深圳地區(qū)超高層建筑樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

戴 嘉 琦

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 概述

隨著近二十年的改革開(kāi)放，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，優(yōu)勢(shì)資源集中促進(jìn)人口集聚，于是位于沿海等較為發(fā)達(dá)的地區(qū)出現(xiàn)了很多特大型、大中型城市。這些地區(qū)的特點(diǎn)是人口密集，資源集中，財(cái)富集聚，由此也面臨著土地緊張，活動(dòng)空間需求較大等大型城市問(wèn)題，超高層建筑物無(wú)疑是一種最佳選擇。

從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，超高層建筑物層數(shù)多、上部結(jié)構(gòu)荷載巨大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在恒載、活載、地震作用以及風(fēng)荷載作用下的受力問(wèn)題突出，由此帶來(lái)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分的工程量在整個(gè)項(xiàng)目中的占比居多，同時(shí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問(wèn)題也更加重要，包括基礎(chǔ)選型、材料用量、施工周期、工程造價(jià)等。因此，需要綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)效益，包括基礎(chǔ)本身的工程造價(jià)，以及土方、降水、施工條件和工期等因素。

深圳地處珠江三角洲前沿，場(chǎng)地土層較為特別，其上部多為粉質(zhì)粘土以及砂土互層，下部往往出現(xiàn)巖層，因此超高層建筑物多采用樁筏基礎(chǔ)形式，且以巖層作為樁端持力層。在這里，以一工程實(shí)例對(duì)樁基綜合經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化評(píng)估。

2 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于深圳北站東側(cè)北部，為超高層建筑，塔樓地上58層，地下3層。建筑高度為260.6 m，結(jié)構(gòu)高度為248.6 m。平面尺寸為46.8 m×46.8 m，核心筒尺寸為24.8 m×24.2 m。柱距為10 m，四個(gè)大角度斜柱轉(zhuǎn)換區(qū)域，大約位于1/5～4/5高度處，塔樓采用鋼管混凝土外框架—鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系。地下室共3層，基礎(chǔ)埋置深度14 m，基礎(chǔ)采用灌注樁基+筏板基礎(chǔ)形式，其中辦公主塔樓核心筒區(qū)域板厚為2 400 mm，對(duì)應(yīng)板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45,并采用90 d設(shè)計(jì)規(guī)定齡期的混凝土，辦公主塔樓非核心筒區(qū)域板厚為800 mm，對(duì)應(yīng)板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,并采用28 d設(shè)計(jì)規(guī)定齡期的混凝土。

3 工程地質(zhì)條件

擬建建筑物地處南亞熱帶，屬海洋性季風(fēng)氣候，冬暖夏涼，氣候宜人，雨量充沛，四季常青。場(chǎng)地原始地貌單元為剝蝕殘丘及丘間洼地，現(xiàn)已經(jīng)人工整平。現(xiàn)狀地勢(shì)開(kāi)闊，地形較平坦，地面高程在77.61 m～79.78 m，最大高差2.17 m。地下水高水位相對(duì)標(biāo)高為-1.0 m，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有微侵蝕性。場(chǎng)地內(nèi)未見(jiàn)巖溶、滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用，場(chǎng)地內(nèi)未見(jiàn)軟弱土層及液化土，擬建場(chǎng)地屬對(duì)建筑抗震一般地段，場(chǎng)地分布較厚新近堆填的人工填土層，場(chǎng)地內(nèi)存在孤石等不均勻風(fēng)化現(xiàn)象。樁頂相對(duì)標(biāo)高-14.100 m，高程為-12.400 m，沿樁身地基土分布情況如下：

素填土①1：堆積時(shí)間2年～10年，壓縮性較高，物質(zhì)組分不均勻，分布范圍較廣，工程性質(zhì)差；

填石①4：堆積時(shí)間2年～10年，松散，局部分布，結(jié)構(gòu)和組分不均勻，工程性質(zhì)一般；

雜填土①6：堆積時(shí)間2年～10年，物質(zhì)組成不均勻，結(jié)構(gòu)松散，工程性質(zhì)較差；

粉質(zhì)粘土②3：呈可塑狀態(tài)，該層分布較廣泛，壓縮性中等，工程性質(zhì)一般；

礫砂②6：飽和，稍密～中密，場(chǎng)地內(nèi)局部分布，壓縮性中等，工程性質(zhì)一般，滲透性、富水性好，水量豐富，基坑開(kāi)挖時(shí)易產(chǎn)生涌砂等滲透變形現(xiàn)象；

礫質(zhì)粘性土⑦1-1：呈可塑狀態(tài)，該層分布較廣泛，壓縮性中等，工程性質(zhì)一般；

礫質(zhì)粘性土⑦1-2：呈硬塑狀態(tài)，該層分布廣泛，壓縮性中等，工程性質(zhì)較好，該層土用作坑壁或邊坡坡面時(shí)，自穩(wěn)能力較好；

全風(fēng)化粗粒花崗巖⑧1：該層分布廣泛，巖芯呈較堅(jiān)硬土柱狀，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性質(zhì)較好，承載力較高，但分布厚度不均勻，不宜作為擬建建筑的樁端持力層。

砂土狀強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r⑧2-1：該層分布廣泛，巖芯呈砂土狀，厚度變化較大，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性質(zhì)較好，承載力高，不宜作為高層擬建建筑的樁端持力層，可用作一般建筑物的樁端持力層；

塊狀強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r⑧2-2：該層局部分布，巖芯呈塊狀，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性質(zhì)較好，承載力高，不宜作為擬建高層建筑的樁端持力層，可用作一般建筑物的樁端持力層；

中等風(fēng)化粗粒花崗巖⑧3：該層分布廣泛，厚變化較大，巖芯呈塊狀～短柱狀，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性質(zhì)較好，可作為擬建建筑的樁端持力層；

微風(fēng)化粗?；◢弾r⑧4：該層構(gòu)成本擬建場(chǎng)地基底，巖芯呈短柱狀～長(zhǎng)柱狀，較完整，力學(xué)強(qiáng)度高，工程性質(zhì)好，為擬建建筑的理想樁端持力層。

該場(chǎng)地采用灌注樁的樁側(cè)極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值fs和樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值fp值見(jiàn)表1。其中，粘性土層、砂土層以及全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層側(cè)摩阻力較大，而微風(fēng)化粗?；◢弾r層其端部承載力較大為55 MPa。因此，在樁長(zhǎng)較為合理范圍內(nèi)盡量采用端承力較大的微風(fēng)化巖層作為持力層。

表1 灌注樁承載力計(jì)算土層參數(shù)表

從典型地質(zhì)剖面圖可以看出，基礎(chǔ)底部標(biāo)高基本位于礫質(zhì)粘性土⑦1-2土層，基礎(chǔ)底部以下土層基本為花崗巖層(包括全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖層)，其中約43 m深處為微風(fēng)化粗?；◢弾r⑧4土層。

4 樁基優(yōu)選

4.1 持力層的確定

通過(guò)結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果，超高層結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)主要為受壓控制，外圍框架柱底最大壓力標(biāo)準(zhǔn)值約為62 000 kN，內(nèi)部核心筒在恒載和活載作用下的壓力標(biāo)準(zhǔn)值為1 526 865 kN，結(jié)構(gòu)下部地質(zhì)土層分布情況，選擇距離基底約為43 m處的微風(fēng)化粗粒花崗巖⑧4土層作為基樁持力層較為合理，一方面采用端承樁對(duì)于受壓控制的樁基更為經(jīng)濟(jì)，另一方面采用端承樁可以有效控制超高層基礎(chǔ)的整體沉降值，進(jìn)而減少附加內(nèi)力，結(jié)構(gòu)受力更為合理。

4.2 樁長(zhǎng)的確定

從地勘報(bào)告中提供的地質(zhì)土層分布剖面圖中可以看出，微風(fēng)化粗粒花崗巖⑧4土層起伏較大，因此在樁基施工時(shí)需進(jìn)行預(yù)鉆孔探明持力層位置，進(jìn)而確定對(duì)應(yīng)位置處的端承樁的樁長(zhǎng)，同時(shí)需保證樁端進(jìn)入微風(fēng)化持力巖層深度不小于0.5 m。經(jīng)過(guò)實(shí)際工程配合，該塔樓下基樁樁長(zhǎng)約為40 m～50 m不等。

4.3 樁徑的選擇

該工程項(xiàng)目樁基為端承樁，從施工開(kāi)挖便利性角度考慮，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)外圍結(jié)構(gòu)柱下宜采用一柱一樁形式，因此樁徑的大小直接由柱底壓力標(biāo)準(zhǔn)值的大小來(lái)決定，同時(shí)考慮到外圍結(jié)構(gòu)柱底部受力較大，因此相應(yīng)的樁徑也會(huì)較大，另外還需驗(yàn)算樁身混凝土強(qiáng)度滿足基樁受力要求。在這里，外圍結(jié)構(gòu)柱下的樁徑分別為2 500 mm和2 800 mm，樁身混凝土強(qiáng)度為C40等級(jí)，單樁承載力特征值分別為50 000 kN和62 000 kN。

對(duì)于內(nèi)部核心筒下基樁樁徑的選擇，需綜合考慮核心筒底部受力大小和受力分布特點(diǎn)、核心筒結(jié)構(gòu)剪力墻的布置盡量做到墻下布樁，另外還需考慮基礎(chǔ)底板厚度大小從綜合經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)合理選擇樁徑。此外，在選擇灌注樁樁徑時(shí)，不同樁徑需采用不同鉆頭，故而樁徑種類(lèi)不宜過(guò)多。綜合多方因素，核心筒下樁徑共有兩種，分別為2 000 mm和2 800 mm，樁身混凝土強(qiáng)度為C50等級(jí)，單樁承載力特征值分別為38 500 kN和76 000 kN。

4.4 布樁方案的選擇

超高層結(jié)構(gòu)樁基設(shè)計(jì)中，當(dāng)持力層，樁長(zhǎng)和樁徑基本確定后，需選擇合理的布樁方案。通常情況下，對(duì)于端承型樁，如上所述，主體結(jié)構(gòu)外圍結(jié)構(gòu)柱下宜采用一柱一樁形式。而內(nèi)部核心筒其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)為，外圍墻下樁受風(fēng)荷載組合下的荷載工況控制，而核心筒內(nèi)部樁受恒活組合下的荷載工況控制。內(nèi)部核心筒布樁時(shí)需綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、施工便利性、結(jié)構(gòu)受力合理性等因素進(jìn)行。在這里，對(duì)三種布樁方案進(jìn)行對(duì)比分析，布樁方案如圖1所示。

布樁方案1中外圍墻下布置了20根直徑為2 800 mm的樁，內(nèi)部墻下布置了4根直徑為2 800 mm的樁，如圖1a)所示，經(jīng)受力分析，樁基受力冗余度為1.195，其中內(nèi)部墻下的樁基受力冗余度僅為1.04，安全余量較小?；谠摲桨福岢隽瞬紭斗桨?，該方案中外圍墻下同樣布置了20根直徑為2 800 mm的樁，內(nèi)部墻下布置了4根直徑為2 800 mm的樁和2根直徑為2 000 mm的樁，詳見(jiàn)圖1b)，經(jīng)受力分析，樁基受力冗余度為1.245，其中內(nèi)部墻下的樁基受力冗余度僅為1.30，安全余量較方案1中大幅提高。布樁方案3中，外圍墻下也布置了20根直徑為2 800 mm的樁，而內(nèi)部墻下布置了8根直徑為2 000 mm的樁，詳見(jiàn)圖1c)，經(jīng)受力分析，樁基受力冗余度為1.197。

針對(duì)上述三種布樁方案，在這里也對(duì)基礎(chǔ)底板的厚度、配筋和抗剪抗沖切承載力進(jìn)行了相應(yīng)對(duì)比分析，如表2所示。

對(duì)三種布樁方案下基礎(chǔ)核心筒底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，方案1下底板厚度取值最小為2 000 mm，因該方案布樁均在墻下，故而無(wú)沖切問(wèn)題，但核心筒下底板跨度相應(yīng)較大，板底配筋率和外圍墻下板頂配筋率較大，為0.5%；對(duì)于方案2中，因部分布樁未在墻下，故而底板厚度相應(yīng)增加為2 400 mm，在此情況下樁對(duì)底板抗沖切比最小值為1.09，滿足抗沖切受力要求，而此時(shí)因布樁減小了底板板跨度，相應(yīng)的基礎(chǔ)底板板底和板頂配筋降低為0.42%；而對(duì)于方案3，因底板板跨度較大，故而板厚取值增大到2 500 mm，樁對(duì)底板抗沖切比最小值為0.97，不滿足抗沖切受力要求，同時(shí)板底配筋率和外圍墻下板頂配筋率較大，為0.5%。

表2 核心筒下基礎(chǔ)底板設(shè)計(jì)方案

綜合上述三種布樁方案下包括基樁自身的結(jié)構(gòu)受力情況，安全余量，經(jīng)濟(jì)性以及基礎(chǔ)底板的經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)等因素，方案2為最佳布樁方案。

4.5 經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)對(duì)超高層建筑物灌注樁持力層、樁長(zhǎng)、樁徑以及布樁方案的對(duì)比選擇，結(jié)論如下：

1)對(duì)于超高層建筑物底部地質(zhì)土層中存在微風(fēng)化巖層時(shí)，優(yōu)選端承型樁，一方面受力合理，同時(shí)可以解決結(jié)構(gòu)整體沉降問(wèn)題。

2)當(dāng)采用端承型樁時(shí)，主體結(jié)構(gòu)外圍結(jié)構(gòu)柱下宜采用一柱一樁形式，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部核心筒下則需優(yōu)選布樁方案，在此過(guò)程中，需結(jié)合綜合經(jīng)濟(jì)效益，樁徑大小的種類(lèi)不宜過(guò)多。

3)對(duì)于嵌巖樁，在樁基施工時(shí)需進(jìn)行超前鉆來(lái)確定不同位置樁長(zhǎng)。

4)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部核心筒布樁時(shí)，需根據(jù)樁基本身受力特點(diǎn)(即外圍墻下樁受風(fēng)荷載組合下的荷載工況控制，而核心筒內(nèi)部樁受恒活組合下的荷載工況控制)進(jìn)行布樁方案優(yōu)選。在優(yōu)選方案時(shí)，綜合基礎(chǔ)底板的受力情況和經(jīng)濟(jì)性情況來(lái)確定最佳布樁方案。

5 結(jié)語(yǔ)

深圳地區(qū)超高層建筑物樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，因該地區(qū)多為端承型樁基，在確定持力層、樁長(zhǎng)、樁徑以及布樁方案時(shí)需從綜合經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，結(jié)合施工難度，工程周期等因素來(lái)進(jìn)行優(yōu)選。