某高層建筑的樁基選型及設(shè)計(jì)

劉欣鑫

(廈門(mén)中福元建筑設(shè)計(jì)研究院 福建廈門(mén) 361009)

1 工程概況

本工程位于晉江陳泉路的西側(cè)，江濱路的南側(cè)。地下兩層;地上有兩棟超高層辦公樓及一棟3層裙樓(圖1)。兩棟辦公樓均為框筒結(jié)構(gòu)，裙樓及純地下室部分為框架結(jié)構(gòu)，裙樓與主樓設(shè)雙柱脫開(kāi)，整體建筑柱網(wǎng)規(guī)則，典型柱網(wǎng)尺寸為8.4mx8.4m及9.6mx8.4m。頂板覆土厚度差異區(qū)域清晰。建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)。主樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，裙樓及地下室基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。

圖1 工程平面示意圖

2 工程地質(zhì)概況

擬建場(chǎng)地原始地貌屬海岸平原地貌。場(chǎng)地經(jīng)回填平整，地勢(shì)較平坦，現(xiàn)場(chǎng)地面標(biāo)高為3.94～5.00m，±0.000相當(dāng)于黃海標(biāo)高為6.00m。

場(chǎng)地地質(zhì)情況自上而下分別為:①雜填土，厚度為1.20～3.20m;②粉質(zhì)粘土，厚度0.40～3.10m;③淤泥，厚度0.60～5.80m;④粉砂，厚度1.20～7.50m;⑤淤泥質(zhì)土，厚度2.70～12.60m;⑥粉質(zhì)粘土，厚度1.30～8.70m;⑦細(xì)砂，松散狀，厚度1.00～7.90m;⑧礫砂，厚度1.10～8.60m;?全風(fēng)化花崗巖，厚度0.60～2.10m;?1強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖芯為砂土狀，厚度1.00～2.60m;?2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖芯以砂土狀為主，厚度0.20～8.30m;?3強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖芯以碎塊狀為主，厚度0.15～11.10m;?中風(fēng)化花崗巖，厚度0.30～5.30m;?微風(fēng)化花崗巖。其中⑧礫砂僅其中一棟主樓范圍內(nèi)個(gè)別鉆孔有分布。地下室底板標(biāo)高所處的土層為④粉砂層。各主要土層的力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)(表1)。

地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，干濕交替作用下和長(zhǎng)期浸水作用下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性;在干濕交替作用下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性，在長(zhǎng)期浸水作用下地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性;地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

地勘報(bào)告對(duì)于基礎(chǔ)選型的分析如下:天然淺基不能滿足擬建物的荷載和變形要求，必須采用樁基?？刹捎玫臉缎陀?預(yù)制樁、沉管灌注樁、沖鉆孔灌注樁。綜合地質(zhì)條件、建筑物荷重等考慮，主樓建議采用沖、鉆孔灌注樁，以中風(fēng)化花崗巖?或微風(fēng)化花崗巖?作持力層。裙樓和純地下室建議采用沖、鉆孔灌注樁，以中風(fēng)化花崗巖?或微風(fēng)化花崗巖?作持力層，也可以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖?2或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖?3作持力層。單柱下需15～20根抗拔樁才能滿足抗浮要求。

表1 主要巖土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

沖鉆孔灌注樁施工工期長(zhǎng)，孔壁易坍塌，其施工質(zhì)量與施工工藝和工人的施工水平有很大關(guān)系，控制難度較大。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工速度快、工期短，成樁質(zhì)量有保證。管樁的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)明顯，其費(fèi)用約為沖鉆孔灌注樁的50%～55%，具體比較詳見(jiàn)(表2)?？紤]施工質(zhì)量、施工工期、工程造價(jià)等多種因素，最終選取直徑為0.5m的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為抗拔樁。

大直徑灌注樁做為抗拔樁使用時(shí)為摩擦樁，僅利用其側(cè)阻力，因其屬非擠土樁，單位面積的側(cè)阻力值比預(yù)應(yīng)力混凝土管樁小，其樁身強(qiáng)度能支持高單樁豎向承載力的優(yōu)勢(shì)得不到有效的發(fā)揮，加上其施工費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)性不占優(yōu)勢(shì)。

3.1 主樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

主樓荷載重，場(chǎng)地內(nèi)有密實(shí)狀礫砂層⑧，且厚度不均，最厚達(dá)8.6m。沖鉆孔灌注樁以中微風(fēng)化的巖層作為持力層，單樁豎向受壓承載力大，樁身強(qiáng)度可以得到充分利用。因此主樓基礎(chǔ)采用沖鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)約17m，以中風(fēng)化花崗巖?或微風(fēng)化花崗巖?作持力層;外圍框架柱下的樁徑為Φ1200、Φ1300，中間核心筒下的樁徑為Φ1100、Φ1200，樁身內(nèi)均預(yù)埋2～3根后注漿管，施工完畢后通過(guò)后注漿管往樁底高壓注入預(yù)定水灰比的水泥漿。

沖鉆孔灌注樁經(jīng)過(guò)砂層成孔施工過(guò)程樁底容易產(chǎn)生沉渣，不但會(huì)降低樁基承載力，而且容易出現(xiàn)較大的沉降。成孔成樁后，采用孔底高壓注漿，可有效地處理孔底沉渣，保證樁端與巖體膠接緊密，保證樁的承載力，減小沉降量。

3.2 純地下室及裙樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.2.1 基樁選型分析比較

地勘報(bào)告關(guān)于地下水位的描述為:初見(jiàn)水位埋深為0.85～3.63m(標(biāo)高1.15～3.96m)，混合穩(wěn)定水位埋深為 0.70～3.50m(標(biāo)高1.00～3.83m)，近期年最高水位標(biāo)高為5.00m。

計(jì)算地下水對(duì)地下室的托浮影響時(shí)，設(shè)計(jì)水位取近期年最高水位標(biāo)高5.0m。地下室底板底標(biāo)高為 -4.5m，托浮力為99kN/m2，大于上部豎向荷載，故此范圍內(nèi)需布置抗拔樁承擔(dān)水浮力。地下水位是變化的，當(dāng)?shù)叵滤坏停×π∮谏喜拷Y(jié)構(gòu)自重時(shí)，抗拔樁就變成了抗壓樁，因此純地下室及裙樓樁基應(yīng)考慮抗拔及抗壓兩種情況。

采用地勘報(bào)告建議的沖、鉆孔灌注樁做抗拔樁，以中風(fēng)化花崗巖?或微風(fēng)化花崗巖?作為持力層。樁徑取0.8m，根據(jù)鉆孔剖面，樁端進(jìn)入持力層0.8m，樁長(zhǎng)約17m。經(jīng)初步計(jì)算單樁豎向抗拔承載力特征值約為700kN，根據(jù)頂板覆土厚度不同，單柱下需5～7根抗拔樁才能滿足抗浮要求。

考慮選取直徑為0.5m的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為抗拔樁，因?yàn)榈叵滤诟蓾窠惶孀饔孟聦?duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，根據(jù)福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》(DBJ13-86-2007)的要求，應(yīng)采用AB型或AB型以上管樁，不應(yīng)使用有接頭的多節(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，因此管樁采用PHC500-125-AB，單節(jié)15m定長(zhǎng)樁;以細(xì)砂⑦作為持力層。經(jīng)初步計(jì)算單樁豎向抗拔承載力特征值約為230kN，根據(jù)頂板覆土厚度不同，

表2 不同荷載下單柱下兩種樁型經(jīng)濟(jì)比較

3.2.2 基樁布置

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法按下式估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk及單樁抗拔極限承力標(biāo)準(zhǔn)值Tuk:

Qsk、Qpk―分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

u、ui―樁身周長(zhǎng);

li―樁身第i層土的厚度;

qsik—樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

qpk―極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;

Ap―樁端面積

Tuk―基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值;

λi―抗拔系數(shù)

按鉆孔剖面土層經(jīng)計(jì)算，Quk=1850kN，Tuk=490kN。單樁豎向抗壓承載力特征值暫取900kN，抗拔承載力特征值暫取230kN。單柱下抗壓需2～4根樁，抗拔需15～20根樁。樁的布置方式直接影響到底板的厚度及配筋?？紤]抗浮工況時(shí)，樁對(duì)底板的抗拔力方向與水浮力方向相反，樁分散布置可以充分抵抗水浮力對(duì)底板產(chǎn)生的彎矩，對(duì)底板抗浮較為有利，可減小底板配筋，降低工程造價(jià)。按滿樘布樁和柱下集中布樁兩種方式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)的配筋情況見(jiàn)下(表3)。

表3 不同布樁方式配筋情況

因本工程單柱下所需抗拔樁較多，按樁間距4d(d為管樁樁徑)控制在柱下集中布樁，布樁范圍與滿樘布樁差別不大，因此鋼筋用量與滿樘布樁差別不大，僅略大些?？紤]工程造價(jià)及方便施工，最后采用滿樘布樁的方式。布樁時(shí)首先根據(jù)抗浮要求計(jì)算出滿樘布樁的樁間距，保證柱帽范圍內(nèi)至少有四根樁，其余均勻的分布在柱帽外的區(qū)域。典型柱網(wǎng)的樁布置(圖2)。

裙樓及純地下室與主樓荷載相差大，且樁端持力層不同，因此在主樓與裙樓及純地下室相鄰處設(shè)沉降后澆帶脫開(kāi)，以減小沉降差異，后澆帶均要求在主體結(jié)構(gòu)封頂且全部填充墻完成后，根據(jù)實(shí)測(cè)沉降值并計(jì)算后期沉降差，滿足要求后才可澆筑封閉。

圖2 典型柱網(wǎng)樁布置圖

3.2.3 底板設(shè)計(jì)

參照以往的工程經(jīng)驗(yàn)，底板采用無(wú)梁筏板比有梁體系更經(jīng)濟(jì)且方便施工，因此底板采用柱帽無(wú)梁筏板，厚度600mm。根據(jù)底板沖切驗(yàn)算的需要，樁帽厚度需900mm，比底板厚300mm，與建筑專(zhuān)業(yè)商量后決定采用上柱墩的形式。上柱墩的做法有諸多優(yōu)勢(shì):一是可增加300mm的覆土壓重減小向上的浮托力;二是建筑可利用300mm的覆土區(qū)域設(shè)置排水溝，避免結(jié)構(gòu)降板設(shè)溝，方便施工;三是上柱墩做法底板底面為統(tǒng)一標(biāo)高，給施工帶來(lái)很大的便利，加快了施工進(jìn)度，而且有利于保證施工質(zhì)量。上柱墩的做法見(jiàn)(圖3)。

圖3 上柱墩做法大樣

4 結(jié)論

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。樁基設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)荷載取值、柱網(wǎng)布置情況、施工工藝等因素選擇樁型，選擇合理的樁型及布樁方式可加快施工速度，提高施工質(zhì)量，降低工程的基礎(chǔ)造價(jià)，節(jié)約投資成本。大直徑灌注樁做為抗拔樁使用時(shí)，其優(yōu)勢(shì)得不到有效的發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)性不占優(yōu)勢(shì)。柱帽無(wú)梁筏板采用上柱墩的做法經(jīng)濟(jì)合理，方便施工。

[1]JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]宰金珉.高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1994.

[4]王建英，余廣洪，程學(xué)軍.建筑物抗浮設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的分析[J].建筑技術(shù)2005;36(7);544-545.