiàn)了明顯的差別。選擇G工程和麗澤SOHO相同深度的試驗(yàn)樁樁側(cè)阻力比對(duì)，如圖6所示，麗澤SOHO的試驗(yàn)樁樁側(cè)阻力約為同深度G工程試驗(yàn)樁樁側(cè)阻力的2倍。分析圖6所示的10～34m深度范圍內(nèi)樁側(cè)阻力，此段樁身正好進(jìn)入第三紀(jì)黏土巖層，樁側(cè)阻力驟減且樁側(cè)阻力值都小于第四紀(jì)卵石層的樁側(cè)阻力值，推測(cè)是由于試驗(yàn)樁施工擾動(dòng)對(duì)第三紀(jì)黏土巖的影響比較大，雖然樁長(zhǎng)增加，但是單樁承載力特征值并沒(méi)有得到有效提高，而且還影響到卵石層側(cè)阻力的發(fā)揮。

圖6 樁側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值比對(duì)

文獻(xiàn)[29]根據(jù)京津滬三地超長(zhǎng)后注漿鉆孔灌注樁試樁資料對(duì)比分析，樁頂沉降量主要來(lái)源于樁 身壓縮變形量，應(yīng)通過(guò)增加樁身配筋及提高樁身混 凝土強(qiáng)度等措施來(lái)減小樁頂沉降。天津和上海地區(qū)，樁身上部土層隨荷載增加會(huì)出現(xiàn)不同程度的軟化特征而下部土層則呈現(xiàn)強(qiáng)化的特征。而北京地區(qū)上部黏性土層則始終表現(xiàn)為強(qiáng)化特征，而且短樁較之長(zhǎng)樁所表現(xiàn)出強(qiáng)化效應(yīng)更明顯。建議京津滬三地超高層均按沉降控制進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)。通過(guò)加大樁長(zhǎng)，選擇更為密實(shí)的深部土層作為樁端持力層，可以有效減小樁基沉降。但同時(shí)會(huì)增加施工質(zhì)量的控制難度。為此不僅需要認(rèn)真清孔而且還應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整樁端后注漿工藝參數(shù)。

北京某項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)時(shí)，為選擇合理的樁端持力層，對(duì)兩個(gè)樁端持力層的試驗(yàn)樁做了比較，進(jìn)行了2個(gè)不同持力層單樁承載力測(cè)試，其Q-s曲線(xiàn)如圖7所示。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，試驗(yàn)樁的2個(gè)樁長(zhǎng)分別為53.40m和33.40m。由圖7可知，長(zhǎng)短試樁的承載力相近，造成這一現(xiàn)象的原因是黏質(zhì)粉土由于吸水崩解出現(xiàn)嚴(yán)重的塌孔，形成2m左右厚的沉渣，由此可見(jiàn)，樁并非越長(zhǎng)越好，樁越長(zhǎng)，成樁品質(zhì)管控難度越大。

圖7 不同長(zhǎng)度試樁Q-s曲線(xiàn)對(duì)比

陳斗生先生總結(jié)超高大樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)時(shí)曾指出：“大口徑場(chǎng)鑄樁之設(shè)計(jì)除考慮地層之工程特性、地下水之變化外，主要之考量為施工之工法、程序、使用之機(jī)械及管理與操作人員之成熟度，俾使完工之基礎(chǔ)具一致之品質(zhì)與工程特性。因此基樁之現(xiàn)場(chǎng)試作與達(dá)破壞之載重試驗(yàn)，為使用大口徑場(chǎng)鑄樁之重大工程為達(dá)安全而經(jīng)濟(jì)之設(shè)計(jì)之必要手段，除可使施工者與監(jiān)造單位熟識(shí)設(shè)計(jì)者之基本假設(shè)與要求外，也可獲得基樁設(shè)計(jì)與分析之實(shí)用數(shù)據(jù)”[30]。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文所述的主裙樓沉降差控制、主樓變調(diào)平技術(shù)、協(xié)同分析技術(shù)、成樁品質(zhì)管控，相關(guān)的理念、方法、技術(shù)、措施，需要具體問(wèn)題具體分析，辨證施治，以求統(tǒng)合綜效。主裙樓建筑的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、荷載集度差異懸殊，加之與相鄰建筑地基基礎(chǔ)相互影響等復(fù)雜工況的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，地基與結(jié)構(gòu)相互作用分析與詳細(xì)的沉降計(jì)算時(shí)必需的，而且在設(shè)計(jì)分析過(guò)程中數(shù)值分析成果可作綜合判斷的重要依據(jù)。

2)巖土與結(jié)構(gòu)相互作用(soil-structure interaction)依然是國(guó)際土木工程領(lǐng)域研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，需要多學(xué)科多專(zhuān)業(yè)協(xié)同研究、共同推進(jìn)工程實(shí)踐。差異沉降控制的實(shí)現(xiàn)，需要加強(qiáng)勘察→設(shè)計(jì)→施工→檢驗(yàn)的協(xié)作機(jī)制。

3)各方均應(yīng)重視沉降觀測(cè)，積累沉降控制的工程經(jīng)驗(yàn)更離不開(kāi)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，而且沉降實(shí)測(cè)資料是工程反分析的基礎(chǔ)。建議可由工程總承包單位加強(qiáng)管控，或可由全過(guò)程工程咨詢(xún)單位加強(qiáng)技術(shù)把關(guān)。

4)樁并非越長(zhǎng)越好，也并非嵌巖就好，因?yàn)闃对介L(zhǎng)、嵌巖越深，成樁品質(zhì)管控難度越大。成樁品質(zhì)管控關(guān)乎基樁的承載性狀。樁側(cè)巖土阻力值與樁端巖土阻力值的實(shí)際發(fā)揮，與成樁工藝、品質(zhì)管控密切相關(guān)。

5)今后對(duì)于深化設(shè)計(jì)與價(jià)值工程，應(yīng)當(dāng)給予更多的考量，建筑師負(fù)責(zé)制、全過(guò)程工程咨詢(xún)、工程總承包，三者相互支撐、相輔相成，有利于規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)、提高投資效益。

6)遇到錯(cuò)綜復(fù)雜的問(wèn)題，親身在工地上的工作體驗(yàn)、實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，有助于找到問(wèn)題的主要矛盾和關(guān)鍵因素，提出有效的解決方法和手段。這不僅對(duì)于從事建造施工的技術(shù)人員，而且對(duì)于從事成樁工藝技術(shù)研究、樁工設(shè)備研發(fā)制造的從業(yè)者均會(huì)有所啟發(fā)。我們國(guó)家進(jìn)入新的時(shí)代，必將從工程大國(guó)發(fā)展成為工程強(qiáng)國(guó)，行業(yè)技術(shù)進(jìn)步離不開(kāi)扎扎實(shí)實(shí)的努力和踏踏實(shí)實(shí)的作風(fēng)。