某高層住宅樓的地基基礎(chǔ)設(shè)計

謝忠華

福建華景建筑設(shè)計院有限公司（361000）

某高層住宅樓的地基基礎(chǔ)設(shè)計

謝忠華

福建華景建筑設(shè)計院有限公司（361000）

文章結(jié)合某高層住宅樓建筑的基礎(chǔ)設(shè)計，對幾種基礎(chǔ)方案進(jìn)行對比，提出了變剛度端承樁復(fù)合樁基的基礎(chǔ)設(shè)計思路、基礎(chǔ)方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較優(yōu)選過程以及設(shè)計方案的實(shí)際實(shí)施效果。

基礎(chǔ)方案；沖孔灌注樁；復(fù)合樁基；變形調(diào)節(jié)器；經(jīng)濟(jì)性對比

1 工程概況

某住宅小區(qū)工程地上總建筑面積約16萬m2，其中一棟高層住宅地上面積約2.5萬m2,規(guī)劃為37層超高層住宅樓,地下2層,安全等級為二級，基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級,建筑抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類,地下室人防設(shè)防等級為核6級，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)，設(shè)計地震分組為第二組，基本風(fēng)壓按50年一遇考慮，為0.8 kN/m2。該工程建筑場地類別為II類,設(shè)計特征周期0.40 s，屬對建筑抗震不利地段。

2 地質(zhì)概況

勘察單位提供的勘察報告，見表1。

表1 勘察報告

主樓下基本地質(zhì)剖面如圖1所示。

3 方案分析

工程層數(shù)較大，對地基要求較高，且場地內(nèi)花崗巖殘積土層中分布有較多的大小不一的“孤石”,受此影響,預(yù)制樁基礎(chǔ)以及CFG樁復(fù)合地基、高壓旋噴樁復(fù)合地基等基礎(chǔ)方案無法實(shí)施?？紤]到人工挖孔樁局部樁長超過15 m，根據(jù)地方規(guī)定，不得使用。其他可供選擇的基礎(chǔ)方案有厚板筏型基礎(chǔ)、沖孔灌注樁基礎(chǔ)和端承樁復(fù)合樁基礎(chǔ)。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

3.1 筏形基礎(chǔ)

根據(jù)地勘單位提供的殘積砂質(zhì)黏性土③承載力特征值fak=210 kPa，經(jīng)深度修正后可以達(dá)到fa= 350 kPa(根據(jù)載荷板試驗(yàn)，取fa=400 kP)。計劃按照大厚度筏板基礎(chǔ)設(shè)計，根據(jù)PKPM計算結(jié)果，,要求筏板面積不小于1 350 m2，即相當(dāng)于筏板需要從主樓邊緣擴(kuò)出至少6.0 m,底板厚度經(jīng)沖切、剪切驗(yàn)算應(yīng)不小于3.0 m(見圖2)。

圖2 4#樓閥板基礎(chǔ)平面圖

3.2 沖孔灌注樁

根據(jù)地勘報告，沖鉆孔樁以中風(fēng)化花崗巖為樁端持力層,樁身直徑1.0及1.2 m、設(shè)計樁長15～26 m、嵌巖深度0.5～1.0 m,單樁承載力特征值可達(dá)7 750 kN、10 450 kN,可沿豎向構(gòu)件(剪力墻)位置布樁,共49根。承臺面積約380 m2,承臺厚度2.0 m，見圖3。

圖3 4#樓沖孔灌注樁基礎(chǔ)平面圖

3.3 變剛度端承樁復(fù)合樁基

根據(jù)組織的專家論證結(jié)論，通過在端承樁樁頂與基礎(chǔ)承臺(底板)之間安裝剛度調(diào)節(jié)器,“弱化”了端承樁的剛度,使得樁和土可以協(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)下地基土為承載力較高的殘積砂質(zhì)黏性土③，并且根據(jù)該地區(qū)實(shí)際情況，進(jìn)行地基土的現(xiàn)場平板載荷試驗(yàn)，確定承載力特征值可達(dá)400 kPa;樁體采用直徑1.0 m的沖鉆孔灌注樁,樁長小于25 m,以中風(fēng)化花崗巖為樁端持力層,單樁承載力可以達(dá)到7 750 kN。變形調(diào)節(jié)裝置支承剛度ka暫取178 500 kN/m，變形調(diào)節(jié)裝置自由變形的最大值約60 mm，地基基床系數(shù)ks根據(jù)平板載荷試驗(yàn)取14 000 kN/m3?？讟恫贾糜诩袅χ匦牟课?，共23根。承臺面積約為760 m2,承臺厚度2.0 m(見圖4)。

圖4 4#樓基樁平面圖（復(fù)合樁基）

4 經(jīng)濟(jì)合理性分析

根據(jù)對不同基礎(chǔ)型式的結(jié)合該工程設(shè)計實(shí)例的造價和工期的分析（見表2），端承樁復(fù)合樁基的優(yōu)越性得到充分體現(xiàn)。

5 技術(shù)合理性分析

5.1 厚板筏形基礎(chǔ)

厚板筏形基礎(chǔ)具有整體性好、剛度大、施工方便且工期短的特點(diǎn),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)型式，可以優(yōu)先考慮。對該工程的適應(yīng)性分析,優(yōu)點(diǎn):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1.5～1.7 m，不利于大型機(jī)械設(shè)備作業(yè)，采用該基礎(chǔ)型式施工方便；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(yàn)收程序簡單,大大縮短工期。缺點(diǎn):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,基坑開挖深度大,造價高；②筏板基礎(chǔ)的變形較大,差異沉降(傾斜)不易控制；③地基承載力必須有可靠的保證。花崗巖殘積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。

表2 造價與工期分析表

5.2 沖孔灌注樁

承載力較高,對場地的適應(yīng)性好,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(shí)踐也暴露出一些問題，主要表現(xiàn)為靜載試驗(yàn)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、樁周泥皮超厚以及孔底殘渣不易清除干凈。對該工程的適應(yīng)性分析,優(yōu)點(diǎn):①沖孔灌注樁基礎(chǔ)可以穿越殘積土層中發(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以中風(fēng)化巖作持力層的嵌巖樁,承載力高,沉降量小。缺點(diǎn):①在軟弱土層、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。為了保證樁基施工質(zhì)量，施工前基樁的豎向極限承載力應(yīng)通過現(xiàn)場單樁靜載試驗(yàn)確定。

5.3 變剛度端承樁復(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)合樁基具有很好的經(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“嘉益大廈”和“藍(lán)灣國際”項(xiàng)目中得到成功的應(yīng)用。它通過在端承樁頂部設(shè)置剛度調(diào)節(jié)器，實(shí)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。

對該工程的適應(yīng)性分析,優(yōu)點(diǎn):①殘積土參與承擔(dān)上部荷載后,以減少沖鉆孔樁的樁數(shù),樁長也可以縮短,控制25 m以內(nèi),大大減小了施工難度,節(jié)約了樁基成本；②施工工期縮短，加快施工進(jìn)度，保證工程質(zhì)量。缺點(diǎn):①施工時樁底殘渣較厚,樁身完整性不易得到保證，基槽開挖時對地基土必須有可靠的保證措施,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。

6 基礎(chǔ)型式的選定及設(shè)計方法

與其他基礎(chǔ)相比，變剛度端承樁復(fù)合樁基較有優(yōu)勢:

1）殘積土內(nèi)埋藏較多大小不一、分布不均的孤石,壓縮土層呈現(xiàn)剛度不均勻特征，結(jié)合地基土的不均勻程度布置變剛度端承樁，由剛度調(diào)節(jié)器的剛度調(diào)整地基土的剛度,實(shí)現(xiàn)主動控制差異沉降的目的。

2）當(dāng)?shù)鼗恋某两颠_(dá)到預(yù)估允許沉降量后，將剛度調(diào)節(jié)器的空腔填充密實(shí),地基土基本不再承載，后續(xù)荷載由端承樁承擔(dān)，由此可以大大減小基礎(chǔ)的總沉降,實(shí)現(xiàn)主動控制最終沉降量的目的。

3）充分利用了地基土的承載力,降低了端承樁的承載力要求,可以減小樁長,節(jié)約了工程造價。

4）有條件的基礎(chǔ)若采用人工挖孔樁，則會取得比沖孔樁復(fù)合樁基更好的經(jīng)濟(jì)效益和更短的工期。

總之,該基礎(chǔ)技術(shù)合理、施工工期短、造價低,是較為理想的設(shè)計方案。通過優(yōu)化分析，該項(xiàng)目的基礎(chǔ)型式最終選擇變剛度端承樁復(fù)合樁基。

6.1 變剛度端承樁復(fù)合樁基的設(shè)計概念

要實(shí)現(xiàn)端承樁和地基土的共同作用，必須考慮解決樁土的變形協(xié)調(diào)問題。為此,在端承樁的樁頂安裝剛度調(diào)節(jié)器(見圖5),使得端承樁的前期豎向剛度變小,端承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。

可以將變剛度端承樁復(fù)合樁基的工作狀態(tài)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。第二階段為端承樁主要承載階段，該階段地基土壓力已經(jīng)接近或達(dá)到設(shè)計允許值，這時將剛度調(diào)節(jié)器的空腔采用高強(qiáng)材料填充密實(shí)，后續(xù)加載主要由端承樁承擔(dān)。[1]

圖5 普通自適應(yīng)樁頂剖面圖

圖6 剛度調(diào)節(jié)器現(xiàn)場施工圖

圖7 樁變剛度示意圖

6.2 端承樁變剛度的實(shí)現(xiàn)

如圖7所示,剛度調(diào)節(jié)器可看作一個剛度較小的彈簧,安裝在端承樁頂部與基礎(chǔ)承臺之間,通過調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)樁土之間的變形使得樁土共同承載。由于端承樁的剛度Kp比調(diào)節(jié)器的剛度Kt大很多(一般為十倍以上)，剛度調(diào)節(jié)器與下部端承樁的組合剛度與調(diào)節(jié)器自身的剛度大致相等，從而將端承樁的豎向剛度調(diào)節(jié)到一個較小的剛度水平(與剛度調(diào)節(jié)器自身剛度接近)，達(dá)到定量控制調(diào)節(jié)器的剛度,實(shí)現(xiàn)變剛度的目的。

6.3 端承樁復(fù)合樁基的承載力計算

當(dāng)上部結(jié)構(gòu)剛度和荷載布置相對均勻?qū)ΨQ時，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樁，使得地基土和各端承樁的受力均勻，將基底土壓力和樁頂荷載控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，進(jìn)而滿足承載力要求。對群樁筏形基礎(chǔ)，其豎向承載力可按下式計算:

其中:Q為上部結(jié)構(gòu)豎向荷載設(shè)計值、基礎(chǔ)自重設(shè)計值及基礎(chǔ)上土重標(biāo)準(zhǔn)值；fa為修正后的地基土承載力特征值；A為承臺凈面積(承臺面積減去群樁的截面積)；Pa為端承樁單樁承載力特征值。

由于樁上部一定樁長范圍會受到樁側(cè)地基土負(fù)摩阻力的影響,計算端承樁的承載力特征值Pa時,應(yīng)考慮將樁側(cè)土對端承樁承載力的貢獻(xiàn)予以折減。偏心荷載以及風(fēng)荷載和地震荷載作用下端承樁復(fù)合樁基承載力的驗(yàn)算，可按照高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[JGJ 3-2010]有關(guān)基礎(chǔ)部分的章節(jié)進(jìn)行。

6.4 變剛度端承樁復(fù)合樁基的沉降計算

端承樁樁頂設(shè)置了剛度調(diào)節(jié)器，復(fù)合樁基的沉降主要是第一階段的沉降量，即樁長范圍內(nèi)地基土的沉降量Ss，也就是剛度調(diào)節(jié)器的變形量;到第二階段，復(fù)合樁基的沉降就是端承樁的沉降量SP，即樁身的壓縮量和樁端的“刺入”量，該復(fù)合樁基的沉降量S:

其中:S為復(fù)合樁基的沉降量；SS為第一階段地基土的沉降量；SP為第二階段端承樁的沉降量；SP與SS相比很小，可以忽略不計，工程上可以認(rèn)為S= SS,所以復(fù)合樁基的沉降計算就是第一階段地基土的沉降計算。地基土的沉降計算可以按照現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[GB 50007-2011]5.3.5進(jìn)行。

7 檢驗(yàn)與監(jiān)測

1）樁基檢測按普通樁基檢測驗(yàn)收規(guī)范要求進(jìn)行檢測。

2）加強(qiáng)對建筑物的沉降觀測。并進(jìn)行記錄作為建筑使用后期觀察的參考資料。

3）施工期間及施工后期應(yīng)進(jìn)行變形調(diào)節(jié)裝置的變形監(jiān)測。可通過位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測，推薦使用套管法。套管法指將變形標(biāo)識桿連接于樁端空腔體的下蓋板,套管則連接于樁端空腔體的上蓋板，變形標(biāo)識桿穿過套管引出筏板，通過測量變形標(biāo)識桿與套管的相對位移即可得知變形調(diào)節(jié)裝置的壓縮變形量。套管法中套管可與注漿管共用。

4）沉降觀測次數(shù)和時間應(yīng)符合下列規(guī)定：施工期間至建筑物竣工期間的沉降觀測應(yīng)隨施工進(jìn)度及時進(jìn)行,一般可在基礎(chǔ)底板完成后開始觀測，每施工完成一層觀測一次；建筑物主體封頂至裝修結(jié)束前，沉降觀測宜1～2月進(jìn)行一次，裝修結(jié)束至沉降穩(wěn)定宜2～3月觀測一次。

8 結(jié)語

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。通過該工程的基礎(chǔ)選型分析,提出合理的基礎(chǔ)方案，供大家探討及參考，同事期待同行們的指正。

[1]林樹枝,汪亞建.復(fù)合樁基新技術(shù)在廈門建筑工程中的應(yīng)用研究[J].福建建筑,2010(06).

[2]周峰,宰金珉,梅國雄,廣義復(fù)合基礎(chǔ)的設(shè)計方法及應(yīng)用[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009(03).

[3]宰金珉,周峰,梅國雄,王旭東,裴捷,廖河山.端承樁復(fù)合樁基及其設(shè)計方法[J].工業(yè)建筑，2008(01).

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