祁彥龍

上海招商置業(yè)有限公司 上海 200949

1 工程概況

南通中央商務(wù)區(qū)CR0505- A- 04 地塊項(xiàng)目江蘇省南通市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，西鄰工農(nóng)南路，南鄰桃園路。本工程總建筑面積246455m2。本工程地下室成長(zhǎng)方形布置，東西長(zhǎng)251.85m，南北寬142.35m，地下室相對(duì)上部結(jié)構(gòu)有較大面積外擴(kuò)。

本工程地上部分被抗震縫分割為東西塔樓、東西裙房和汽車庫(kù)五個(gè)單體。本工程裙房及汽車庫(kù)高27.95m，西塔樓高151.95m，東塔樓高151.85m，塔樓采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，裙房及汽車庫(kù)采用框架結(jié)構(gòu)。

南通中央商務(wù)區(qū)CR0505- A- 04 地塊項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為6 度，抗震設(shè)防類別為乙類，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。本工程基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)，樁基擬采用塔樓區(qū)域的鉆孔灌注樁（長(zhǎng)樁）+ 加裙房區(qū)域的中等長(zhǎng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁+ 地下室外擴(kuò)區(qū)域的單節(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土抗拔管樁。樁基的布置形成以塔樓為中心，向周邊擴(kuò)散，樁剛度依次遞減的變剛度調(diào)平樁基礎(chǔ)。

2 地質(zhì)條件

根據(jù)啟東市建筑設(shè)計(jì)院有限公司提供的詳細(xì)勘察報(bào)告：擬建場(chǎng)地為空地，地形稍有起伏，場(chǎng)區(qū)所屬地貌類型為長(zhǎng)江三角洲沖積平原，微地貌單元為長(zhǎng)江低漫灘。勘探孔標(biāo)高最大值4.42m，最小值3.25m，地表相對(duì)高差1.17m，自然地面高程3.90m 左右。本場(chǎng)區(qū)勘察深度范圍內(nèi)為第四系濱海—河流相、濱?！獪\海相、濱海—湖沼相、可口沙洲—漫灘相沉積的松散堆積土層，地基土自上而下分為如下8 層：

①層雜填土：黃褐色- 灰黑色，上部含碎磚塊、建筑垃圾，松散，土質(zhì)不均。場(chǎng)區(qū)普遍分布，平均厚度1.06m，平均埋深1.06m。

②層粉土夾粉質(zhì)黏土：黃褐色，很濕，稍密，搖震反應(yīng)中等，無(wú)光澤反應(yīng)，低干強(qiáng)度，低韌性，所夾粉質(zhì)黏土可塑- 軟塑，稍有光澤，中等韌性，含鐵錳結(jié)核，具微層理，中壓縮性，土質(zhì)欠均勻。場(chǎng)區(qū)普遍分布，平均厚度2.07m，平均埋深3.13m。

③層粉土夾粉砂：灰色，飽和，稍密，含云母碎片，夾粉質(zhì)黏土薄層，捻面粗糙，稍有黏性，搖震反應(yīng)中等，韌性低，干強(qiáng)度低，壓縮性中等，所夾粉砂灰色飽和稍密，土質(zhì)欠均勻。場(chǎng)區(qū)普遍分布，平均厚度8.37m，平均埋深11.5m。

④層粉砂夾粉土：灰色，稍密- 中密，飽和，主要成分為石英斜長(zhǎng)石，所夾粉土灰色，很濕，稍密，搖震反應(yīng)中等，無(wú)光澤反應(yīng)，低干強(qiáng)度，低韌性，中壓縮性，土質(zhì)欠均勻。場(chǎng)區(qū)普遍分布，平均厚度14.72m，平均埋深26.22m。

⑤層粉細(xì)砂：灰色，中密- 密實(shí)，飽和，主要成分為石英斜長(zhǎng)石，中低壓縮性，夾薄層粉土、粉質(zhì)黏土，土質(zhì)欠均勻。場(chǎng)區(qū)普遍分布，平均厚度5.49m，平均埋深35.93m。

⑥層粉質(zhì)黏土夾薄層粉砂：本層以粉質(zhì)黏土為主，夾薄層粉土、粉砂及淤泥質(zhì)黏土，灰色，稍有光澤，中等干強(qiáng)度，中等韌性，流塑～軟塑，中壓縮性，土質(zhì)欠均勻。場(chǎng)區(qū)普遍分布，平均厚度20.11m，平均埋深56.03m。

⑦層粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土：灰黃色，中密- 密實(shí)，飽和，主要成分為石英斜長(zhǎng)石，夾薄層粉土、粉質(zhì)黏土，土質(zhì)欠均勻。場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度14.25m，埋深70.00m。

⑧層礫砂：灰黃色，中密～密實(shí)，飽和，主要成分為石英斜長(zhǎng)石。該層未穿透。

據(jù)調(diào)查，場(chǎng)地歷年最高水位為高程2.8m，可作為抗浮設(shè)計(jì)水位。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在干濕交替情況下具弱腐蝕性，在長(zhǎng)期浸水情況下無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

3 南通中央商務(wù)區(qū)CR0505-A-04 項(xiàng)目樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 主要技術(shù)難題及解決方案

本工程兩個(gè)塔樓均布置在場(chǎng)地的北側(cè)，東西塔樓建筑高度均超過(guò)150m，層數(shù)分別為34 層和38 層，裙房及汽車庫(kù)建筑高度均為27.95m，層數(shù)分別為5 層和8 層，地下室為兩層，圍繞建筑四周均有外擴(kuò)，但總體上南側(cè)外擴(kuò)寬度大于北側(cè)。塔樓區(qū)域平均荷載數(shù)倍于裙房，而且相對(duì)于基礎(chǔ)底板形心存在較大偏心，而地下室外擴(kuò)區(qū)域的平均荷載又遠(yuǎn)小于裙房區(qū)域的平均荷載。從建筑整體布局情況可知，本工程上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)底板的荷載存在分布不均和偏心的特點(diǎn)，總體上程北重南輕，塔樓重，裙房次之，地下室外擴(kuò)部分更輕的趨勢(shì)。

傳至基礎(chǔ)底板的荷載分布不均勻和偏心的特點(diǎn)導(dǎo)致的直接結(jié)果就是差異沉降和基礎(chǔ)底板內(nèi)力增大。為了減小差異沉降和基礎(chǔ)底板內(nèi)力，想到了變剛度調(diào)平概念設(shè)計(jì)。變剛度調(diào)平概念設(shè)計(jì)旨在減小差異沉降，降低基礎(chǔ)底板內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，以達(dá)到節(jié)約資源，提高建筑物使用壽命，確保正常使用功能的目的。為達(dá)到上述目的，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，通過(guò)調(diào)整地基或基樁的豎向支承剛度分布，使樁土反力和上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載不僅整體平衡，而且實(shí)現(xiàn)局部平衡，以達(dá)到最大限度減小差異沉降，降低基礎(chǔ)底板內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力，使基礎(chǔ)底板減薄，變成柔性薄板。

3.2 基礎(chǔ)持力層選取

由地勘報(bào)告提供的數(shù)據(jù)知，本場(chǎng)地適合作為樁基持力層的土層有⑤層粉細(xì)砂層和⑦層粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土層。根據(jù)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的原則，首先選取較淺的⑤層粉細(xì)砂層作為裙房的樁基持力層。裙房的樁基持力層確定后關(guān)鍵是確定塔樓的樁基持力層。從地勘報(bào)告提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，⑤層土端阻力為7000kPa，Es1- 2=10.8MPa；⑦層土端阻力為4000kPa，Es1- 2=7.2MPa。單從土層工程特性來(lái)看，⑤層土端阻力更大，壓縮性也更好，似乎選擇⑤層土作為持力層更經(jīng)濟(jì)。經(jīng)過(guò)初步測(cè)算，如果選擇⑤層土作為塔樓的樁基持力層，選用直徑600 的管樁，樁長(zhǎng)取20m，則單樁承載力約為2000kN。以西塔樓為例：西塔樓上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1020600kN，采用上述樁型則需要約510 根基樁。顯然在塔樓范圍內(nèi)布置如此多的工程樁是有困難的。而且根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2011）中關(guān)于樁基的沉降計(jì)算的內(nèi)容來(lái)看，當(dāng)基樁的布置達(dá)到一定密度后，樁基的沉降表現(xiàn)為實(shí)體深基礎(chǔ)的沉降。這時(shí)樁基的沉降只與樁基布置的范圍、樁長(zhǎng)和樁側(cè)土的內(nèi)摩擦角有關(guān)，而與樁數(shù)無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)當(dāng)布樁的密度達(dá)到一定程度后，再增加樁的密度雖然能提高承載力，但于減小沉降的作用幾乎為零。這顯然不符合變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)提出的減小差異沉降的要求。經(jīng)過(guò)以上分析確定將塔樓區(qū)域的基樁加長(zhǎng)，選用⑦層土作為塔樓的樁端持力層，加長(zhǎng)后單樁承載力可以提高一倍以上。考慮樁端持力層以上覆土的荷載，根據(jù)綜合固結(jié)實(shí)驗(yàn)成果圖確定⑤層土的壓縮模量為16.8mPa，⑦層土的壓縮模量為25.05MPa，⑦層土的實(shí)際壓縮模量略大于⑤層土的壓縮模量。

3.3 變剛度調(diào)平概念布樁及試樁

確定好樁基持力層后，初步確定樁型為：塔樓區(qū)域采用直徑800mm 的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)50.7m，為了進(jìn)一步減小沉降差，采用后注漿技術(shù)進(jìn)行加強(qiáng)；裙房區(qū)域采用直徑600 的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁長(zhǎng)20m；塔樓外擴(kuò)區(qū)域采用單節(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為抗拔樁，樁長(zhǎng)13m，樁端設(shè)置在較軟的④層土，豎向荷載考慮天然地基的承載力。

確定好樁型后，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試樁，以便取得實(shí)際的樁基承載力和相關(guān)參數(shù)作為施工圖設(shè)計(jì)的最終依據(jù)。

3.4 基礎(chǔ)計(jì)算分析

本工程基礎(chǔ)計(jì)算及分析主要采用PKPM2008 版的JCCAD 軟件。要實(shí)現(xiàn)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)就要求樁土反力和上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載不僅整體平衡，而且實(shí)現(xiàn)局部平衡。為此，將計(jì)算方案設(shè)計(jì)為：先采用分塊計(jì)算的模型實(shí)現(xiàn)局部平衡，再將整個(gè)項(xiàng)目的模型拼合為整體實(shí)現(xiàn)整體平衡。以東塔樓及其周邊的裙房，車庫(kù)為例，其計(jì)算過(guò)程如下：首先，以東塔樓的模型建模，布樁，進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算。本工程塔樓部分雖然是框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)，但剪力墻較集中布置于中間位置，框架柱布置在剪力墻周邊1～2 跨范圍內(nèi)，整個(gè)布局與框架- 核心筒類似。因此在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)將重心位置集中布置的剪力墻作為核心筒來(lái)處理。布樁時(shí)遵循局部平衡原則，以荷載標(biāo)準(zhǔn)組合分別估算每根柱下和核心筒區(qū)域的樁數(shù)，根據(jù)估算樁數(shù)進(jìn)行布樁，然后輸入模型進(jìn)行初步計(jì)算，見(jiàn)圖1。從圖中可以看出底板沉降圖程明顯的馬鞍狀，中間大，四周小，核心筒區(qū)域與周邊柱下的沉降差為16mm，差異沉降比較明顯。

圖1 東塔樓初步計(jì)算沉降圖

為了減小差異沉降對(duì)核心筒區(qū)域的樁基進(jìn)行了加密，增加核心筒區(qū)域的樁基密度，經(jīng)過(guò)反復(fù)幾次驗(yàn)算后，最終沉降見(jiàn)圖2。從圖中可以看出底板的沉降趨于平衡，核心筒區(qū)域與周邊柱下的沉降差為7mm，差異沉降減小了9mm,最大沉降略有減小。分塊模型達(dá)到預(yù)期目的后再進(jìn)行整體模型的驗(yàn)算。整體驗(yàn)算時(shí)，參照分塔驗(yàn)算的結(jié)果進(jìn)行布樁，調(diào)整樁基剛度，使樁基反力與分塔模型接近，再根據(jù)最終的沉降情況適當(dāng)調(diào)整樁基布置，使差異沉降達(dá)到預(yù)期目的。這個(gè)過(guò)程需要反復(fù)調(diào)整，再帶入分塔模型進(jìn)行復(fù)核，如此反復(fù)幾次迭代計(jì)算，方可達(dá)到最終設(shè)計(jì)要求。

圖2 東塔樓最終計(jì)算沉降圖

4 總結(jié)

（1）根據(jù)基礎(chǔ)沉降的情況和上部結(jié)構(gòu)的荷載情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整樁基長(zhǎng)度和變換不同的持力層可以方便實(shí)現(xiàn)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)。

（2）在變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)理論的運(yùn)用可以減小基礎(chǔ)底板內(nèi)力，起到節(jié)約工程造價(jià)的作用。

（3）在進(jìn)行變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)時(shí)可以先分塊設(shè)計(jì)，再進(jìn)行整體建模分析，兩者可以相互補(bǔ)充，相互驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代驗(yàn)算提高結(jié)構(gòu)分析的可靠性。