兩階段變剛度復(fù)合樁基在超高層辦公樓中的應(yīng)用

何 波

(廈門新區(qū)建筑設(shè)計院有限公司 福建廈門 361000)

引 言

在非軟土地基建設(shè)高層、超高層建筑時，雖然地基土具有良好的承載能力，但采用天然基礎(chǔ)往往沉降過大無法滿足規(guī)范要求，一般采用樁基礎(chǔ)，以基巖層作為樁端持力層。在遇基巖埋藏深、巖面起伏大，孤石分布較多等特殊地質(zhì)情況時，樁基礎(chǔ)造價偏高、施工周期長，同時基樁一般為端承樁，承臺底良好的地基土承載力無法發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)效益差。本文結(jié)合工程實例，采用樁頂設(shè)置變形調(diào)節(jié)裝置的兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)，大大減小了有效樁長和施工周期，同時使筏板底地基土承載力得到了充分的利用，并與常規(guī)樁基礎(chǔ)進(jìn)行比較分析，取得了良好的效益。

1 工程概況

項目“創(chuàng)冠·國際中心”辦公樓位于廈門市思明區(qū)觀音山商務(wù)營運(yùn)中心，東臨環(huán)島路、臨海。地上為一棟獨(dú)立的29層企業(yè)辦公建筑，建筑大屋面高度124.40m，建筑總高度140.0m。地下設(shè)4層地下室，基礎(chǔ)埋深為-18.70m。代表性建筑圖詳見(圖1，2)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑抗震設(shè)防分類為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計地震分組為第二組，場地土類別為Ⅱ類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。50年一遇基本風(fēng)壓0.80kN/m2，地面粗糙度為A類。結(jié)構(gòu)體系采用框架-核心筒。

2 地質(zhì)概況

根據(jù)地勘資料，場地自上而下各巖土體的分布概述如下:

1)雜填土①、粉質(zhì)粘土②、中砂③、粉質(zhì)粘土④基坑開挖后均已挖除;

2)殘積砂質(zhì)粘性土⑤:屬中等壓縮性土，天然狀態(tài)下力學(xué)強(qiáng)度較高。該層屬特殊性土，具有浸水易崩解、軟化，擾動后強(qiáng)度易降低的不良特性。基坑開挖后基底部分揭露。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

圖2 建筑剖面圖

3)全風(fēng)化花崗巖⑥:壓縮性低力學(xué)強(qiáng)度較高。該層與土層⑤呈漸變過渡關(guān)系，不良特性同土層⑤。

4)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:根據(jù)其風(fēng)化程度的不同將其劃分為兩個亞層:a)(砂土狀)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖7a:壓縮性低，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好，但其與土層⑥呈漸變過渡關(guān)系，開挖暴露后若遭長時間泡水作用，也會很快軟化、崩解而降低強(qiáng)度。b)(碎塊狀)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖7b:巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖石屬軟巖 ～較軟巖，巖體破碎。

5)中風(fēng)化花崗巖⑧:巖石抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為42.92MPa，巖體完整程度為較破碎，屬較硬巖。

擬建場地地下水主要賦存和運(yùn)移于各地層的孔隙、裂隙中。地下水類型在上部雜填土①中為上層滯水，賦存和運(yùn)移于粉質(zhì)粘土②和粉質(zhì)粘土③層以下的地下水略具承壓性。地下水主要接受大氣降水下滲及外圍地下水的側(cè)向補(bǔ)給，總體上由西北向東南(環(huán)島路)徑流排泄?？辈炱陂g測得場地中各鉆孔的初見水位埋深為0.20～2.55m;混合穩(wěn)定水位埋深為0.50～2.70m。

各土層設(shè)計參數(shù)詳見(表1)，代表性地質(zhì)剖面詳見(圖3)。

表1 地基土層物理力學(xué)性質(zhì)綜合指標(biāo)

圖3 代表性地質(zhì)剖面圖

3 基礎(chǔ)選型

3.1 地質(zhì)情況特點(diǎn)分析

本建設(shè)場地地質(zhì)情況有如下特點(diǎn):

1)建設(shè)用地面積較小:地塊西側(cè)、南側(cè)緊鄰已建建筑，北側(cè)為另一辦公樓用地(信義大廈，施工時兩個地塊擬整體進(jìn)行基坑支護(hù)和土方開挖)，東側(cè)為環(huán)島干道綠化帶，施工場地較小。

2)基底土層:基坑開挖后基底揭露土層為殘積砂質(zhì)粘性土層和全風(fēng)化花崗巖層，具有良好的地基承載力能力，可考慮對其進(jìn)行利用。

3)基巖層埋深大、巖面起伏較大。可作為本工程樁基礎(chǔ)持力層的中風(fēng)化花崗巖層的埋深整個場呈自主樓右側(cè)向左側(cè)漸深的走勢。最大中風(fēng)化花崗巖面埋深48.5m，最大高差達(dá)23m;

4)孤石的分布:部分鉆孔在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中分布有大小不一的中風(fēng)化花崗巖孤石。

3.2 基礎(chǔ)選型分析

對于超高層辦公建筑，單柱荷載較大，對于小直徑的預(yù)制類樁，由于其單樁承載力有限，布樁無法滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求，所以本工程基礎(chǔ)選型時不予考慮。常規(guī)做法是選擇大直徑灌注類樁，如沖孔灌注樁、旋挖樁、人工挖孔樁等，選擇以中風(fēng)化花崗巖作為持力層，三種樁型在本場地的技術(shù)特點(diǎn)分析見(表2)。

表2 樁型技術(shù)特點(diǎn)分析

通過以上分析，雖然旋挖樁和沖孔樁理論上在本場地均為可行的基礎(chǔ)方案，但考慮其施工工藝受本場地特殊地質(zhì)情況的限制，實際施工時難度較大，施工周期無法控制、造價高。對于常規(guī)人工挖孔樁是較理想的基礎(chǔ)方案，但受[廈建設(shè)[2008]24號文件]“人工挖孔樁樁長不得超過15m”的規(guī)定限制，本工程人工挖孔樁只能以碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖作為樁端持力層，其布樁不能滿足上部荷載要求。

綜合以上分析，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，設(shè)計提出采用樁頂設(shè)置變形調(diào)節(jié)裝置的兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)。主樓設(shè)置大筏板，以殘積砂質(zhì)粘性土層作為大筏板的持力層，主樓豎向構(gòu)件下布置人工挖孔樁(樁端持力層為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，可控制有效樁長小于15m)，樁頂設(shè)置變形調(diào)節(jié)裝置與筏板連接。在第一階段樁頂變形調(diào)節(jié)裝置處于“小剛度”階段，前期的上部荷載主要由筏板底地基土承擔(dān)，隨著施工和使用期間的逐步加載，筏板底地基土繼續(xù)承載。當(dāng)?shù)鼗两底冃闻R界預(yù)警值或沉降穩(wěn)定后，采用高強(qiáng)度填充料灌注樁頂變形調(diào)節(jié)裝置空腔，基樁剛度達(dá)到第二階段的“大剛度”階段，后續(xù)荷載由基樁承擔(dān)，形成兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)。取得了良好的效果，具體詳見工程實例分析。

4 復(fù)合樁基礎(chǔ)的設(shè)計

4.1 樁、土承載力的確定

根據(jù)SATWE-JCCAD計算分析，主樓范圍地下室底板以上結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)值∑(1.0恒+1.0活)=810000kN，主樓筏板厚度取 2.5m，筏板面積 As=1600m2，筏板自重2.5*26=65kPa，考慮到本工程基礎(chǔ)埋置較深達(dá)黃標(biāo)-9.70m，基底水浮力較大，可適當(dāng)考慮水浮力對基礎(chǔ)的有利貢獻(xiàn)，考慮基礎(chǔ)承臺和底板自重由水浮力承擔(dān)。

根據(jù)前述分析，復(fù)合樁基大筏板選擇以殘積砂質(zhì)粘性土層作為持力層，地勘報告室內(nèi)試驗提供的其承載力特征值為f ak=220kPa，考慮到該土層具有泡水易軟化、崩解，使強(qiáng)度降低的不良特性，若在施工期間做好地下室的降排水，地基土的保護(hù)工作，其承載力是有保障的。結(jié)合廈門地區(qū)以往工程經(jīng)驗，設(shè)計取基底土層的承載力特征值為f ak=300kPa，經(jīng)深度和寬度修正后的承載力特征值fa=400kPa進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計，同時要求基礎(chǔ)施工前應(yīng)進(jìn)行殘積土層的淺層載荷板試驗，進(jìn)一步驗證該土層的地基承載力。

人工挖孔樁選擇以碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖作為樁端持力層，有效樁長小于15m，樁身混凝土 C40，根據(jù)計算的單樁承載力特征值為，ZH1(d=1200mm，D=1600mm，Ra=6000kN)，ZH2(d=1400mm，D=1800mm，Ra=7000kN)。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，復(fù)合樁基的設(shè)計思路如下:

①先賦予第一階段荷載比例ξ以及第一階段樁荷載分擔(dān)比η初始值，求出樁土分擔(dān)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值Ns和Np;

②根據(jù)規(guī)范[3]附錄B計算地基土沉降Ss1;若Ss1≥[S]，返回①調(diào)整 ξ和 η值，直至地基土沉降滿足規(guī)范要求;

③根據(jù)①計算的Np確定樁數(shù)n;

④復(fù)合樁基礎(chǔ)豎向承載力的復(fù)核;

⑤計算變形調(diào)節(jié)裝置的豎向剛度。

4.2 樁土荷載分擔(dān)值的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，樁土荷載分擔(dān)值初步可按下列過程計算:

N—復(fù)合樁基承擔(dān)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值;

N1—第一階段復(fù)合樁基承擔(dān)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值;

NP1—第一階段基樁承擔(dān)的荷載，即變形調(diào)節(jié)裝置承擔(dān)的荷載;

ξ—第一階段荷載比例;

η—第一階段樁荷載分擔(dān)比，建議取值 0.2～0.5;

NS—土分擔(dān)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值;

Np—樁分擔(dān)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值;

計算過程:

fa*Ac/N=400*1600/810000=79%，

所以，可先假定ξ=90%

N1=ξ*N=0.90*810000=729000 kN

NP1=η*N1=0.2*729000=145800 kN第一階段為盡可能讓地基土承擔(dān)荷載，η取低值;

Ns=(1-η)* ξ*N=(1-0.2)*0.9*810000=583200 kN

Np=(1-ξ)*N+η*N1=(1-0.9)*810000+0.2*729000=226800 kN

4.3 地基土沉降的初步計算

根據(jù)文獻(xiàn)[6]端承樁樁頂設(shè)置了變形調(diào)節(jié)裝置，復(fù)合樁基的沉降主要是第一階段的沉降量，該期間復(fù)合樁基的沉降量就是樁長范圍內(nèi)地基土的沉降量SS1，相當(dāng)于變形調(diào)節(jié)裝置的變形量;到第二階段，復(fù)合樁基的沉降就是端承樁的沉降量SP2，主要表現(xiàn)為樁自身的壓縮和樁端土的“刺入量”。該復(fù)合樁基的沉降量:

S-復(fù)合樁基的沉降量;

SS1-第一階段地基土的沉降量，本工程應(yīng)考慮基坑的回彈再壓縮變形;

SP2-第二階段樁的沉降量;

第二階段端承樁的沉降量值SP2與第一階段的沉降量SS1相比很小，可以忽略不計，工程上可以認(rèn)為S=SS1，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規(guī)范[2]行，也可以按照規(guī)范[3]進(jìn)行。

對于本工程經(jīng)過計算，S=0.2*162.5=32.5mm，沉降計算滿足要求。

4.4 樁數(shù)的確定

根據(jù)上述計算，樁分擔(dān)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值Np=226800 kN，樁數(shù)n=226800/6000=38根。

布樁時考慮到本工程結(jié)構(gòu)體系采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒剛度較大，承擔(dān)了大部分的主樓荷載，核心筒范圍適當(dāng)增加樁數(shù)的布置，按照不小于4d進(jìn)行布樁。核心筒范圍布置ZH1共24跟，外框柱的樁根據(jù)柱底軸力情況在柱位下布置單樁ZH2，共16根。布樁時可考慮樁身承載力基本上能承擔(dān)主樓荷載標(biāo)準(zhǔn)值，以增加結(jié)構(gòu)安全度。樁基礎(chǔ)布置平面圖見(圖4)。

圖4 人工挖孔樁平面布置圖

4.5 復(fù)合樁基豎向承載力的復(fù)核

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，竣工交付使用后即第二階段復(fù)合樁基礎(chǔ)的承載力為:

Q-兩階段變剛度復(fù)合樁基的承載力;

Qs-地基土的承載力;

Qp-樁基礎(chǔ)的承載力;

對于本工程:

Q=400*(1600-3.14*0.62*24-3.14*0.72*16)+(6000*24+7000*16)=619300+256000=875300 kN＞∑(1.0恒 +1.0活)=810000 kN，滿足上部荷載要求。

程序計算時，在偏心荷載和地震作用效應(yīng)時，地基承載力特征值和單樁承載力特征值均按規(guī)范乘以相應(yīng)調(diào)整系數(shù)進(jìn)行復(fù)核滿足規(guī)范要求。

4.6 變形調(diào)節(jié)裝置豎向剛度的計算

根據(jù)文獻(xiàn)[6]變形調(diào)節(jié)裝置的剛度Kt:

Kt=NP1/St=η*N1/(n*St)

Kt—變形調(diào)節(jié)裝置的剛度;

St—變形調(diào)節(jié)裝置的變形量，等于第一階段地基土的沉降量，即St=SS1;

Kt=NP1/St=145800/40*32.5=112000 N/mm

考慮到第一階段荷載主要由地基土承擔(dān)，為了調(diào)節(jié)核心筒和外框柱第一階段的不均勻沉降，定做變形調(diào)節(jié)裝置時可考慮核心筒和外框柱采用不同的剛度值，本工程取 Kt-ZH1=180000 N/mm，Kt-ZH2=120000 N/mm。

變形調(diào)節(jié)裝置的構(gòu)造見(圖5)。

圖5 樁頂變形調(diào)節(jié)裝置構(gòu)造

5 監(jiān)測儀器的布置

為了解樁及地基土在建筑物施工及使用過程中的應(yīng)力以及變形情況，本工程沿主樓筏板縱橫兩個剖面進(jìn)行了樁頂應(yīng)力、地基土壓力、樁頂彈性支座變形、筏板應(yīng)力、主樓沉降、傾斜度等測試及觀測。監(jiān)測儀器布置圖見(圖6)。

圖6 監(jiān)測儀器布置圖

6 經(jīng)濟(jì)比較分析

此外，我們按照常規(guī)沖孔灌注樁基礎(chǔ)進(jìn)行了基礎(chǔ)布置，并進(jìn)行了造價對比分析見(表3)。沖孔灌注樁樁端以中風(fēng)化花崗巖作為持力層，有效樁長約9～32m，樁徑1300mm，共布樁72根。沖孔灌注樁基礎(chǔ)布置見(圖7)。

圖7 沖孔灌注樁布置平面圖

表3 造價分析對比表

根據(jù)上表分析，復(fù)合樁基礎(chǔ)造價較常規(guī)沖孔灌注樁基礎(chǔ)節(jié)省約30%，施工周期縮短近50%。同時可以注意到，據(jù)了解地塊北側(cè)相鄰的“信義大廈”工地，原先設(shè)計為沖孔灌注樁基礎(chǔ)，施工過程中由于巖面起伏較大和遇孤石分布，其基礎(chǔ)實際施工周期近9個月，造價隨之增加。本工程合理選用了基礎(chǔ)形式，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語

在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計選型時，應(yīng)全面了解地質(zhì)情況并結(jié)合各類基礎(chǔ)特點(diǎn)進(jìn)行綜合選型分析。當(dāng)?shù)鼗翆泳哂辛己贸休d力時，可考慮設(shè)計為復(fù)合樁基礎(chǔ)，通過樁頂變形調(diào)節(jié)裝置的作用使地基土和基樁共同承擔(dān)上部荷載，可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計過程中，通過樁頂變形調(diào)節(jié)裝置剛度的差異化設(shè)計，基樁的差異化布置、后期根據(jù)建筑變形實時觀測數(shù)據(jù)對變形調(diào)節(jié)裝置空腔澆筑時間的差異化控制，可以很好實現(xiàn)對基礎(chǔ)的變剛度調(diào)平設(shè)計，可以有效減小建筑的不均勻沉降。

采用復(fù)合樁基礎(chǔ)時，施工中應(yīng)重點(diǎn)做好基坑的降排水和地基土保護(hù)工作，保證地基土承載能力可靠發(fā)揮。此外，應(yīng)做好各類監(jiān)測儀器的布置和測試工作，及時收集整理監(jiān)測數(shù)據(jù)，確?；A(chǔ)設(shè)計、施工的準(zhǔn)確性，為設(shè)計及施工提供必要的參考以及進(jìn)行動態(tài)設(shè)計。

兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)作為一種新的樁筏基礎(chǔ)形式，其工作機(jī)理與常規(guī)樁基礎(chǔ)、常規(guī)復(fù)合樁基礎(chǔ)具有顯著不同，充分認(rèn)識其工作機(jī)理還需經(jīng)歷較長的過程，目前理論研究遠(yuǎn)落后于工程實踐。因此對兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)工作機(jī)理及工程實踐開展研究不僅具有重要的理論意義，還具有廣泛的工程應(yīng)用價值。

[1]GB 5009-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范 [S].

[3]JGJ 72-2004，高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].

[4]宰金珉.復(fù)合樁基理論與應(yīng)用[M].北京:知識產(chǎn)權(quán)出版社、中國水利水電出版社，2004.

[5]設(shè)置變形調(diào)節(jié)裝置樁筏基礎(chǔ)工作機(jī)理及其應(yīng)用研究.廈門[J].廈門新區(qū)建筑設(shè)計院有限公司、南京工業(yè)大學(xué)等.2011.

[6]兩階段變剛度復(fù)合樁基礎(chǔ)工作機(jī)理研究[J].廈門新區(qū)建筑設(shè)計院有限公司、廈門市土木建筑學(xué)會等2015.

[7]林樹枝，郭天祥，何波.廈門當(dāng)代天境地基基礎(chǔ)優(yōu)化研究[J].福建建設(shè)科技 2010 NO.4.

[8]林樹枝，郭天祥，何波.兩階段變剛度端承樁復(fù)合樁基礎(chǔ)的設(shè)計及應(yīng)用[J].福建建筑 2010 NO.5.