高層建筑地基基礎選型分析

王新強

摘要：本文結合工程實例，根據(jù)地質條件及勘探參數(shù)對建筑地基基礎選型問題進行了闡述，針對地基強度要求及建筑物沉淀變形進行了分析研究，提出了合理的高層建筑地基基礎選擇方案，以達到規(guī)范要求的目的。

關健詞：高層建筑；地基基礎；選型；變形分析

0 引言

地基基礎工程是建筑工程的重要組成部分，其質量好壞直接關系到高層建筑物的結構安全。對于地基基礎工程的重要性，建設工程人員必選選擇合理正確的地基基礎，在保證建設項目工程質量的同時，確保地基基礎持力層滿足設計要求及地基土條件工程要求?，F(xiàn)以實踐工程項目，就地基基礎選型問題作相關分析研究。

1 工程概況

擬建項目屬超高層建筑，建筑平面形狀呈“凹”字形，建筑東西兩側為塔樓，中間為裙房，塔樓和裙房之間設沉降縫；西側高塔為超高層，共35層，總高約200m（結構高度180m），長寬為66.60m×42.00m，東側低塔為高層，共17層，總高約80m（結構高度68m），長寬為66.60m×31.00m，兩個塔樓中間為五層裙房，高約18.6m，長寬為45.55m×54.80m；場地整體設4層地下室，為大底盤不設縫，深約22.8m。高塔（超高層）部分荷載標準值約950KN/m?，單柱荷載標準值約50000～60000 KN；低塔（高層）部分荷載標準值約420KN/m?，單柱荷載標準基礎，單樁極限承載力25000～30000kN。

2 場地工程地質條件

擬建場地原始地貌屬海成二級階地。經(jīng)鉆探揭露，場地巖土層由素填土（Qml）、第四系中更新統(tǒng)（Q2mc）和第四系下更新統(tǒng)（Q1mc）以及上第三系上新統(tǒng)（N2m）的海相、海陸交互相沉積層構成。其中①層素填土，松散，層頂平均標高為18.14m，平均厚度為2.41m；②層粘土質砂，松散～稍密，層頂平均標高為15.28m，平均厚度為5.27m；③層粘土，可塑，層頂平均標高為10.00m，平均厚度為2.42m；④層礫砂，稍密～中密，層頂平均標高為7.58m，平均厚度為6.69m；④-1層粉質粘土，可塑，層頂平均標高為0.90m，平均厚度為3.18m；⑤層粘土，可塑，層頂平均標高為-3.45m，平均厚度為9.83m；⑥層砂質粘土，可塑，層頂平均標高為-13.28m，平均厚度為1.75m；⑦層粘土，可塑～硬塑，層頂平均標高為-15.03m，平均厚度為13.73m；⑧層粘土，硬塑～堅硬，層頂平均標高為-28.76m，平均厚度大于50m。

3 地基基礎選型分析

建筑物地基基礎方案的選擇不僅需要滿足地基土的強度要求，同時也要滿足建筑物的變形要求，主要是滿足沉降變形的要求。

3.1 地基土強度與地基承載力

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，場地地面標高約為16.50m，±0.00標高為17.80m，基坑開挖深度自±0.00標高向下24.10m，即地下室底板標高為-6.30m，而⑤層粘土的層頂平均標高為-3.45m；因此基坑開挖后基底土層主要是⑤層粘土層，零星分布有④層礫砂，由于兩者工程性能差異不大，均按⑤層粘土層考慮。天然地基承載力特征值取fak=220kPa.

由于基坑開挖深度約22.80m，考慮基坑開挖后基底土層的卸荷效應，其基底地基土承載力應進行深寬修正，根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2001）第5.2.4條承載力公式：

fa=fak+ηbγ（b-3）+ ηdγm（d-3）

式中，各符號意義同《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011（5.2.4）式。

根據(jù)地下水位情況，可知①層素填土、②層粘土質砂和③層粘土取天然重度；④層及其以下取有效重度，水重度9.81 kN/m3，各土層的重度取表3中數(shù)值，各土層的含水量、孔隙比取表1中數(shù)值。經(jīng)計算：④層γ?=11.19 kN/m3，④-1層γ，?=8.90kN/m3，⑤層γ，?=7.87 kN/m3，據(jù)此γm≈14.16 kN/m3。由于⑤層粘土孔隙比大于0.85，修正系數(shù)取ηb=0、ηd=1.0；

因此，修正后的地基承載力設計值為：

fv=fak+ηbγ（b-6）+ ηdγm（d-3）=220+1.0×14.16×（23-3）=483.2 kPa；

根據(jù)設計要求，西側超高層塔樓的荷載標準值約950KN/m?（即950kPa），東側高層塔樓荷載標準值約420KN/m?（即420kPa），裙房部分荷載標準值約190KN/m?（即190kPa）。

對比東西塔樓以及裙樓對地基承載力的要求，初步判定東側高層塔樓以及裙房可采用天然地基深基礎，以⑤層粘土作為主要地基持力層；而西側超高層塔樓不能采用天然地基，適合采用樁基礎，樁型采用鉆孔灌注樁，以⑧層粘土作為樁端持力層。

3.2 建筑物的沉降變形分析

根據(jù)上節(jié)分析，東側塔樓以及裙房可采用天然地基，西側塔樓適合采用樁基礎。若要保證該工程的質量安全，東、西塔樓均需滿足沉降變形要求；相應的沉降分析如下：

Ⅰ、東側塔樓：采用天然地基筏板基礎，以⑤層粘土作為地基主要持力層，當基坑開挖至基底，基底⑤層平均厚度為6.98m，⑥層平均厚度為1.75m，⑦層平均厚度為13.73m，以下均是⑧層粘土，厚度深達地下100m，計算沉降變形時均取平均值。

利用分層綜合法估算其沉降量如下：分層厚度取0.4b，b=31.0m，即取12.4m，考慮地層的變化，上部分層厚度對應取地層變化處作為分層點，⑧層粘土按0.4b進行分層。計算公式為

式中，各符號意義同《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011（5.3.5）式。

然后利用《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011 附錄K矩形面積上均布荷載下角點的附加應力系數(shù)α表計算附加應力，其中L/b=2.15，計算深度ā0i≈（0.1～0.2）āCi；同時利用σc=γ*Z（γ地下水位以下取有效重度），⑥層γ，=7.95 kN/m3，⑦層γ，=8.13kN/m3，⑧層γ，=8.89kN/m3，求自重壓力，并根據(jù)該規(guī)范5.3.5條最終變形量計算公式，計算出分層沉降量，計算結果見表1。

表1 用分層綜合法計算地基最終沉降量表

Ⅱ、西側塔樓：采用鉆孔灌注樁基礎，以⑧層粘土作為樁端持力層，根據(jù)設計要求單樁極限承載力為25000-30000kN，要滿足如此高的強度要求，應對其樁徑和樁長進行估算，根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）第5.3.6條大直徑樁單樁極限承載力計算公式：

式中，各符號意義同《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）（5.3.6）式。

在此，以樁徑φ=1200mm，樁長95.81m的鉆孔灌注樁為例，估算單樁沉降量，單樁極限承載力按30000kN計算，依據(jù)單樁沉降計算的分層總和法，假設單樁的沉降主要由樁端以下土層壓縮而成，樁側摩阻力以一定擴散角向下擴散，擴散到樁端平面處用一等代的擴展基礎代替，擴展基礎的面積為Ae，相應的沉降計算公式如下：

式中，各符號意義同《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011（5.3.5）式。

經(jīng)計算： 為17.59°，γ，為8.69kN/m3，混凝土按 2.45t/m3，經(jīng)計算Ae=199.22m2，直徑為15.93m，樁頂設計荷載按F= 15000kN，G=G土+ G樁=164916.79kN+2600.37 kN=167517.16kN，σ0=83.62kPa，即在擴展基礎底面以下土中的應力σz可根據(jù)基礎底面附加應力σ0和布辛涅斯克（Boussinesq）解確定，由于樁端平面以下僅有⑧層粘土，利用分層綜合法，分層厚度取0.4b（圓形面積等代成正方形），b≈10.0m，即取4.0m；利用《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011）附錄K圓形面積上均布荷載下中點的附加應力系數(shù)α和平均附加應力系數(shù)ā表計算附加應力。

根據(jù)表1，結合《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011）分析，東、西兩塔樓沉降計算深度若按ā0i≈0.1āCi控制，可以估計壓縮層深度均在第7層分層處，累計總沉降量分別為136.04mm和201.50mm；若按ā0i≈0.2āCi控制，可以估計壓縮層深度均在第6層分層處，累計總沉降量分別為130.48mm和192.09mm，基本滿足《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011）第5.3.4條規(guī)定的地基變形沉降允許值（計算時，東側塔樓壓縮模量當量平均值為13.57，由于p0≥fak，ψs=0.5073）。

考慮超高層建筑物采用樁基礎時，樁長長達95.81m，屬超長樁；根據(jù)鄰近工程經(jīng)驗，采用鉆孔灌注樁的后壓漿施工工藝，單樁極限承載力一般可提高20-30%，單樁承載力按提高30%計算，對于樁徑φ=1200mm，單樁極限承載力滿足30000kN時（即提高前為21000kN），其樁長為66m，按照上述超高層建筑的單樁沉降量計算方法，經(jīng)計算，當計算深度滿足按ā0i≈0.2āCi時，累計總沉降量為217.80mm，滿足規(guī)范要求。

4 工程動態(tài)分析

該項目目前仍在建設中，東側塔樓建成已一年多，西側塔樓已建至30層，東側塔樓采用天然地基筏板基礎，西側塔樓采用鉆孔灌注樁后壓漿施工工藝；西側塔樓設計時工程樁樁徑φ=1200mm，樁長分別為56m和66m，對應的極限承載力分別為26000 kN和30000kN，經(jīng)檢測均滿足設計要求。從現(xiàn)有的沉降監(jiān)測結果，東側塔樓的目前總沉降量（含基坑底板沉降量）略大于40mm，西側塔樓沉降量目前接近20mm，沉降量均不大，足以印證地基基礎方案的合理性以及勘察成果的可靠性。

5 結語

總之，在高層建筑工程項目中，合理的地基基礎方案不但能節(jié)約工程投資資金，還能保證工程順利進行，是工程建設項目的基礎點，只有做好此處基礎點，才能繼續(xù)工程的建設施工，從而得到滿意的工程建筑。

參考文獻：

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